[发明专利]基于低功函数阳极金属的低开启电压GaN微波二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于低功函数阳极金属的低开启电压GaN微波二极管及制备方法，主要解决GaN微波二极管开启电压较大的问题。本发明的器件是在AlGaN/GaN外延片上进行，该外延片自下而上为衬底(1)、外延缓冲层(2)、GaN沟道层(3)和AlGaN势垒层(4)，在沟道层及势垒层上设有圆形凹槽(5)，凹槽的外围势垒层上设有环形阴极(6)，AlGaN势垒层上凹槽及阴极以外区域设有介质(7)，凹槽的底部、侧壁以及凹槽边缘介质上设有阳极(8)，阳极采用低功函数金属Mo或W与金属Au叠层。本发明可以显著降低GaN微波二极管开启电压，提高器件性能，可广泛应用于微波整流和微波限幅。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种低开启电压GaN微波二极管，可用于微波整流或微波限幅。

技术背景

作为一种宽禁带半导体材料，GaN材料具有极大的电学性能优势，AlGaN/GaN异质结结构因为其强大的自发极化和压电极化效应，会在靠近界面处GaN一侧感生出高浓度的二维电子气，由于电子被限制的势阱中，且该区域杂质掺杂极少，因此电离杂质散射和合金无序散射较小，二维电子气具有极高的迁移率和电子饱和速率，且GaN由于材料固有的宽禁带属性，其临界击穿场强极大，适合制作大功率高频微波器件。但也同样由于其材料属性，GaN材料用于微波二极管器件时，由于金属功函数差较大，器件的肖特基势垒较高，微波二极管开启电压相比于传统Si基及GaAs基二极管大，极大影响其效率。

传统的基于AlGaN/GaN结构的微波二极管多采用Ni、Pt等金属与AlGaN层实现肖特基接触，由于较高的势垒高度，器件开启电压多在1V以上，使得在小功率整流，检波等领域使用受限，因此，制作低开启电压的GaN微波二极管可以极大的提高器件性能，扩展其应用领域，具有很大的实用意义。

发明内容

本发明的目的在于克服GaN微波二极管开启电压高的不足，提供一种基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管及制备方法，以结合凹槽阳极刻蚀工艺，提升器件性能，尤其降低器件的开启电压，提高器件工作效率。

为实现上述目的，本发明基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管，自下而上包括衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层，其特征在于，在沟道层及势垒层上设有圆形凹槽，凹槽的外围势垒层上设有环形阴极，AlGaN势垒层上凹槽及阴极以外区域设有介质，凹槽的底部、侧壁以及凹槽边缘介质上设有阳极。

作为优选，其特征在于，凹槽的深度为AlGaN势垒与GaN表面以下5-25nm。

作为优选，其特征在于，衬底采用厚度为400μm-600μm的SiC衬底或厚度为400μm-600μm蓝宝石衬底或厚度为400μm-1000μm的Si衬底。

作为优选，其特征在于，外延缓冲层采用厚度为1μm-6μm的GaN缓冲层或厚度为1μm-6μm的AlGaN渐变缓冲层。

作为优选，其特征在于，GaN沟道层采用厚度为100nm-400nm的非故意掺杂GaN。

作为优选，其特征在于，阳极采用厚度为30-200nm的Mo或W金属和0-200nm的Au金属叠层。

为实现上述目的，本发明制备基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管的方法，其技术关键是：采用ICP干法刻蚀工艺，精确控制刻蚀速率，在二极管阳极处向下刻蚀至AlGaN/GaN异质结界面下5-25nm，采用磁控溅射设备，溅射低功函数阳极金属，比如Mo或W，形成与二维电子气区域的侧面直接接触，减小器件开启电压。具体步骤包括如下：

1)清洗外延片：

将AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干；

2)制作GaN微波二极管阴极：