CN115394758B - 一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法，在一个具体示例中，所述氧化镓肖特基二极管自下而上包括：第一欧姆接触金属层、第二欧姆接触金属层、氧化镓基底层和氧化镓本征层，所述氧化镓本征层的上方设置有场板；在所述氧化镓本征层和场板上方设置有肖特基电极和浮动金属环；所述浮动金属环包括1‑3个等环间距设置的金属环，环间距为1‑7μm，环宽度为0.5‑15μm。所述氧化镓肖特基二极管，通过在氧化镓本征层上方布置场板和浮动金属环，将击穿电压分散，使氧化镓肖特基二极管的电场强度分布均匀化，提高了二极管的抗击穿能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料与器件技术领域，具体而言，涉及一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法。
背景技术
氧化镓基作为第四代超宽禁带半导体材料，具有超宽的禁带宽度，高击穿场强，高抛和漂移速率等特点，使其成为制备超大功率和超高频电子器件的理想材料。肖特基二极管作为氧化镓基电子器件应用中的关键部件，对电路的电流密度、工作温度、高功率性能等参数有着关键作用。
目前，氧化镓肖特基二极管通常面临击穿电压不足的缺点，在测试过程中经常会有低电压击穿的现象发生。以上缺点直接导致肖特基二极管的整体性能降低，限制了其应用范围和环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法，以解决现有技术的缺陷中的至少之一，提高氧化镓肖特基二极管的耐压特性。
为此，本发明一方面提供一种氧化镓肖特基二极管，自下而上包括：第一欧姆接触金属层、第二欧姆接触金属层、氧化镓基底层和氧化镓本征层，
所述氧化镓本征层的上方设置有场板；
在所述氧化镓本征层和场板上方设置有肖特基电极和浮动金属环；
所述浮动金属环包括1-3个等环间距设置的金属环，环间距为1-7μm，环宽度为0.5-15μm。
可选地，所述氧化镓基底的材料为P型掺杂氧化镓或N型掺杂氧化镓。
本发明另一方面提供了一种氧化镓肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取氧化镓基底，使用标准有机和无机清洗工艺对氧化镓基底进行清洗；
S2、将所述氧化镓基底置于金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延工艺内实施外延工艺，在所述氧化镓基底正面外延一层氧化镓本征层；
S3、使用电子束蒸发技术在氧化镓材料基底背面沉积形成第二欧姆接触金属层；
S4、使用磁控溅射或电子束蒸发工艺在所述第二欧姆接触金属层的背面沉积形成第一欧姆接触金属层；
S5、将所述第二欧姆接触金属层和第一欧姆接触金属层高温快速退火完成氧化镓基欧姆接触结构的制作；
S6、在所述氧化镓本征层正面涂布一层光刻胶并进行图案化处理，使用等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射或原子层沉积工艺在氧化镓本征层上形成场板层，进行剥离得到场板；
S7、在所述场板正面涂布一层光刻胶并进行图案化处理，使用金属镀膜技术在所述场板和所述氧化镓本征层的上方沉积得到金属层和惰性化学金属层，进行剥离得到肖特基电极和浮动金属环。
可选地，在步骤S1中使用标准有机和无机清洗工艺对氧化镓基底进行清洗，工艺条件如下：
200℃水浴，使用食人鱼溶液对所述氧化镓基体进行处理，处理时长15分钟。
可选的，步骤S2中的所述氧化镓本征层的厚度为20nm-10μm；在形成后分别用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水对形成的样品进行水浴加热，超声清洗5min。
可选的，所述第二欧姆接触金属层的材质为钛，厚度为2-200nm；
所述第一欧姆接触金属层采用互扩散性差的惰性金属，其材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm。
可选的，步骤S6包括：
在所述氧化镓本征层上方涂布一层光刻胶并进行图案化设计，得到沉积所述化学惰性介质层的窗口；早化学惰性介质层沉积完成后去除样品表面的光刻胶和光刻胶上方的化学惰性介质层得到场板，
其中，所述化学惰性介质层的材质为SiO2、SiNx、Al2O3、ZrO2或HfO2，其厚度为2-200nm。
可选的，步骤S7包括：
在所述场板和氧化镓本征层表面旋涂一层光刻胶并进行图案化，得到沉积Ni金属层和惰性金属层的窗口；
依次在所述氧化镓本征层和场板结构的表面依次沉积所述Ni金属层和化学惰性金属层，所述Ni金属层的厚度为2-200nm；所述化学惰性金属层的材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm；
