基於離子注入氟實現高增益氮化鎵肖特基二極體的製備方法與流程
2023-12-12 22:25:22 1
本發明涉及一種肖特基二極體的製作領域，具體涉及一種通過離子注入氟改進寬禁帶半導體材料氮化鎵肖特基二極體製作工藝的方法。
背景技術：
寬禁帶iii族氮化物半導體，gan材料由於自身在高頻、大功率領域具有巨大潛力，因此gan基的電子器件對於高級通信網絡中的放大器、調製器和其他關鍵器件非常有用。gan電晶體可以將未來的無線網絡基站放大器的效率提高到現在的兩倍或三倍。gan電晶體的耐熱性能、高功率性能使得其在雷達，汽車電子電路方面成為非常理想的元器件。應當注意到，作為基礎的半導體器件之一和其它器件的重要構成，肖特基接觸結構的電學行為對整個器件的電學特性具有不可忽略的影響。例如，對於algan/gan異質結高電子遷移率電晶體，非理想的肖特基柵極結構容易引起器件整體電學特性下降等嚴重的可靠性問題，如漏電流退化、噪音增大和擊穿電壓減小等[1-3]。不幸的是，gan外延層和異質襯底(如藍寶石)之間存在較大的晶格和熱膨脹失配，所生長的薄膜內線性位錯密度較高，約108-1010cm-2,容易導致所製備的肖特基接觸的漏電流密度比理論值大幾個數量級[4-5]。目前，採用自支撐同質gan襯底可有效減小外延層內的位錯密度和提高外延層質量，為進一步製備高性能gan器件提供材料生長技術支撐。
某種程度上，肖特基二級管的工作方式與單邊突變p-n結的工作方式在電學上有些相似，但是肖特基二極體是多數載流子工作的器件，因此具有快速響應能力。所以除了電荷存儲二極體外，p-n結二極體的端功能都可由肖特基二極體來完成，這是因為在多數載流子器件中，電荷存儲時間非常短。另外一個區別在於肖特基二極體有較大的電流密度，這是因為其內建電勢較小以及熱電子發射與擴散相比所具有的天然特性，使得正向壓降降低，但同時也帶來了一些缺點，如肖特基二極體的反向電流大，擊穿電壓低。通過在傳統的肖特基二極體製備的工藝工程中，在鈍化層澱積與肖特基金屬電極蒸發兩步工藝之間加入離子注入氟的工藝，f離子的存在可以提高內建勢壘高度φf從而減小反向電流。有結果表明退火後f離子注入過程中在勢壘層中引入的缺陷和陷阱對器件的性能影響很小。基於f離子注入減小肖特基二極體反向電流的方法具有工藝簡單、重複性高且彌補了材料質量中的缺陷和位錯密度高的不足，經過大量實驗發現，表面電勢的增加是永久性的。
技術實現要素：
本發明目的在於針對現有技術所存在的不足，提供了一種通過離子注入氟實現高增益氮化鎵肖特基二極體的工藝方法，可有效減低器件反向偏壓電流，並且可實現性強。
為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是：
一種基於離子注入氟實現高增益氮化鎵肖特基二極體，包括
同質gan體襯底及部分區域經過離子注入氟處理的n-gan半導體層；所述部分區域經過離子注入氟處理的n-gan半導體層上設置有肖特基金屬電極；所述部分區域未經過離子注入氟處理的n-gan半導體層上設置有歐姆金屬電極。
在實施例中，所述的圓環形歐姆金屬電極將所述的圓形肖特基金屬電極設在其內圓弧中，兩個電極的距離為20um。
在實施例中，所述的歐姆金屬電極為ti/al/ni/au四層電極，厚度為240nm；所述的肖特基金屬電極為ni/au雙層電極，厚度為300nm。
一種基於離子注入氟實現高增益氮化鎵基肖特基二極體的製備方法，其特徵在於，所述具體製作步驟包括：
ⅰ、在同質gan體襯底上通過金屬有機氣相外延法生長濃度為4.1x1016cm-3的n型gan摻雜層，體襯底與外延片總厚度為330um，把清洗乾淨的gan外延片浸入按一定比率稀釋的氫氟酸溶液中60秒去除半導體表面氧化物。
ⅱ、利用標準光刻和lift-off技術定義器件的結構。
ⅲ、在n型gan外延層上利用電子束蒸發在歐姆電極區域沉積ti/al/ni/au作為環形歐姆接觸的金屬，並在氮氣氣氛下進行800度退火處理70秒，形成良好的歐姆接觸。
ⅳ、在外延片正面採用熱氧化或等離子體增強化學氣相沉積法(pecvd)或者低壓化學氣相沉積法(lpcvd)沉積氧化矽鈍化層。採用雷射刻蝕選擇性去除外延片上離子注入區域的氧化矽,未刻蝕的氧化矽作為後期離子注入的掩膜，減小歐姆電極下方氟離子濃度。
ⅴ、在n型gan外延層上肖特基電極區域下離子注入氟，注入能量為10kev，注入劑量為2e13,注入角度為+7度，並做退火處理。
ⅵ、在外延片正面中心離子注入氟的區域上方採用電子束蒸發形成直徑為150um的ni/au(50nm/250nm)圓形肖特基接觸金屬層電極。
相對於現有技術中的方案，本發明的優點是：
