倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法，属于半导体器件技术领域，GaN太赫兹二极管包括N面上外延生长有氮化铝中间层的外延GaN层、外延生长于氮化铝中间层上的金刚石衬底层、依次外延生长于外延GaN层的Ga面上的高掺杂N型GaN层和低掺杂N型GaN层，以及欧姆接触电极和肖特基接触电极。本发明专利技术提供的GaN太赫兹二极管采用金刚石衬底层作为器件衬底结构，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。本发明专利技术提供的倍频单片采用了上述GaN太赫兹二极管。

【技术实现步骤摘要】
倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件
，更具体地说，是涉及一种倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法。
技术介绍
GaN(氮化镓)二极管相比于传统GaAs(砷化镓)二极管具有一定的耐功率优势，目前，GaN二极管常用的GaN材料大多是采用蓝宝石、碳化硅或硅衬底，由于这些衬底材料的介电常数较高(约为10C2/N·M2)，因此器件内部的寄生电容升高，对毫米波和太赫兹波会产生较大的损耗，而且这类衬底材料的热导率较低(约为300W/m·K)，因此器件的散热能力较差，从而会导致器件内部结温升高，功率输出效率降低，甚至造成器件因高温烧毁或缩短使用寿命，严重影响GaN太赫兹二极管的耐功率水平，制约采用GaN太赫兹二极管的倍频单片的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法，旨在解决现有技术的GaN太赫兹二极管耐功率水平低的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种GaN太赫兹二极管，包括：外延GaN层，外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层；金刚石衬底层，外延生长于氮化铝中间层上；高掺杂N型GaN层，外延生长于外延GaN层的Ga面上，高掺杂N型GaN层的边缘与外延GaN层形成第一台阶结构，第一台阶结构的外延GaN层台面为有源区台面；低掺杂N型GaN层，外延生长于高掺杂N型GaN层上，低掺杂N型GaN层的边缘与高掺杂N型GaN层形成第二台阶结构，第二台阶结构的高掺杂N型GaN层台面为欧姆接触台面；欧姆接触电极，设于欧姆接触台面上，并与有源区台面电连接；肖特基接触电极，设于低掺杂N型GaN层上，并与有源区台面电连接。作为本申请另一实施例，外延GaN层厚度为2.5～3.5μm；氮化铝中间层厚度为45～55nm；金刚石衬底层厚度为30～150μm。作为本申请另一实施例，高掺杂N型GaN层的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；低掺杂N型GaN层的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。本专利技术提供的GaN太赫兹二极管的有益效果在于：与现有技术相比，本专利技术GaN太赫兹二极管，在外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层，并在氮化铝中间层上生长金刚石衬底层；在外延GaN层的Ga面上依次外延生长高掺杂N型GaN层和低掺杂N型GaN层，并通过刻蚀高掺杂N型GaN层和低掺杂N型GaN层形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面和欧姆接触台面，在将欧姆接触台面和低掺杂N型GaN层上分别制备欧姆接触电极和肖特基接触电极后获得GaN太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层作为衬底结构，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。本专利技术还提供了一种倍频单片，包括上述GaN太赫兹二极管，其中，金刚石衬底层上设有倍频微带电路结构。本方明提供的倍频单片采用了上述GaN太赫兹二极管，具有与上述GaN太赫兹二极管相同的有益效果，在此不再赘述。本方明还提供了一种GaN太赫兹二极管的制备方法，用于制备上述GaN太赫兹二极管，包括以下步骤：步骤S101，在衬底材料上外延生长N面GaN，获得外延GaN层，并在外延GaN层的N面上外延生长氮化铝中间层；步骤S102，在氮化铝中间层上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层；步骤S103，将衬底材料进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出外延GaN层的Ga面；步骤S104，在外延GaN层的Ga面上依次外延生长高掺杂N型GaN层、低掺杂N型GaN层；步骤S105，在低掺杂N型GaN层上进行刻蚀，露出高掺杂N型GaN层的边缘，并在露出的高掺杂N型GaN层上进行刻蚀，露出外延GaN层的Ga面边缘，获得有源区台面；步骤S106，再次在低掺杂N型GaN层上进行刻蚀，并露出高掺杂N型GaN层，获得欧姆接触台面；步骤S107，在欧姆接触台面上依次进行光刻、蒸发、剥离、高温退火，形成欧姆接触；步骤S108，在低掺杂N型GaN层上蒸发Ti/Au或Ni/Au，形成肖特基接触，获得GaN太赫兹二极管。作为本申请另一实施例，在步骤S101中，衬底材料为C面SiC或蓝宝石，厚度为300～500μm；外延GaN层的厚度为2.5～3.5μm，氮化铝中间层的厚度为45～55nm。作为本申请另一实施例，步骤S102包括：采用电弧法或CVD法(ChemicalVaporDeposition，气相沉淀法)在氮化铝中间层上生长金刚石薄膜；对金刚石薄膜进行抛光处理，获得金刚石衬底层。作为本申请另一实施例，金刚石衬底层的厚度为30～150μm；金刚石衬底层的表面粗糙度小于0.2μm。作为本申请另一实施例，步骤S104包括：在外延GaN层的Ga面上外延生长2～4μm的高掺杂N型GaN层，高掺杂N型GaN层的掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；在高掺杂N型GaN层上外延生长100～400nm的低掺杂N型GaN层，低掺杂N型GaN层的掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。作为本申请另一实施例，步骤S107包括：在欧姆接触台面上光刻欧姆接触区域；在欧姆接触区域内蒸发金属层，金属层依次为钛、铝、镍、金或钛、铝、铂、金；将金属层剥离后通过高温快速退火形成欧姆接触。本方明提供的GaN太赫兹二极管的制备方法获得的GaN太赫兹二极管，具有与上述GaN太赫兹二极管相同的有益效果，在此不再赘述。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S102制备的金刚石衬底层的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S103获得金刚石衬底层后的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S104获得高掺杂N型GaN层、低掺杂N型GaN层后的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S105获得有源区台面后的结构示意图；图6为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S106获得欧姆接触台面后的结构示意图；图7为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的工艺流程框图；图8为本专利技术实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的步骤S102的具体工艺流程框图；图9为本专利技术实施例提供的G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.GaN太赫兹二极管，其特征在于，包括：/n外延GaN层，所述外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层；/n金刚石衬底层，外延生长于所述氮化铝中间层上；/n高掺杂N型GaN层，外延生长于所述外延GaN层的Ga面上，所述高掺杂N型GaN层的边缘与所述外延GaN层形成第一台阶结构，所述第一台阶结构的外延GaN层台面为有源区台面；/n低掺杂N型GaN层，外延生长于所述高掺杂N型GaN层上，所述低掺杂N型GaN层的边缘与所述高掺杂N型GaN层形成第二台阶结构，所述第二台阶结构的高掺杂N型GaN层台面为欧姆接触台面；/n欧姆接触电极，设于所述欧姆接触台面上，并与所述有源区台面电连接；/n肖特基接触电极，设于所述低掺杂N型GaN层上，并与所述有源区台面电连接。/n