在沉积完成后，将样品浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去除样品表面的光刻胶和光刻胶上方的金属，形成肖特基接触电极和金属环。
可选的，所述第二化学惰性金属层的材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm；
在沉积完成后去除样品表面的光刻胶和光刻胶上方的金属，形成肖特基接触电极。
可选的，去除样品表面的光刻胶和光刻胶上方的金属通过将所述样品浸泡在丙酮中进行80摄氏度水浴剥离。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的氧化镓肖特基二极管，通过在氧化镓本征层上方布置场板和浮动金属环，将击穿电压分散，使氧化镓肖特基二极管的电场强度分布均匀化，提高了二极管的抗击穿能力。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的一个实施例提供的一种氧化镓肖特基二极管的结构示意图。
图2示出本发明的一个实施例提供的一种氧化镓肖特基二极管的制备方法的流程图。
图3示出本发明的另一个实施例提供的一种氧化镓肖特基二极管的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
为了提高二极管的抗击穿能力，本发明的一个实施例提供了一种氧化镓肖特基二极管，如图1所示，包括自下而上设置的第一欧姆接触金属层10、第二欧姆接触金属层20、氧化镓基底层30、氧化镓本征层40；
所述氧化镓本征层40上方设置有场板50；
所述氧化镓本征层40和场板50上方设置有肖特基接触电极61；
所述场板50上方设置有浮动金属环62。
在一个具体的实施例中，所述浮动金属环的数量为1、2或3个，环间距为0-7μm，具体例如为2、3、4、5、6、7μm，环宽度为0-15μm，具体例如为3、5、6、8、10、15μm。
需要说明的是，随着环间距的增大，二极管的耐压性增强，但环间距大于7μm之后，其形成的二极管的耐压性会下降；随着环宽度的增加，二极管的耐压性持续增加，结合实际情况，本发明中浮动金属环的环宽度为0-15μm；同等条件下，浮动金属环数量为3时，抗击穿效果最好。
本方案提供的所述氧化镓肖特基二极管，通过在氧化镓本征层上方布置场板和浮动金属环，将击穿电压分散，使氧化镓肖特基二极管的电场强度分布均匀化，提高了二极管的抗击穿能力。
在一个具体的实施例中，所述第一欧姆接触金属层10的材质例如为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm。
在一个具体的实施例中，所述第二欧姆接触金属层20所述的材质例如为钛，其厚度为2-200nm。
在一种可能的实现方式中，所述氧化镓本征层40的厚度为20nm-10μm。
在一种可能的实现方式中，所述场板50的材质为SiO2、SiNx、Al2O3、ZrO2或HfO2，其厚度为2-200nm，用于分散电场，提高二极管的耐高压能力，
在一种可能的实现方式中，所述肖特基接触电极61包括在所述氧化镓本征层40和场板50上方依次设置的第一肖特基电极金属层和第二肖特基电极金属层，其中，
所述第一肖特基电极金属层的材质例如为镍，厚度为2-200nm；所述第二肖特基电极金属层的材质为高介电常数的材质，例如为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm。
在一种可能的实现方式中，所述氧化镓基底的材料包括P型掺杂氧化镓、N型掺杂氧化镓。
本发明的一个实施例提供了一种氧化镓肖特基二极管的制备方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S1、选取氧化镓基底，使用标准有机和无机清洗工艺对氧化镓基底进行清洗；
S2、将所述氧化镓基底置于金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延工艺内实施外延工艺，在所述氧化镓基底正面外延一层氧化镓本征层；
S3、使用电子束蒸发技术在氧化镓基底背面沉积形成第二欧姆接触金属层；
S4、使用磁控溅射或电子束蒸发工艺在所述第二欧姆接触金属层的背面沉积形成第一欧姆接触金属层；
S5、将所述第二欧姆接触金属层和第一欧姆接触金属层高温快速退火完成氧化镓基欧姆接触结构的制作；
S6、使用等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射或原子层沉积工艺在氧化镓本征层上方形成场板层，进行剥离得到场板；
S7、使用金属镀膜技术在所述场板和所述氧化镓本征层的上方沉积得到金属层和惰性化学金属层，进行剥离得到肖特基电极和浮动金属环。
本方案提供的所述氧化镓肖特基二极管的制备方法，通过在氧化镓本征层和场板上方布置浮动金属环，将击穿电压分散，使氧化镓肖特基二极管的电场强度分布均匀化，提高了二极管的抗击穿能力；其制备方法简单，肖特基电极和浮动金属环可同时制备，提高了制备的效率。
