基于阴阳极环形嵌套的大功率GaN准垂直肖特基二极管及其
制备方法
技术领域
[0001] 本
发明属于微
电子技术领域，尤其是涉及GaN
肖特基二极管器件，可用于
限幅器、
微波整流和功率
开关电路。技术背景
[0002] 以Si、GaAs等传统
半导体材料为
基础的器件由于受到材料本身属性的限制，在功率和耐击穿
电压等器件指标上很难再有进一步的提高。近年来以Ⅲ族氮化物为代表的新一代
宽禁带半导体材料发展迅猛，具有宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率和化学性质稳定的优点，在毫米波、亚毫米波大功率电子器件领域极具发展潜
力。GaN材料作为宽禁带半导体材料的典型代表，非常适合制备高温、抗
辐射、高工作
频率和大功率器件，在航空航天、雷达、通信等领域得到了广泛应用，目前基于GaN材料的功率电子器件的研究是目前国际上的热点之一。
[0003] 在多种基于GaN材料的功率电子器件中，GaN肖特基二极管由于其优越特性在近年来受到了广泛关注。其中准垂直结构的环形GaN肖特基二极管器件如图1所示，其
自下而上包括衬底、成核层、
缓冲层、n+型GaN层、n-型GaN层，n+型GaN层上设有
阴极，n-型GaN层上设有阳极。该GaN肖特基二极管同时具有低导通
电阻、高
击穿电压和很小的反向恢复时间等优异特性，因此被广泛应用于限幅器、微波整流和功率开关电路。随着人们对功率电子器件的输出功率要求越来越高，为了提高输出
电流，阳极半径通常做的很大。但是，由于目前准垂直结构肖特基二极管的常规环形金属
电极具有边缘效应，电流
密度从阳极边缘到中心随距离增大而指数衰减，电流集中在阳极金属的边缘，导致阳极金属的大部分区域对输出电流贡献很小，即增大器件的特征导通电阻，限制了器件的输出功率，使阳极的大部分区域被浪费了，降低了器件的输出电流密度，难以满足二极管器件在更高功率微波整流和功率开关电路中的应用。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对上述GaN准垂直肖特基二极管器件的不足，提出一种
基于阴阳极环形嵌套的大功率GaN准垂直肖特基二极管及其制备方法，以提高阳极金属的面积利用率，增大器件输出电流密度，提高器件的输出功率，满足二极管器件在更高功率微波整流和功率开关电路中的应用。
[0005] 实现本发明目的的技术方案如下：
[0006] 一、基于阴阳极环形嵌套的大功率GaN准垂直肖特基二极管，自下而上包括：衬底、成核层、缓冲层和n+型GaN层，n+型GaN层的上部设有n-型GaN层和阴极，n-型GaN层的上部设有阳极，其特征在于：
[0007] 阳极是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构；
[0008] 每个阴极的同心开口圆环间距为7μm－40μm，每个同心开口圆环宽度为1μm－10μm，且开口圆环的数量大于等于2；每个阳极的中心实心圆半径为0.5μm－10μm，同心开口圆环间距为7μm－40μm，同心开口圆环宽度为1μm－10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2。
[0009] 进一步，所述的衬底为蓝
宝石、SiC、Si、金刚石和GaN中的一种。
[0010] 进一步，所述的成核层为AlN、AlGaN中的一种。
[0011] 进一步，所述的缓冲层为GaN、AlGaN和InGaN中的一种。
[0012] 进一步，所述的n+型GaN层的掺杂浓度为1×1017cm-3－1×1020cm-3，厚度为100nm－5μm。
[0013] 进一步，所述的n-型GaN层的掺杂浓度为1×1014cm-3－1×1018cm-3，厚度为100nm－20μm。
[0014] 进一步，所述的阴极采用的金属为Ti/Al/Ni/Au或者Ti/Al/Pt/Au或者Ti/Al/Ti/Au或者Ta/Al/Ta，金属厚度为25nm－500nm。
[0015] 进一步，所述的阳极采用的金属为Ni/Au或者W/Au或者Mo/Au或者Ni/Au/Ni或者Pt/Au或者Pd/Au，金属厚度为20nm－1300nm。
[0016] 二、基于阴阳极环形嵌套的大功率GaN准垂直肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0017] 1)对自下而上包括衬底、成核层、缓冲层、n+型GaN层、n-型GaN层的
外延片，依次使用丙
酮、异丙醇，去离子
水进行5min的超声清洗；
[0018] 2)在清洗后的外延片上进行
光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；采用RIE或者ICP
刻蚀设备，刻蚀去除图形区域的n-型GaN，获得阴极凹槽；然后将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热
