一种金刚石氧化镓异质结二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石氧化镓异质结二极管及其制备方法，属于半导体技术领域。所述二极管包括金刚石衬底、绝缘层、第一阴极金属层、氧化镓薄膜、阳极金属层以及第二阴极金属层。第一阴极金属层设置于绝缘层和氧化镓薄膜之间，因此在所述二极管制作过程中，氧化镓薄膜转移到金刚石衬底的步骤能够在其它工艺结束后进行，其接触质量不会因受其他工艺步骤影响而降低；氧化镓薄膜与金刚石衬底可以形成异质PN结并解决氧化镓散热差的问题，同时增加二极管功率优值，降低二极管的功率损耗。降低二极管的功率损耗。降低二极管的功率损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石氧化镓异质结二极管及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种金刚石氧化镓异质结二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]氧化镓作为近些年来迅速发展起来的半导体材料之一，与传统半导体材料Si，以及第三代半导体材料的SiC和GaN相比，其禁带宽度(4.5
‑
4.9eV)更大、临界击穿场强(～8MV/cm)更高，这一数值是硅的二十倍以上，是SiC、GaN材料的两倍以上。所以氧化镓基功率二极管在相同耐压级别下尺寸更小，功耗更低，满足高功率密度、低功率损耗、小型化电子设备的发展需求，在高压、大功率领域具有广阔的应用前景。
[0003]氧化镓晶体存在有α、β、γ、δ和ε五种晶体形态，其中β相Ga2O3由于化学稳定性以及直接带隙的特点而受到广泛的研究和应用。β
‑
Ga2O3属单斜晶系，材料透明可沿(100)面解理成膜，便于采用机械剥离得到平整度较高的氧化镓薄膜。由于晶体生长过程中会不可避免地引入大量非故意掺杂杂质离子以及氧空位本征缺陷，从而导致β
‑
Ga2O3一般呈现为天然n型，并且n型易掺杂，掺杂浓度在10
13
到10
19
数量级较大范围内可调，常见的n型掺杂材料包括S i和Sn；但另一方面，Ga2O3的p型掺杂如何实现，受到本征缺陷和杂质的自补偿、杂质不激发和最大掺杂浓度等一系列问题仍是困扰着人们的一大问题。理想的p型和n型半导体是实现高性能二极管的重要基础，对这个问题，采用异质结来实现p型材料是一种主流的思路，与氧化镓形成异质结常见的材料有NiO。与氧化镓形成异质结，对选用的p型材料有比较多的限制，如晶格适配、能带结构适配等。二维材料自从成功剥离制备以来，一直受到广泛的研究和关注。二维材料层内原子依靠紧密的分子键相互连接，而层间依赖范德华力相互连接，相互作用弱，可以通过机械剥离的方法制备；除此之外，二维材料表面无悬挂的化学键，可以获得良好的界面特性同时晶格失配极低，仅靠堆叠就能获得近乎完美的异质结。但堆叠的薄膜接触很容易受到其他工艺的影响导致接触质量下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种金刚石氧化镓异质结二极管及其制备方法。
[0005]为实现该目标，本专利技术提供的一种金刚石氧化镓异质结二极管，包括金刚石衬底1，金刚石衬底上的绝缘层2，第一阴极金属层3一端上方的第二阴极金属层6，包围绝缘层2和第一阴极金属层3另一端的氧化镓薄膜4，以及位于金刚石衬底1上的阳极金属层5。
[0006]作为优选方案，所述金刚石衬底1采用单晶金刚石材料；金刚石衬底1的表面RMS小于1nm，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
19
cm
‑3。
[0007]作为优选方案，所述绝缘层2由氧化铝和二氧化硅组成，厚度为20nm。
[0008]作为优选方案，所述第一阴极金属层3采用厚度为20nm的Ti；所述第二阴极金属层6采用厚度为80nm的Au。
[0009]作为优选方案，所述氧化镓薄膜4的厚度为100
‑
500nm，掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
19
cm
‑3。
[0010]作为优选方案，所述阳极金属层5为20nm/80nm的Ti/Au。
[0011]为实现上述目标，本专利技术还提供了一种金刚石氧化镓异质结二极管的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤s1：处理金刚石衬底表面，得到表面洁净的衬底材料