在一个具体的实施例中，所述金属镀膜技术包括磁控溅射镀膜技术和电子束蒸发工艺。
在一个具体的实施例中，步骤S1中使用标准有机和无机清洗工艺对氧化镓基底进行清洗，工艺条件如下：
200℃水浴，使用食人鱼溶液对所述氧化镓基体进行处理，处理时长15分钟。
具体的，所述食人鱼溶液例如为3：1的硫酸和30％双氧水混合溶液。
在一个具体的实施例中，步骤S2中的所述氧化镓本征层的厚度为20nm-10μm；在形成后分别用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水对形成的样品进行水浴加热，超声清洗5min。
在一个具体的实施例中，所述第二欧姆接触金属层的材质为钛，厚度为2-200nm，具体例如为2、18、55、150、180nm；所述第一欧姆接触金属层采用互扩散性差的惰性金属，其材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm。
具体的，将氧化镓基底放置在电子束蒸发设备中在其背面进行金属镀膜，实验条件为：室温，真空度小于5×10-5Pa，依次沉积20nm的Ti和100nm的Au。
在一个具体的实施例中，在镀膜完成后还需进行快速退火处理，实验条件为氮气气氛、氩气气氛或氢气气氛，退火温度为450-550℃、维持30s，以提高欧姆接触电极的可靠性。
在一个具体的实施例中，步骤S6包括：
在所述氧化镓本征层上方涂布一层光刻胶并进行图案化设计，得到沉积所述化学惰性介质层的窗口；早化学惰性介质层沉积完成后去除样品表面的光刻胶和光刻胶上方的化学惰性介质层得到场板结构，
其中，所述化学惰性介质层的材质为SiO2、SiNx、Al2O3、ZrO2或HfO2，其厚度为2-200nm。
在一个具体的实施例中，所述步骤S6包括：
使用光刻技术将掩膜版上的图案转移到氧化镓本征层表面；
将带有掩膜版图案的氧化镓基底放置在磁控溅射设备中在氧化镓本征层表面镀膜，实验条件：150W、1.8×10-1Pa、10min，介质层种类ZrO2；
镀膜结束后，将氧化镓样品浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去掉光刻技术中产生的光刻胶。
在一个具体的实施例中，步骤S7包括：
在所述场板结构和氧化镓本征层表面旋涂一层光刻胶并进行图案化，得到沉积Ni金属层和惰性金属层的窗口；
依次在所述氧化镓本征层和场板结构的表面依次沉积所述Ni金属层和化学惰性金属层，所述Ni金属层的厚度为2-200nm；所述化学惰性金属层的材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm；
在沉积完成后，将样品浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去除样品表面的光刻胶和光刻胶上方的金属，形成肖特基接触电极和金属环。
在一个具体的实施例中，步骤S7包括：
使用光刻技术将掩膜版上的图案转移到氧化镓本征层和场板结构上层；
将带有掩膜版图案的样品放置在电子束蒸发设备中进行金属镀膜，实验条件为：室温，真空度小于5×10-5Pa，依次沉积20nm的Ni和100nm的Au，金属环数为1，环间距为5μm，场板长度为5μm。
镀膜结束后，将氧化镓样品浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去掉光刻技术中产生的光刻胶。
在一个具体的实施例中，如图3所示，按以下步骤进行肖特基高压二极管的制备：
首先，在200℃水浴中，使用3：1的硫酸和双氧水混合溶液对氧化镓材料基底进行处理，处理时长15min；
利用MOCVD工艺外延氧化镓基底正面，外延厚度10μm，得到氧化镓本征层；
用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水对样品分别水浴加热、超声清洗5min；
将氧化镓基底放置在电子束蒸发设备中在背面进行金属镀膜，实验条件为：室温，真空度小于5×10-5Pa，依次沉积20nm的Ti和100nm的Au；
沉积结束后，对氧化镓样品进行退火处理，退火温度550℃、30s；
使用光刻技术将掩膜版上的图案转移到氧化镓本征层表面；
将带有掩膜版图案的氧化镓基底放置在磁控溅射设备中在氧化镓本征层表面镀膜，实验条件：150W、1.8×10-1Pa、10min，介质层种类ZrO2；
镀膜结束后，将氧化镓样品浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去掉光刻技术中产生的光刻胶；
使用光刻技术将掩膜版上的图案转移到ZrO2上层；
将带有掩膜版图案的氧化镓基底放置在电子书蒸发设备中进行金属镀膜，实验条件为：室温，真空度小于5×10-5Pa，依次沉积20nm的Ni和100nm的Au，金属环数为1，环间距为5μm，场板长度为5μm；