退火炉中，在N2氛围中退火，在400-500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤；
[0019] 3)制作阴极：
[0020] 3a)对完成低温退火的外延片进行阴
极光刻，得到具有多个开口同心圆环且位于阴极凹槽中的阴极图形；
[0021] 3b)采用
电子束蒸发或者溅射以0.1-0.3nm/s的速率在完成阴极图形光刻后的外延片上采用Ti/Al/Ni/Au或者Ti/Al/Pt/Au或者Ti/Al/Ti/Au或者Ta/Al/Ta制作阴极金属，阴极金属厚度为25nm－500nm；
[0022] 3c)在阴极金属制作完成后进行剥离，去除外延片上阴极图形以外区域的金属，并使用RTP快速热
退火炉进行退火，使阴极金属与n+型GaN层形成欧姆
接触，得到阴极；
[0023] 4)制作阳极：
[0024] 4a)将完成阴极制作的外延片进行阳极光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形；
[0025] 4b)采用
电子束蒸发或者溅射以0.1-0.3nm/s的速率在完成阳极图形光刻后的外延片上制作阳极金属，阳极金属采用Ni/Au或者W/Au或者Mo/Au或者Ni/Au/Ni或者Pt/Au或者Pd/Au，阳极金属厚度为15nm－1300nm；
[0026] 4c)在阳极金属制作完成后进行剥离，去除外延片上阳极图形以外区域的金属，得到阳极，完成器件制作。
[0027] 本发明与常规环形准垂直GaN肖特基二极管相比，具有如下有益效果：
[0028] 1.本发明由于采用多层环形结构，降低了边缘效应的影响，提高了阳极的电流密度，能够满足大功率器件的需求。
[0029] 2.本发明由于采用多层环形结构，提高了阳极的面积利用率，在同等输出功率下，器件的占用面积降低，器件尺寸缩小，从而能降低生产成本。
[0030] 3.本发明制作工艺简单，成品率高。
附图说明
[0031] 图1为现有的环形GaN准垂直肖特基二极管器件的结构示意图；
[0032] 图2为本发明的GaN肖特基二极管器件的结构示意图；
[0033] 图3为本发明的GaN肖特基二极管器件的俯视图；
[0034] 图4为本发明制作GaN肖特基二极管的流程示意图。
具体实施方式
[0035] 以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0036] 参照图2和图3，本发明基于阴阳极环形嵌套的大功率GaN准垂直肖特基二极管，自下而上包括：衬底1、成核层2、缓冲层3和n+型GaN层4，n+型GaN层4的上部设有n-型GaN层5和阴极6，n-型GaN层5的上部设有阳极7，该阳极7是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；该阴极6是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。其中：
[0037] 每个阴极6的同心开口圆环间距为7μm－40μm，每个同心开口圆环宽度为1μm－10μm，且开口圆环的数量大于等于2,本实例取值为2，但不限于开口圆环的数量为2个，该阴极6采用的金属为Ti/Al/Ni/Au或者Ti/Al/Pt/Au或者Ti/Al/Ti/Au或者Ta/Al/Ta，阴极金属厚度为25nm－500nm；
[0038] 每个阳极7的中心实心圆半径为0.5μm－10μm，同心开口圆环间距为7μm－40μm，同心开口圆环宽度为1μm－10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2,本实例取值为2，但不限于中心实心圆与开口圆环的数量之和为2个。该阳极7采用的金属为Ni/Au或者W/Au或者Mo/Au或者Ni/Au/Ni或者Pt/Au或者Pd/Au，阳极金属厚度为15nm－1300nm；
[0039] 衬底1采用蓝宝石、SiC、Si、金刚石和GaN中的一种；
[0040] 成核层2采用AlN或者AlGaN；
[0041] 缓冲层3采用GaN、AlGaN和InGaN中的一种；
[0042] n+型GaN层4的掺杂浓度为1×1017cm-3－1×1020cm-3，厚度为100nm－5μm；
[0043] n-型GaN层5的掺杂浓度为1×1014cm-3－1×1018cm-3，厚度为100nm－20μm。
[0044] 参照图4，本发明制备基于阴阳极环形嵌套的大功率GaN准垂直肖特基二极管的方法，给出如下的三个
实施例。
[0045] 实施例1，制作阴极的同心开口圆环间距为7μm，同心开口圆环宽度为1μm，阳极的中心实心圆半径为0.5μm，同心开口圆环间距为7μm，同心开口圆环宽度为1μm的GaN肖特基二极管。
[0046] 步骤1：清洗外延片。