本發明描述了一種基於離子注入氟實現高增益氮化鎵基肖特基二極體的方法，通過該方法製作的氮化鎵肖特基二極體一方面採用離子注入氟增加了內部勢壘高度，減小了反向偏壓下的電流，從而提高了器件的增益，而且f-離子注入損失小且經過快速熱退火處理後，對器件中的不穩定的f-離子具有較好的固化作用，提高器件工作的可靠性。另一方面器件兼備結構簡單、製備成本較低以及離子注入工藝可重複性高等諸多優點。
附圖說明
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：
圖1是本發明實施例的經過離子注入氟的gan肖特基二極體的橫截面結構示意圖；
圖2是本發明實施例的經過離子注入氟的gan肖特基二極體的俯視結構示意圖；
圖中各標記分別代表的是：1-體自撐gan同質襯底，2-含有離子注入氟的n-gan外延層，3-ti/al/ni/au(20nm/120nm/50nm/50nm)的環形歐姆接觸金屬層電極，4-二氧化矽鈍化層，5-ni/au(50nm/250nm)圓形肖特基接觸金屬層電極。
圖3是本發明實施例的經過離子注入氟的gan肖特基二極體與未經氟離子注入的同種結構的器件的電流對比圖，在反向偏壓為-5v時，兩種器件的電流之比達到107；
圖4是本發明實施例的經過離子注入氟的gan肖特基二極體在暗室下的暗電流和360nm、365nm紫外波段照射下的光電流的對比圖，增益大小也達到了107；
具體實施方式
以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未註明的實施條件通常為常規實驗中的條件。
實施例：
本實施例描述了一種基於離子注入氟實現高增益氮化鎵肖特基二極體，從器件正面到背面(正面指的是受光面，背面指的是非受光面)依次包括:正面的肖特基金屬層電極5和歐姆金屬層電極3，二氧化矽鈍化層4，正面的離子注入氟的n型gan層2以及背面的同質gan襯底1。
具體的製作工藝步驟如下：
步驟1：選取合適的外延材料，相比較與藍寶石襯底，採用自支撐同質gan襯底可有效減小外延層內的位錯密度和提高外延層質量。
值得說明的是，器件工藝開始之前的表面清洗是整個工藝的重要組成部分，它對於在器件表面澱積金屬或介質的粘附性以及最終的器件特性起著重要的作用。儘管有機溶液(丙酮乙醇等)和酸鹼溶液的清洗不能完全保證gan表面達到原子級的清潔程度，但能夠有效地去除gan表面氧化層和玷汙。
步驟2：在同質gan襯底上採用金屬有機物化學氣相沉積法生長一層濃度為4.1x1016cm-3、厚度為2um的n-gan外延片。
步驟3：在外延片正面採用熱氧化或等離子體增強化學氣相沉積法(pecvd)或者低壓化學氣相沉積法(lpcvd)沉積氧化矽鈍化層。
步驟4：在外延片正面採用雷射刻蝕選擇性去除指定區域的氧化矽。
步驟5：刻蝕掉氧化矽的區域採用電子束蒸發形成ti/al/ni/au(20nm/120nm/50nm/50nm)的環形歐姆接觸金屬層電極。
步驟6：進一步，在電子束蒸發形成歐姆電極後對其進行快速熱退火的處理過程為，在800度的氮氣氛圍下快速熱退火(rta)70秒形成歐姆接觸。
值得說明的是，以多層金屬形成好的歐姆接觸，要求最接近n-gan底層的金屬必須要有小的功函數。通常在n-gan歐姆接觸中選擇ti作為勢壘層金屬，ti是一種非常高活性且難熔的金屬，十分容易與退火過程中由n-gan外擴散的n原子發生固相化學反應，形成半金屬tin；同時gan中留下了高密度氮空位vn，起淺施主的作用，非常有利於形成歐姆接觸。
步驟7：在外延片正面中心被刻蝕掉氧化矽的區域採用離子注入技術，注入氟離子，能量為10kev，注入劑量為2e13,注入角度為正7度。
值得說明的是，通過離子注入在輕摻雜gan層2內抬高了內部勢壘高度，以提高製備得到的肖特基二極體器件的反向電流，實現器件的高增益。
步驟8：進一步，在外延片正面一側離子注入氟後對外延片進行快速熱退火的處理過程為，在400度的氮氣氛圍中處理10-20min。
步驟9：在外延片正面中心離子注入氟的區域上方採用電子束蒸發形成直徑為150um的ni/au(50nm/250nm)圓形肖特基接觸金屬層電極，與歐姆接觸電極之間的距離為20um。
具體地，肖特基電極層5的材料可選自ni、pt、au、pd、co、cr、cu、ag、al、w等金屬或其合金(如ni/au合金等)，而歐姆電極層3的材料可選自al、ti、mo、ni、au、pt、ta、pd、w、cr等金屬或合金(如ti/al/ni/au多層合金等)，兩者厚度均控制在250nm-300nm即可；同時，二者均可採用電子束蒸發法或磁控濺射法形成。在肖特基二極體的一般製備過程中，肖特基電極層5以及歐姆電極層3等的製備材料、製備方法以及厚度等參數均為本領域常規操作，這裡不再贅述。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。