镀膜结束后，将氧化镓样品浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去掉光刻技术中产生的光刻胶。
在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种氧化镓肖特基二极管，自下而上包括：第一欧姆接触金属层、第二欧姆接触金属层、氧化镓基底层和氧化镓本征层，其特征在于，
所述氧化镓本征层的上方设置有场板；
在所述氧化镓本征层和场板上方设置有肖特基电极和浮动金属环，其中，所述肖特基电极部分与所述氧化镓本征层接触，部分与所述场板接触；所述浮动金属环仅与所述场板接触；
所述浮动金属环包括1-3个等环间距设置的金属环，环间距为1-7μm，环宽度为0.5-15μm；
所述场板的材质为SiO2、SiNx、Al2O3、ZrO2或HfO2，其厚度为2-200nm。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，
所述氧化镓基底的材料为P型掺杂氧化镓或N型掺杂氧化镓。
3.一种权利要求1-2任一项所述的二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取氧化镓基底，使用标准有机和无机清洗工艺对氧化镓基底进行清洗；
将所述氧化镓基底置于金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延工艺内实施外延工艺，在所述氧化镓基底正面外延一层氧化镓本征层；
使用电子束蒸发技术在氧化镓材料基底背面沉积形成第二欧姆接触金属层；
使用磁控溅射或电子束蒸发工艺在所述第二欧姆接触金属层的背面沉积形成第一欧姆接触金属层；
将所述第二欧姆接触金属层和第一欧姆接触金属层高温快速退火完成氧化镓基欧姆接触结构的制作；
在所述氧化镓本征层正面涂布一层光刻胶并进行图案化处理，使用等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射或原子层沉积工艺在氧化镓本征层上形成场板层，进行剥离得到场板；
所述在所述氧化镓本征层正面涂布一层光刻胶并进行图案化处理，使用等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射或原子层沉积工艺在氧化镓本征层上形成场板层，进行剥离得到场板包括：
在所述氧化镓本征层上方涂布一层光刻胶并进行图案化设计，得到沉积化学惰性介质层的窗口；在化学惰性介质层沉积完成后去除所述氧化镓本征层表面的光刻胶和光刻胶上方的化学惰性介质层得到场板，
其中，所述化学惰性介质层的材质为SiO2、SiNx、Al2O3、ZrO2或HfO2，其厚度为2-200nm；
在所述场板正面涂布一层光刻胶并进行图案化处理，使用金属镀膜技术在所述场板和所述氧化镓本征层的上方沉积得到金属层和惰性化学金属层，进行剥离得到肖特基电极和浮动金属环，其中，所述肖特基电极部分接触氧化镓本征层，部分接触场板，所述浮动金属环仅与场板接触。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述使用标准有机和无机清洗工艺对氧化镓基底进行清洗，工艺条件如下：
200℃水浴，使用食人鱼溶液对所述氧化镓基底进行处理，处理时长15分钟。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述氧化镓本征层的厚度为20nm-10μm；在形成后分别用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水对形成有氧化镓本征层的氧化镓基底进行水浴加热，超声清洗5min。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述第二欧姆接触金属层的材质为钛，厚度为2-200nm；
所述第一欧姆接触金属层采用互扩散性差的惰性金属，其材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述场板正面涂布一层光刻胶并进行图案化处理，使用金属镀膜技术在所述场板和所述氧化镓本征层的上方沉积得到金属层和惰性化学金属层，进行剥离得到肖特基电极和浮动金属环包括：
在所述场板和氧化镓本征层表面旋涂一层光刻胶并进行图案化，得到沉积Ni金属层和惰性金属层的窗口；
依次在所述氧化镓本征层和场板结构的表面依次沉积所述Ni金属层和化学惰性金属层，所述Ni金属层的厚度为2-200nm；所述化学惰性金属层的材质为金、钨、铱、铂或钯，其厚度为20-400nm；
在沉积完成后，将沉积有Ni金属层和化学惰性金属层的氧化镓本征层和场板结构浸泡在丙酮中进行80℃水浴剥离，去除表面的光刻胶和光刻胶上方的金属，形成肖特基接触电极和金属环。
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