[0047] 1.1)选用自下而上包括蓝宝石衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、掺杂浓度为1×1017cm-3且厚度为100nm的n+型GaN层、掺杂浓度为1×1014cm-3且厚度为100nm的n-型GaN层的外延片，如图4(a)；
[0048] 1.2)将选用的外延片先使用丙酮超声清洗5min，然后使用异丙醇超声清洗5min，最后使用去离子水超声清洗5min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。
[0049] 步骤2：制作阴极凹槽，如图4(b)。
[0050] 2.1)在清洗后的外延片上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；
[0051] 2.2)将光刻后的外延片放入RIE刻蚀设备刻蚀腔内，同时通入流量为10sccm的Cl2和流量为20sccm的BCl3，刻蚀去除图形区域的n-型GaN，获得阴极凹槽；
[0052] 2.3)将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N2，在400℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。
[0053] 步骤3：制作阴极，如图4(c)。
[0054] 3.1)对完成低温退火的外延片进行阴极光刻，得到具有多个开口同心圆环且位于阴极凹槽中的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为7μm，同心开口圆环宽度为1μm，且开口圆环的数量为2；
[0055] 3.2)使用电子束蒸发以0.1nm/s的蒸发速率在完成阴极图形光刻后的外延片上制作厚度分别为5/10/5/5nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属；
[0056] 3.3)对蒸发完成后的阴极金属进行剥离，去除外延片上阴极图形以外区域的金属，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在900℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n+型GaN层形成
欧姆接触，得到阴极。
[0057] 步骤4：制作阳极，如图4(d)。
[0058] 4.1)对完成阴极制作的外延片进行阳极光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为0.5μm，同心开口圆环间距为7μm，同心开口圆环宽度为1μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为2；
[0059] 4.2)采用电子束蒸发以0.1nm/s的蒸发速率在完成阳极图形光刻后的外延片上制作厚度分别为5/10nm的Ni/Au阳极金属；
[0060] 4.3)对完成金属蒸发后的阳极进行剥离，去除外延片上阳极图形以外区域的金属，得到阳极，完成器件制作。
[0061] 实施例2，制作阴极的同心开口圆环间距为25μm，同心开口圆环宽度为5μm，阳极的中心实心圆半径为5μm，同心开口圆环间距为25μm，同心开口圆环宽度为10μm的GaN肖特基二极管。
[0062] 步骤一：清洗外延片。
[0063] 选用自下而上包括SiC衬底、Al0.90Ga0.10N成核层、Al0.05Ga0.95N缓冲层、掺杂浓度为1×1019cm-3且厚度为2.5μm的n+型GaN层、掺杂浓度为1×1016cm-3且厚度为10μm的n-型GaN层的外延片，如图4(a)，并将选用的外延片先使用丙酮超声清洗5min，然后使用异丙醇超声清洗5min，再使用去离子水超声清洗5min，最后并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。
[0064] 步骤二：制作阴极凹槽，如图4(b)。
[0065] 先在清洗后的外延片上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；再将光刻后的外延片放入ICP刻蚀设备刻蚀腔内，同时通入流量为10sccm的Cl2和流量为
20sccm的BCl3，刻蚀去除图形区域的n-型GaN，获得阴极凹槽；然后将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N2，在450℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。
[0066] 步骤三：制作阴极，如图4(c)。
