一种GaN肖特基二极管的制备方法及GaN肖特基二极管

摘要

本发明提供了一种GaN肖特基二极管的制备方法及GaN肖特基二极管，包括：提供GaN单晶衬底，并在GaN单晶衬底上形成n型GaN漂移层；对n型GaN漂移层的远离GaN单晶衬底侧进行刻蚀得到具有沟槽的第一器件；形成填充于第一器件的沟槽内的金刚石膜层，得到具有金刚石终端结构的第二器件；在对第二器件进行预处理之后，于第二器件的两侧分别形成欧姆电极层和肖特基电极层得到GaN肖特基二极管。相比较于现有技术中离子注入、场板结构以及金属保护环等终端结构，具有金刚石终端结构的GaN肖特基二极管不仅可以有效的提高半导体器件的耐压、降低峰值电场，降低半导体器件的反向漏电，还可以有效的给半导体器件散热；同时，制备方法较为简单，降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制备技术领域，尤其涉及一种GaN肖特基二极管的制备方法及GaN肖特基二极管。

背景技术

氮化镓(GaN)是一种重要的第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高和抗辐射能力强等优越性能，在固态光源和电力电子、微波射频器件等领域，具有非常好的应用前景和市场潜在价值。

二极管是半导体器件工艺中最常用的器件，GaN肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，广泛应用于电路设计及逻辑门设计。在相关技术中，肖特基二极体在实际制备过程中都会采用终端结构降低峰值电场，常见的终端结构有离子注入、场板结构及金属保护环结构，其中离子注入是提升器件耐压、降低峰值电场最有效的结构，但缺点是成本高、工艺复杂和周期长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种GaN肖特基二极管的制备方法及GaN肖特基二极管，旨在解决相关技术中的肖特基二极体在实际制备过程中所采用终端结构成本高、工艺复杂和周期长的问题。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种GaN肖特基二极管的制备方法，包括：

提供GaN单晶衬底，并在所述GaN单晶衬底上形成n型GaN漂移层；

对所述n型GaN漂移层的远离所述GaN单晶衬底侧进行刻蚀得到具有沟槽的第一器件；

形成填充于所述第一器件的沟槽内的金刚石膜层，得到具有金刚石终端结构的第二器件；

在对所述第二器件进行预处理之后，于所述第二器件的两侧分别形成欧姆电极层和肖特基电极层得到GaN肖特基二极管；其中，所述肖特基电极层覆盖所述沟槽开口的部分区域，所述欧姆电极层设于所述GaN单晶衬底的远离所述n型GaN漂移层侧。

优选地，所述形成填充于所述第一器件的沟槽内的金刚石膜层，包括：

对所述第一器件进行酸洗；

将酸洗后的所述第一器件置于生长设备中，以使所述第一器件的沟槽内形成金刚石膜层。

优选地，所述对所述第一器件进行酸洗，包括：

配置HCl与H

利用所述盐酸，对所述第一器件进行清洗。

优选地，所述对所述n型GaN漂移层的远离所述GaN单晶衬底侧进行刻蚀得到具有沟槽的第一器件，包括：

于所述n型GaN漂移层的远离所述GaN单晶衬底侧形成光刻胶层；

对所述光刻胶层进行曝光和显影，于所述光刻胶层得到预设图案；

根据所述预设图案，对所述n型GaN漂移层进行刻蚀得到具有沟槽的第一器件；其中，所述沟槽的形状与所述预设图案相对应。

优选地，所述对所述第二器件进行预处理，包括:

采用干法去胶的方式去除所述第二器件中发生碳化后的所述光刻胶层，得到具有与所述沟槽的深度相等的金刚石膜层；

对去除所述光刻胶层的所述第二器件进行酸洗，完成所述第二器件的预处理。

优选地，所述于所述第二器件的两侧分别形成欧姆电极层和肖特基电极层得到GaN肖特基二极管，包括：

于所述n型GaN漂移层设有所述沟槽的一侧形成肖特基电极层；

于所述GaN单晶衬底的远离所述n型GaN漂移层侧形成欧姆电极层；

对所述欧姆电极层和所述GaN单晶衬底之间进行热退火工艺处理，得到GaN肖特基二极管。

优选地，所述于所述n型GaN漂移层设有所述沟槽的一侧形成肖特基电极层，包括：

于所述n型GaN漂移层设有所述沟槽的一侧形成依次叠设的Ni层和Au层，得到肖特基电极层；其中，所述Ni层覆盖所述沟槽开口的部分区域。

优选地，所述于所述GaN单晶衬底的远离所述n型GaN漂移层侧形成欧姆电极层，包括：

于所述第二器件中所述GaN单晶衬底的远离所述n型GaN漂移层侧形成依次叠设的Ti层、Al层、Ni层以及Au层，得到欧姆电极层。

优选地，所述提供GaN单晶衬底，包括：

对GaN单晶的两侧进行抛光处理，得到GaN单晶衬底；其中，所述GaN单晶衬底的厚度取值范围为150um-400um。

本发明第二方面提供了一种GaN肖特基二极管，由如上述的GaN肖特基二极管的制备方法制成，包括GaN单晶衬底、叠设于所述GaN单晶衬底的一侧的n型GaN漂移层和肖特基电极层、以及叠设于所述GaN单晶衬底的另一侧的欧姆电极层，所述n型GaN漂移层的远离所述GaN单晶衬底侧具有沟槽，所述沟槽内填充有金刚石膜层，所述金刚石膜层在所述n型GaN漂移层形成金刚石终端结构，所述肖特基电极层覆盖所述沟槽开口的部分区域。

本发明中一种GaN肖特基二极管的制备方法及GaN肖特基二极管与现有技术相比，有益效果在于：由于金刚石具有很好的耐压系数和导热系数，相比较于现有技术中离子注入、场板结构以及金属保护环等终端结构，具有金刚石终端结构的GaN肖特基二极管不仅可以有效的提高半导体器件的耐压、降低峰值电场，降低半导体器件的反向漏电，还可以有效的给半导体器件散热；同时，制备方法较为简单，有利于实现大规模制备，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种GaN肖特基二极管的制备方法的流程示意图；

图2是本发明实施例2中一种GaN肖特基二极管的制备方法的流程示意图；

图3是本发明实施例2中一种GaN肖特基二极管的制备方法中步骤S27的流程示意图；

图4是本发明实施例2中一种GaN肖特基二极管的制备方法中第一器件的示意图；

图5是本发明实施例2中一种GaN肖特基二极管的制备方法中第二器件的示意图；

图6是本发明实施例2中一种GaN肖特基二极管的制备方法中GaN肖特基二极管的示意图。

在附图中，各附图标记表示：1、GaN单晶衬底；2、n型GaN漂移层；21、沟槽；3、肖特基电极层；4、欧姆电极层；5、金刚石膜层；6、光刻胶层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

请参阅图1，在本实施例中，一种GaN肖特基二极管的制备方法，包括：

步骤S10、提供GaN单晶衬底1，并在GaN单晶衬底1上形成n型GaN漂移层2。

步骤S11、对n型GaN漂移层2的远离GaN单晶衬底1侧进行刻蚀得到具有沟槽21的第一器件(如图4所示)。

步骤S12、形成填充于第一器件的沟槽21内的金刚石膜层5，得到具有金刚石终端结构的第二器件(如图5所示)。

步骤S13、在对第二器件进行预处理之后，于第二器件的两侧分别形成欧姆电极层4和肖特基电极层3得到GaN肖特基二极管(如图6所示)。

具体的，沟槽21可以设置多个，且各沟槽21间隔设置；肖特基电极层3覆盖沟槽21开口的部分区域，欧姆电极层4设于GaN单晶衬底1的远离n型GaN漂移层2侧。由于金刚石具有很好的耐压系数和导热系数，相比较于现有技术中离子注入、场板结构以及金属保护环等终端结构，具有金刚石终端结构的GaN肖特基二极管不仅可以有效的提高半导体器件的耐压、降低峰值电场，降低半导体器件的反向漏电，还可以有效的给半导体器件散热；同时，制备方法较为简单，有利于实现大规模制备，降低生产成本。

实施例2：

请参阅图2，步骤S20、对GaN单晶的两侧进行抛光处理，得到GaN单晶衬底1，并在GaN单晶衬底1上形成n型GaN漂移层2。

具体的，对GaN单晶相对的两侧面进行研磨抛光，从而得到具有两光滑侧面的GaN单晶，使得后续GaN单晶衬底1与肖特基电极层3以及GaN单晶衬底1与n型GaN漂移层2之间的结合更加紧密，从而提升GaN肖特基二极管内电流传输的稳定性。GaN单晶衬底1的载流子浓度大于1E18cm-3，优选为2E18cm-3，保证GaN单晶衬底1具有较好的导电能力；GaN单晶衬底1的厚度取值范围为150um-400um，优选为300um，使得GaN单晶衬底1可以提供足够的支撑强度。根据实际需要，GaN单晶衬底1的载流子浓度可以为3E18cm-3和4E18cm-3等，GaN单晶衬底1的厚度可以为150um、200um和400um等。

