基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管及制作方法技术

技术编号:14913766 阅读:285 留言:0更新日期:2017-03-30 03:16
本发明专利技术公开了一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管及其制作方法,主要解决现有GaN肖特基二极管掺杂迁移率低,串联电阻大,截止频率低的问题。包括主体部分和辅体部分,主体部分自下而上包括:(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层,辅体部分包括:(5)欧姆接触电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。其中:AlGaN/GaN异质结多沟道层采用AlGaN/GaN类超晶格结构,该类超晶格有2到6个周期,每个周期中GaN层和AlGaN层的厚度均为10-20nm,且AlGaN层中的Al组分为30%。本发明专利技术能够避免传统的n型掺杂工艺,利用极化形成的多层二维电子气沟道来提高电子迁移率,减小串联电阻,提高截止频率,适用于太赫兹频段工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子器件
,特别涉及宽带隙半导体GaN材料的肖特基二极管,可用于超高频、大功率器件制作。技术背景作为第三代半导体材料,GaN具有禁带宽度大、电子饱和速度大、临界击穿场强高、化学性质稳定等特点,是制造高频大功率器件的理想材料。在晶体三极管器件还未实现太赫兹频率功率输出性能突破的现状下,基于甚高频二极管电路技术在太赫兹信号源和太赫兹信号探测系统中仍然起着至关重要的作用。相比于单势垒变容二极管和异质结势垒变容二极管,肖特基势垒二极管(SBD)在太赫兹技术中发展更为迅速。目前,基于GaAs化合物半导体材料的SBD已进入应用阶段,但是其微弱的功率信号处理能力仍是太赫兹系统应用中的技术瓶颈。与GaAs材料相比,GaN具有较大的带隙宽度、强击穿电场和高饱和电子迁移速度等优越的物理特性,非常适合制备大输出功率的肖特基倍频二极管。目前,GaN基太赫兹SBD的研究刚刚起步,国际上的研究成果仅限于实验室阶段。目前的技术瓶颈在于:传统的SBD结构中,由于GaN材料的电子迁移率明显低于GaAs,故意掺杂使得电子迁移率更低,因此通过工艺降低SBD总串联电阻Rs的难度极大,造成GaN基SBD最高截止频率明显低于GaAs基SBD。但理论计算表明,GaN基SBD具备突出的大功率信号处理能力和较低的噪声系数,使其THz探测的功率处理能力大大提高。
技术实现思路
本专利技术针对传统SBD结构的不足,提供一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管及其制造方法。该器件通过构建AlGaN/GaN异质结沟道,使电子在异质结二维电子气沟道中流动,避免传统n型掺杂导致迁移率降低。同时采用多沟道结构,均匀沟道电子浓度,形成电子低阻通道,降低串联电阻,提高GaN肖特基二极管的截止频率。本专利技术的技术方案如下:一、基于类超晶格AlGaN/GaN异质结多沟道结构的肖特基二极管结构如图1所示,包括主体部分和辅体部分,主体部分自下而上包括:(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层,辅体部分包括:(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。二极管阴极和阳极结构俯视图如图2所示。所述AlGaN/GaN异质结多沟道层采用AlGaN/GaN类超晶格结构,如图3所示,该类超晶格设有2-6个周期,每个周期中的AlGaN层厚度为10-20nm,且AlGaN层中的Al组分为30%,GaN层厚度为10-20nm。作为优选,所述半绝缘SiC衬底为4H-SiC型或6H-SiC型半绝缘型衬底,背面减薄至100~150μm。作为优选,所述GaN缓冲层的厚度为2~3μm。作为优选,所述GaN帽层的厚度为5~10nm,掺杂浓度为1~2×1018cm-3。二、制作上述GaN肖特基二极管的方法,包括如下步骤:(1)外延生长GaN缓冲层:采用金属有机物化学气相淀积的方法,在半绝缘型SiC衬底上,外延生长厚度为2~3μm的非故意掺杂GaN缓冲层;(2)利用MOCVD技术外延生长厚度为10-20nm的GaN层,非故意掺杂;(3)继续采用MOCVD技术,外延生长Al组分为30%的AlGaN层,该GaN层与AlGaN层构成类超晶格的一个周期,非故意掺杂;(4)重复步骤(2)、(3),生长2-6个周期,形成AlGaN/GaN异质结多沟道;(5)利用MOCVD技术外延生长厚度为5-10nm,掺杂浓度为1~2×1018cm-3的GaN帽层;(6)采用ICP刻蚀法在GaN帽层上刻蚀出肖特基接触区,刻蚀深度到异质结多沟道层;(7)光刻刻出深槽隔离区域,用ICP刻蚀法刻蚀异质结多沟道层,刻蚀到GaN缓冲层,形成深槽隔离区;(8)用电子束蒸发法在GaN帽层上淀积金属Ti/Al/Ni/Au,采用快速退火工艺形成欧姆接触电极;(9)用电子束蒸发法在异质结多沟道层上淀积Ni/Au等金属,采用金属剥离工艺形成肖特基接触电极;(10)用电子束蒸发法淀积金属Ti/Au,形成起镀层;(11)用660型光刻胶光刻出空气桥区域、阳极和阴极电极区域;(12)电镀Au;(13)去除所有光刻胶,剥离去除多余金属,留下电镀层,形成空气桥,同时形成阳极和阴极电极的焊盘区,(14)背面减薄,蒸金,完成器件的制作。