基於極化摻雜的GaN橫向肖特基二極體的製作方法與工藝

2023-06-16 15:38:31

本發明屬於半導體器件領域。

背景技術：
太赫茲（THz）波是指頻率在0.1-10THz範圍內的電磁波，其中1THz=1000GHz。THz波在電磁波頻譜中佔有很特殊的位置，THz技術是國際科技界公認的一個非常重要的交叉前沿領域。在THz波段，肖特基二極體具有常溫工作，易於集成等優點，已經被應用於太赫茲波段的檢測以及用於太赫茲源的產生。目前應用於太赫茲波段的肖特基二極體多為砷化鎵（GaAs）基，由於氮化鎵（GaN）材料的遷移率相對於GaAs材料來講，遷移率偏低，基於GaN的肖特基二極體研究較少，但是由於GaN材料帶隙為3.4eV，相對於GaAs材料帶隙1.4eV，帶隙更寬，GaN具有更高的擊穿電壓，又由於GaN材料相對於GaAs材料具有更好的散熱能力，因此GaN基肖特基二極體相對於GaAs基肖特基二極體可以承受更高的輸入功率，並且散熱性能更好。GaN基肖特基二極體作為倍頻源放置在太赫茲倍頻鏈的第一級。目前有基於矽摻雜形成N-/N+高低濃度摻雜結構的GaN肖特基二極體，但是該類型肖特基二極體串聯電阻較大，降低了二極體的工作頻率；還有基於高電子遷移率電晶體（HEMT）材料結構的肖特基二極體，多為縱向結構，該類型肖特基二極體由於電子要實現從縱向和橫向的傳輸，渡越時間較長。同時該類型二極體由於二維電子氣（2DEG）聚集性強，將引起可靠性問題。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於極化摻雜的GaN橫向肖特基二極體，該二極體可以降低有源區的電子聚集性，減弱由於電子聚集引起的可靠性問題。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種基於極化摻雜的GaN橫向肖特基二極體，自下而上包括襯底、緩衝層和GaN層，在GaN層上設有漸變組分AlGaN層、與漸變組分AlGaN層橫向結構形成的歐姆接觸金屬層和肖特基接觸金屬層，歐姆接觸金屬層和肖特基接觸金屬層位於漸變組分AlGaN層的兩側，所述漸變組分AlGaN層的Al組分為非均勻分布。所述漸變組分AlGaN層的Al組分自上而下或自下而上由0漸變到30%。所述襯底為藍寶石、Si、SiC或GaN。所述緩衝層為AlN。在漸變組分AlGaN層上方生長有氮化矽鈍化層。採用上述技術方案取得的技術進步為：1、該二極體採用橫向結構，有源區的電子沒有縱向傳輸過程，縮短了電子的渡越時間；2、與普通HEMT材料結構的二極體相比，本發明有源區採用漸變組分AlGaN，減弱了由於電子聚集引起的可靠性問題；3、與矽摻雜形成N-/N+高低濃度結構的GaN肖特基二極體相比，本發明的串聯電阻較小；4、與GaAs肖特基二極體相比，在同等肖特基結面積的情況下，本發明可以承受更大的輸入功率，且散熱性能增強；5、與普通HEMT材料結構的二極體相比，本發明電容的非線性更強，更加適合作為變容器件；6、本發明器件結構簡單，易於實現。附圖說明圖1所示為本發明的結構主視圖；圖2所示為圖1的俯視圖；其中，101、歐姆接觸金屬層，102、漸變組分AlGaN層，103、肖特基接觸金屬層，104、肖特基接觸引線電極，105、GaN層，106、緩衝層，107、襯底，108、氮化矽鈍化層。具體實施方式由圖1所示可知，基於極化摻雜的GaN橫向肖特基二極體，自下而上包括襯底107、緩衝層106和GaN層105，在GaN層105上設有漸變組分AlGaN層102、與AlGaN層102橫向結構形成的歐姆接觸金屬層101和肖特基接觸金屬層103，所述漸變組分AlGaN層102的Al組分非均勻分布；所述漸變組分AlGaN層102的Al組分自上而下（或自下而上）由0漸變到30%；所述襯底107為藍寶石、Si、SiC或GaN；所述緩衝層106為AlN。襯底107處在本發明的最下方，用以支撐整個肖特基二極體；在襯底107上有外延生長的AlN緩衝層106，在AlN緩衝層106上有外延生長的GaN層105，在GaN層105上有外延生長的漸變組分的AlGaN層102，漸變組分AlGaN層102由於組分漸變，形成天然極化摻雜，電子氣均勻分布在整個漸變組分AlGaN層102以及GaN層105與漸變組分AlGaN層102界面處，形成了類似多溝道的二維電子氣。在漸變組分AlGaN102層左側為歐姆接觸金屬層101，歐姆接觸金屬層101自下至上為依次為Ti、Al、Ni、Au，在漸變組分AlGaN層102右側為肖特基接觸金屬層103，在肖特基接觸金屬層103右側為肖特基接觸引線電極104。所述漸變組分AlGaN層102的Al組分的漸變方式有很多種，比如線性漸變、非線性漸變（如指數漸變、等梯度漸變等、非等梯度漸變等）等。不同的漸變方式會產生不同的技術效果，本領域技術人員可根據實際需要選擇合適的漸變方式。本發明所述的肖特基二極體可通過以下半導體工藝實現：第一步，臺面刻蝕：臺面區域為漸變組分AlGaN層102和部分GaN層105，通過幹法刻蝕的方法，刻蝕掉AlGaN層102和上層部分的GaN層105的兩側邊部分，形成漸變組分AlGaN層102和GaN層105之間的臺面，如圖1所示。第二步，製作歐姆接觸：如圖1和圖2所示的101區域，通過蒸發金屬製成歐姆接觸金屬層101，歐姆接觸金屬層101自下至上依次為Ti、Al、Ni、Au，通過合金，歐姆接觸金屬層101與漸變組分AlGaN層102形成歐姆接觸。第三步，製作肖特基接觸：如圖1和圖2所示的103區域，通過蒸發金屬Ni、Au，金屬與漸變組分AlGaN層102形成肖特基接觸金屬層103。第四步，製作肖特基接觸引線電極104：肖特基接觸引線電極104的位置如圖1和圖2所示。為了提高肖特基二極體的可靠性，在漸變組分AlGaN層102上方，通過生長氮化矽鈍化層108來保護有源區的漸變組分AlGaN層102。本發明的二極體採用橫向結構，這樣有源區的電子就沒有縱向傳輸過程，縮短了電子的渡越時間；與普通HEMT材料結構的二極體相比，本發明的有源區採用漸變組分的AlGaN，減弱了二極體中由於電子聚集引起的可靠性問題，並且本發明電容的非線性更強，更加適合作為變容器件；與矽摻雜形成N-/N+高低濃度結構的GaN肖特基二極體相比，本發明的串聯電阻較小；與GaAs肖特基二極體相比，在同等肖特基結面積的情況下，本發明可以承受更大的輸入功率，且散熱性能增強；本發明器件結構簡單，易於實現。以上對本發明的實施方式的描述僅用於說明本發明的技術方案，而不是對本發明範圍的限制，本發明並不限於所公開的具體實施例子，本領域的技術人員可以對本發明所述的實施方式進行修改或者對其中部分技術特徵進行等同替換，這些修改或者替換都應落入本發明的保護範圍。