在GaN单晶衬底1上形成n型GaN漂移层2中，采用的生长设备为MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化学气相沉积)设备，以三甲基镓(TMGa)作为Ga源，氨气为N源，在高温(大于1000℃)热解下通过化学反应在GaN单晶衬底1上形成n型GaN漂移层2；n型GaN漂移层2的载流子浓度的取值范围为7E15cm-3-9E15cm-3，优选为8E15cm-3，厚度取值范围为5um-25um，优选为10um，且n型GaN漂移层2覆盖在GaN单晶衬底1上方。根据实际需要，n型GaN漂移层2的载流子浓度也可以为7E15cm-3和9E15cm-3等，厚度可以为5um、15um以及25um等。

步骤S21、于n型GaN漂移层2的远离GaN单晶衬底1侧形成光刻胶层6。

具体的，对GaN单晶衬底1和n型GaN漂移层2进行清洗烘干，然后对n型GaN漂移层2的远离GaN单晶衬底1侧进行旋转涂胶，以在n型GaN漂移层2的远离GaN单晶衬底1侧形成光刻胶层6，再对光刻胶层6进行烘胶处理；其中，匀胶时转速可以为5000r/min，烘胶温度可以为100℃，时间可以为3min，最终所形成的光刻胶层6厚度为1um。根据实际需要，当光刻胶层6厚度发生改变时，对应的转速、烘胶温度和时间均对应发生改变。

步骤S22、对光刻胶层6进行曝光和显影，于光刻胶层6得到预设图案。

具体的，当光刻胶层6厚度为1um时，曝光时间可以为10s，显影时间可以为20s，此时光刻胶层6形成预设图案，该预设图案与沟槽21的形状相同。

步骤S23、根据预设图案，对n型GaN漂移层2进行刻蚀得到具有沟槽21的第一器件(如图4所示)。

具体的，对n型GaN漂移层2设有光刻胶层6的一侧进行干法刻蚀，刻蚀所用设备为ICP(电感耦合等离子体)刻蚀机，所用气体为Cl2/BCl3混合气体，气体流速为100sccm，ICP源功率为1700W，偏压功率为150W。在刻蚀完成后，n型GaN漂移层2的两端分别产生一个沟槽21，且两个沟槽21处于同一水平位置，沟槽21的深度取值范围为1um-4um，优选为2um。应当理解，刻蚀时间取决于沟槽21的深度，例如：当沟槽21深度为2um时，则相对应的刻蚀时间为30min；光刻胶层6在刻蚀过程中作为掩膜层，避免n型GaN漂移层2受损。根据实际需要，可以在n型GaN漂移层2上设有多个沟槽21，如三个和四个等，沟槽21的深度可以为1um、3um和4um等。

步骤S24、对第一器件进行酸洗。

通过对第一器件进行酸洗，去除刻蚀过程中产生的杂质，实现对第一器件的清洁。

在本实施例中，上述步骤S24包括如下步骤:

步骤S240、配置HCl与H2O具有预定比例的盐酸。

具体的，可以配置HCl:H2O＝1:10的盐酸，此时盐酸为稀盐酸，既能酸化去除杂质，也不会因酸性过强腐蚀第一器件。根据实际需要，也可以配置HCl与H2O具有其他比例的盐酸，如HCl:H2O＝1:8等。

步骤S241、利用盐酸，对第一器件进行清洗。

根据实际需要，也可采用稀H2NO3对第一器件进行清洗。

步骤S25、将酸洗后的第一器件置于生长设备中，以使第一器件的沟槽21内形成金刚石膜层5，得到具有金刚石终端结构的第二器件(如图5所示)。

具体的，生长设备可以为MOCVD设备，利用MOCVD设备，金刚石在沟槽21内生长形成金刚石膜层5，从而得到具有金刚石终端结构的第二器件，其中，金刚石膜层5为薄膜层；金刚石的生长环境温度在1000℃以上，光刻胶层6会发生碳化。根据实际需要，生长设备也可以为HVPE(氢化物气相外延)设备和PECVD(等离子增强化学气相淀积)设备等。

步骤S26、对第二器件进行预处理。

具体的，通过对第二器件进行预处理，去除n型GaN漂移层2上的光刻胶层6。

在本实施例中，步骤S26包括如下步骤：

步骤S260、采用干法去胶的方式去除第二器件中发生碳化后的光刻胶层6，得到具有与沟槽21的深度相等的金刚石膜层5。

具体的，由于光刻胶层6在金刚石的生长过程中发生碳化，可以采用干法去胶的方式去除光刻胶层6，具体为:采用ICP设备，所用气体为O2，气体流速为100sccm，ICP源功率为500W，偏压功率为100W，处理时间为10min。在光刻胶层6去除后，金刚石膜层5的厚度与沟槽21的深度一致，均为2um。