[0013]选取单晶金刚石衬底1，其表面RMS小于1nm，衬底掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3，对金刚石表面进行平整处理并清洗得到目标金刚石衬底1。
[0014]步骤s2：在金刚石衬底上淀积绝缘层并通过光刻工艺得到所需的形状
[0015]在金刚石衬底1的表面通过光刻工艺刻蚀出绝缘层2区域，采用ALD或者CVD方法生长绝缘层。
[0016]步骤s3：在金刚石衬底上淀积阴极金属和阳极金属并退火形成欧姆接触
[0017]在绝缘层表面与氧化镓接触的部分淀积第一阴极金属层3，并在终端处淀积第二阴极金属层6；采用光刻工艺阳极金属层5，然后对衬底进行清洗并进行热退火以形成良好的欧姆接触。
[0018]步骤s4：对所述金刚石衬底进行氢终端处理
[0019]将衬底放在MPCVD设备的腔体中，使用氢等离子体对金刚石衬底表面进行处理，处理过程中，氢气流量、微波功率和压强分别为：600sccm、2kW和100mbar，温度为850℃，处理时间为10min；
[0020]步骤s5：采用机械剥离的方法得到氧化镓薄膜，并将其转移至金刚石衬底上
[0021]采用机械剥离的方法得到氧化镓薄膜4，以晶向为的β
‑
Ga2O3衬底材料，找到其(100)晶向，置于Nittro蓝胶带上反复对撕得到氧化镓薄膜4，再通过PDMS胶转移蓝胶带上氧化镓薄膜4，转移时在光学显微镜下选取厚度为100
‑
500nm的氧化镓薄膜4并转移到目标衬底上。
[0022]本专利技术具有如下有益效果：
[0023]1本专利技术二极管的阴极在氧化镓薄膜下方，使得氧化镓薄膜与金刚石衬底的接触步骤可以最后进行，接触质量不会因受其他工艺的影响而降低；且在接触前对金刚石表面进行氢终端处理，使金刚石表面具有一层二维空穴气使得二极管电特性更好；
[0024]2.β
‑
Ga2O3晶体具有(100)面具有12.21
□
的大晶格常数，可以很容易地裂解成纳米膜，且二极管的结构简单，可以降低二极管制备成本；
[0025]3.纳米厚度的氧化镓和金刚石衬底通过范德华力结合，因此不会有晶格缺陷的影响，二极管的整流比可以超过1
×
107且反向漏电流较低；
[0026]4.金刚石衬底具有极高的导热性，使得二极管在大功率工作情况不会因为散热问题导致无法工作，可以广泛的应用在大功率场合；
[0027]5..由于构成二极管的金刚石和氧化镓都是超宽禁带材料，使得二极管具有较高的耐压能力。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，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。
[0029]图1为本专利技术金刚石氧化镓异质结二极管的剖面结构示意图；
[0030]图2为本专利技术金刚石氧化镓异质结二极管的制备流程俯视示意图。
[0031]其中：1、金刚石衬底；2、绝缘层；3、第一阴极金属层；4、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石氧化镓异质结二极管，其特征在于：包括金刚石衬底(1)，金刚石衬底(1)上的绝缘层(2)，绝缘层(2)上的第一阴极金属层(3)，第一阴极金属层(3)一端上方的第二阴极金属层(6)，包围绝缘层(2)和第一阴极金属层(3)另一端的氧化镓薄膜(4)，以及位于金刚石衬底(1)上的阳极金属层(5)。2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述金刚石衬底(1)采用单晶金刚石材料；金刚石衬底(1)的表面RMS小于1nm，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
19
cm
‑3。3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述绝缘层(2)由氧化铝和二氧化硅组成，厚度为20nm。4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述第一阴极金属层(3)采用厚度为20nm的Ti；所述第二阴极金属层(6)采用厚度为80nm的Au。5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述氧化镓薄膜(4)的厚度为100
‑
500nm，掺杂浓度为1
×

【专利技术属性】
技术研发人员：冯欣，叶安琪，周弘，任泽阳，张苇杭，刘志宏，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：