[发明专利]基于离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种肖特基二极管的制作领域，具体涉及一种通过离子注入氟改进宽禁带半导体材料氮化镓肖特基二极管制作工艺的方法。

背景技术

宽禁带III族氮化物半导体，GaN材料由于自身在高频、大功率领域具有巨大潜力，因此GaN基的电子器件对于高级通信网络中的放大器、调制器和其他关键器件非常有用。GaN晶体管可以将未来的无线网络基站放大器的效率提高到现在的两倍或三倍。GaN晶体管的耐热性能、高功率性能使得其在雷达，汽车电子电路方面成为非常理想的元器件。应当注意到，作为基础的半导体器件之一和其它器件的重要构成，肖特基接触结构的电学行为对整个器件的电学特性具有不可忽略的影响。例如，对于AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管，非理想的肖特基栅极结构容易引起器件整体电学特性下降等严重的可靠性问题，如漏电流退化、噪音增大和击穿电压减小等^[1-3]。不幸的是，GaN外延层和异质衬底(如蓝宝石)之间存在较大的晶格和热膨胀失配，所生长的薄膜内线性位错密度较高，约10⁸-10¹⁰cm^-2,容易导致所制备的肖特基接触的漏电流密度比理论值大几个数量级^[4-5]。目前，采用自支撑同质GaN衬底可有效减小外延层内的位错密度和提高外延层质量，为进一步制备高性能GaN器件提供材料生长技术支撑。

某种程度上，肖特基二级管的工作方式与单边突变p-n结的工作方式在电学上有些相似，但是肖特基二极管是多数载流子工作的器件，因此具有快速响应能力。所以除了电荷存储二极管外，p-n结二极管的端功能都可由肖特基二极管来完成，这是因为在多数载流子器件中，电荷存储时间非常短。另外一个区别在于肖特基二极管有较大的电流密度，这是因为其内建电势较小以及热电子发射与扩散相比所具有的天然特性，使得正向压降降低，但同时也带来了一些缺点，如肖特基二极管的反向电流大，击穿电压低。通过在传统的肖特基二极管制备的工艺工程中，在钝化层淀积与肖特基金属电极蒸发两步工艺之间加入离子注入氟的工艺，F离子的存在可以提高内建势垒高度Φ_F从而减小反向电流。有结果表明退火后F离子注入过程中在势垒层中引入的缺陷和陷阱对器件的性能影响很小。基于F离子注入减小肖特基二极管反向电流的方法具有工艺简单、重复性高且弥补了材料质量中的缺陷和位错密度高的不足，经过大量实验发现，表面电势的增加是永久性的。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术所存在的不足，提供了一种通过离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管的工艺方法，可有效减低器件反向偏压电流，并且可实现性强。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种基于离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管，包括

同质GaN体衬底及部分区域经过离子注入氟处理的n-GaN半导体层；所述部分区域经过离子注入氟处理的n-GaN半导体层上设置有肖特基金属电极；所述部分区域未经过离子注入氟处理的n-GaN半导体层上设置有欧姆金属电极。

在实施例中，所述的圆环形欧姆金属电极将所述的圆形肖特基金属电极设在其内圆弧中，两个电极的距离为20um。

在实施例中，所述的欧姆金属电极为Ti/Al/Ni/Au四层电极，厚度为240nm；所述的肖特基金属电极为Ni/Au双层电极，厚度为300nm。

一种基于离子注入氟实现高增益氮化镓基肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述具体制作步骤包括：

Ⅰ、在同质GaN体衬底上通过金属有机气相外延法生长浓度为4.1x10¹⁶cm^-3的n型GaN掺杂层，体衬底与外延片总厚度为330um，把清洗干净的GaN外延片浸入按一定比率稀释的氢氟酸溶液中60秒去除半导体表面氧化物。

Ⅱ、利用标准光刻和lift-off技术定义器件的结构。

Ⅲ、在n型GaN外延层上利用电子束蒸发在欧姆电极区域沉积Ti/Al/Ni/Au作为环形欧姆接触的金属，并在氮气气氛下进行800度退火处理70秒，形成良好的欧姆接触。

Ⅳ、在外延片正面采用热氧化或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或者低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积氧化硅钝化层。采用激光刻蚀选择性去除外延片上离子注入区域的氧化硅,未刻蚀的氧化硅作为后期离子注入的掩膜，减小欧姆电极下方氟离子浓度。