步骤S261、对去除光刻胶层6的第二器件进行酸洗，完成第二器件的预处理。

具体的，可以配置HCl:H2O＝1:10的盐酸，对第二器件进行酸洗，从而保证第二器件的洁净度。

步骤S27、于第二器件的两侧分别形成欧姆电极层4和肖特基电极层3得到GaN肖特基二极管(如图6所示)。

请参阅图3，在本实施例中，步骤S27包括如下步骤：

步骤S270、于n型GaN漂移层2设有沟槽21的一侧形成依次叠设的Ni层和Au层，得到肖特基电极层3。

具体的，Ni层的厚度可以为25nm，Au层的厚度可以为40nm，通过金属热蒸镀膜仪在GaN单晶衬底1的远离n型GaN漂移层2侧镀Ni层和Au层，从而形成肖特基电极层3；Ni层覆盖沟槽21开口的部分区域，优选为Ni层覆盖沟槽21开口的一半区域，使得金刚石终端结构既能给第二器件保持良好的散热，也能给肖特基电极层3提供良好的散热，从而使得不需要在GaN肖特基二极管制备完成后在其表面覆盖一层钝化层，进而简化GaN肖特基二极管的制备步骤，同时有利于降低成本。

步骤S271、于第二器件中GaN单晶衬底1的远离n型GaN漂移层2侧形成依次叠设的Ti层、Al层、Ni层以及Au层，得到欧姆电极层4。

具体的，Ti层的厚度可以为20nm，Al层的厚度可以为100nm，Ni层的厚度可以为25nm，Au层的厚度可以为40nm。根据实际需要，Ti层、Al层、Ni层以及Au层可以为其他厚度。

步骤S272、对欧姆电极层4和GaN单晶衬底1之间进行热退火工艺处理，得到GaN肖特基二极管。

具体的，在800℃的温度下对欧姆电极层4和GaN单晶衬底1之间进行快速热退火(RTA)工艺，使得欧姆电极层4和GaN单晶衬底1之间具有良好的欧姆接触。

实施例3：

请参阅图4、图5以及图6，在本实施例中，一种GaN肖特基二极管，由如上述的GaN肖特基二极管的制备方法制成，包括GaN单晶衬底1、叠设于GaN单晶衬底1的一侧的n型GaN漂移层2和肖特基电极层3、以及叠设于GaN单晶衬底1的另一侧的欧姆电极层4，n型GaN漂移层2的远离GaN单晶衬底1侧具有沟槽21，沟槽21内填充有金刚石膜层5，金刚石膜层5在n型GaN漂移层2形成金刚石终端结构，肖特基电极层3覆盖沟槽21开口的部分区域。

具体的，沟槽21设有两个且两个沟槽21分别设于n型GaN漂移层2的两端，沟槽21呈矩形状，沟槽21的深度可以为2um，金刚石膜层5的厚度可以为2um。欧姆电极层4包括依次叠设Ti层、Al层、Ni层以及Au层，且Ti层的厚度可以为20nm，Al层的厚度可以为100nm，Ni层的厚度可以为25nm，Au层的厚度可以为40nm，Ti层叠设于GaN单晶衬底1。GaN单晶衬底1的两侧进行抛光处理，得到具有两光滑侧面的GaN单晶；GaN单晶衬底1的载流子浓度可以为2E18cm-3，保证GaN单晶衬底1具有较好的导电能力，GaN单晶衬底1的厚度可以为300um，使得GaN单晶衬底1可以提供足够的支撑强度。n型GaN漂移层2的载流子浓度可以为8E15cm-3，厚度可以为10um。肖特基电极层3通过金属热蒸镀膜仪在n型GaN漂移层2的远离GaN单晶衬底1侧镀Ni层和Au层形成，且Ni层的厚度可以为25nm，Au层的厚度可以为40nm，Ni层覆盖沟槽21开口的一半区域。

在本实施例中，由于金刚石具有很好的耐压系数和导热系数，相比较于现有技术中离子注入、场板结构以及金属保护环等终端结构，具有金刚石终端结构的GaN肖特基二极管不仅可以有效的提高半导体器件的耐压、降低峰值电场，降低半导体器件的反向漏电，还可以有效的给半导体器件散热；同时，制备方法较为简单，有利于实现大规模制备，降低生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。