[0067] 首先，对完成低温退火的外延片进行阴极光刻，得到具有多个开口同心圆环且位于阴极凹槽中的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为25μm，同心开口圆环宽度为5μm，且开口圆环的数量为10；
[0068] 然后，使用溅射以0.2nm/s的速率在完成阴极图形光刻后的外延片上制作厚度分别为20/120/40/50nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；
[0069] 最后，在阴极金属蒸发完成后进行剥离，去除外延片上阴极图形以外区域的金属，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在800℃下退火45s，使得退火后的阴极金属与n+型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。
[0070] 步骤四：制作阳极，如图4(d)。
[0071] 首先，对完成阴极制作的外延片进行阳极光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为5μm，同心开口圆环间距为25μm，同心开口圆环宽度为5μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为10；
[0072] 然后，采用溅射以0.2nm/s的速率在完成阳极图形光刻后的外延片上制作厚度分别为200/450nm的W/Au阳极金属；
[0073] 最后，在阳极金属蒸发完成后进行剥离，去除外延片上阳极图形以外区域的金属，得到阳极，完成器件制作。
[0074] 实施例3，制作阴极的同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，阳极的中心实心圆半径为10μm，同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm的GaN肖特基二极管。
[0075] 步骤A：清洗外延片。
[0076] A1)选用自下而上包括Si衬底、AlN成核层、In0.17Ga0.83N缓冲层、掺杂浓度为1×1020cm-3且厚度为5μm的n+型GaN层、掺杂浓度为1×1018cm-3且厚度为20μm的n-型GaN层的外延片，如图4(a)；
[0077] A2)依次使用丙酮和异丙醇和去离子水对外延片各超声清洗5min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。
[0078] 步骤B：制作阴极凹槽，如图4(b)。
[0079] B1)制作阴极凹槽；
[0080] 本步骤的具体实施与实施例1中的步骤2.1)和步骤2.2)相同；
[0081] B2)将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N2，在500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。
[0082] 步骤C：制作阴极，如图4(c)。
[0083] C1)对完成低温退火的外延片进行阴极光刻，得到具有多个开口同心圆环且位于阴极凹槽中的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，且开口圆环的数量为15；
[0084] C2)使用电子束蒸发以0.3nm/s的蒸发速率在完成阴极图形光刻后的外延片上制作厚度分别为150/200/150nm的Ta/Al/Ta阴极金属；
[0085] C3)在阴极金属蒸发完成后进行剥离，去除外延片上阴极图形以外区域的金属，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在700℃下退火60s，使得退火后的阴极金属与n+型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。
[0086] 步骤D：制作阳极，如图4(d)。
[0087] D1)对完成阴极制作的外延片进行阳极光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为10μm，同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为15；
[0088] D2)采用溅射以0.3nm/s的速率在完成阳极图形光刻后的外延片上制作厚度分别为300/1000nm的Mo/Au阳极金属；
[0089] D3)在阳极金属蒸发完成后进行剥离，去除外延片上阳极图形以外区域的金属，得到阳极，完成器件制作。
[0090] 以上所述实施例仅表达了本发明的三种实施方式，并不能因此而理解为对本发明
专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