【技术特征摘要】
1.GaN太赫兹二极管，其特征在于，包括：
外延GaN层，所述外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层；
金刚石衬底层，外延生长于所述氮化铝中间层上；
高掺杂N型GaN层，外延生长于所述外延GaN层的Ga面上，所述高掺杂N型GaN层的边缘与所述外延GaN层形成第一台阶结构，所述第一台阶结构的外延GaN层台面为有源区台面；
低掺杂N型GaN层，外延生长于所述高掺杂N型GaN层上，所述低掺杂N型GaN层的边缘与所述高掺杂N型GaN层形成第二台阶结构，所述第二台阶结构的高掺杂N型GaN层台面为欧姆接触台面；
欧姆接触电极，设于所述欧姆接触台面上，并与所述有源区台面电连接；
肖特基接触电极，设于所述低掺杂N型GaN层上，并与所述有源区台面电连接。


2.如权利要求1所述的GaN太赫兹二极管，其特征在于，所述外延GaN层厚度为2.5～3.5μm；所述氮化铝中间层厚度为45～55nm；所述金刚石衬底层厚度为30～150μm。


3.如权利要求1所述的GaN太赫兹二极管，其特征在于，所述高掺杂N型GaN层的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；所述低掺杂N型GaN层的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。


4.倍频单片，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的GaN太赫兹二极管，其中，所述金刚石衬底层上设有倍频微带电路结构。


5.GaN太赫兹二极管的制备方法，用于制备如权利要求1-3任一项所述的GaN太赫兹二极管，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101，在衬底材料上外延生长N面GaN，获得外延GaN层，并在所述外延GaN层的N面上外延生长氮化铝中间层；
步骤S102，在所述氮化铝中间层上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层；
步骤S103，将所述衬底材料进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出所述外延GaN层的Ga面；
步骤S104，在所述外延GaN层的Ga面上依次外延生长高掺杂N型GaN层、低掺杂N型GaN层；
步骤S105...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁士雄，吕元杰，宋旭波，顾国栋，王元刚，郭红雨，张立森，冯志红，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13