本专利技术具有如下优点:A.本专利技术由于采用了AlGaN/GaN异质结二维电子气作为电子沟道层能起到提高电子迁移率,降低串联电阻的作用GaN材料的电子迁移率原本低于GaAs,而传统故意掺杂GaN材料体迁移率更低,导致GaN肖特基二极管截止频率远远低于GaAs器件。运用异质结二维电子气可以避免传统故意掺杂带来的影响,提高电子迁移率,降低串联电阻,进而提高肖特基二极管的截止频率。由于AlGaN与GaN的禁带宽度不同,因此在极化效应的作用下,AlGaN/GaN异质结的GaN一侧会形成二维电子气;二维电子气中的迁移率远高于GaN材料的体迁移率。B.本专利技术采用了AlGaN/GaN类超晶格结构形成多个低电阻通道,显著减小串联电阻,提高截止频率。厚势垒多周期类超晶格结构可以增加沟道数量,并均匀沟道电子浓度高密度。使得2DEG直接延伸至欧姆接触区,形成低阻电子通道,显著减小电阻,提高截止频率。C.本专利技术的GaN肖特基二极管具有平面空气桥结构,完全兼容传统肖特基二极管的封装工艺,非常有利于太赫兹大功率倍频二极管的制作。附图说明图1是本专利技术GaN肖特基二极管的剖面结构图;图2是本专利技术GaN肖特基二极管的俯视图;图3是本专利技术中的AlGaN/GaN异质结多沟道层放大结构示意图;图4是本专利技术制作GaN肖特基二极管的工艺流程图。具体实施方式参照图1和图2,基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管,包括主体部分和辅体部分,主体部分自下而上包括:(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层,辅体部分包括:(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。参照图4,基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的肖特基二极管的制作方法,给出如下三种实施例:实施例1:制作4H-SiC半绝缘型衬底的异质结双沟道太赫兹肖特基二极管。步骤1,将本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管,包括主体部分和辅体部分,主体部分自下而上包括:(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层,辅体部分包括:(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。其特征在于:AlGaN/GaN异质结多沟道层(3)采用AlGaN/GaN类超晶格结构,该类超晶格设有2~6个周期,每个周期中的AlGaN层厚度为10~20nm,且AlGaN层中的Al组分为30%,GaN层厚度为10~20nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管,包括主
体部分和辅体部分,主体部分自下而上包括:(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN
缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层,辅体部分包括:
(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒电极(阳极)、(7)空气
桥、(8)背金层。
其特征在于:AlGaN/GaN异质结多沟道层(3)采用AlGaN/GaN类超晶格
结构,该类超晶格设有2~6个周期,每个周期中的AlGaN层厚度为10~20nm,
且AlGaN层中的Al组分为30%,GaN层厚度为10~20nm。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二
极管,其特征在于:除GaN帽层需要掺杂以形成欧姆接触外,其他半导体材料
均不需要n型掺杂,而是利用极化效应形成的二维电子气多沟道层提升电子迁移
率从而减小串联电阻。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极
管,其特征在于半绝缘SiC衬底(1)选用4H-SiC型或6H-SiC型半绝缘型衬底。
4.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极
管,其特征在于GaN缓冲层(2)的厚度为2~3μm,非故意掺杂。
5.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极
管,其特征在于GaN帽层(4)的厚度为5~10nm,掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
6.一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管的制<...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨林安王晓燕徐洋严霏郝跃
申请(专利权)人:西安电子科技大学
类型:发明
国别省市:陕西;61

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