本發明屬于微電子技術領域,特別涉及一種肖特基二極管,可用于高速集成電路和微波技術。
背景技術:
肖特基二極管,又稱為肖特基勢壘二極管,其原理是利用金屬與半導體接觸形成的金屬-半導體結,通常采用硅、氮化鎵等材料制作。肖特基二極管的優點主要包括以下兩個方面:1)由于肖特基勢壘高度低于pn結勢壘高度,所以其正向導通電壓和正向壓降都比pn結二極管低。2)由于肖特基二極管是一種多數載流子導電器件,不存在少數載流子壽命和反向恢復問題。肖特基二極管的反向恢復時間只是肖特基勢壘電容的充、放電時間,完全不同于pn結二極管的反向恢復時間。由于肖特基二極管的反向恢復電荷非常少,故開關速度非常快,開關損耗也特別小,尤其適合于高頻應用。但是,肖特基二極管的反向勢壘較薄,極易發生擊穿,導致反向擊穿電壓比較低,限制了其應用范圍。
技術實現要素:
本發明針對上述已有技術的不足,提出一種垂直型肖特基二極管及其制作方法,以提高反向擊穿電壓。
一.技術原理
氧化鎵屬于單斜晶體,禁帶寬度約為4.8ev-4.9ev。根據其他寬禁帶半導體材料擊穿電場與其禁帶寬度的關系,預計氧化鎵材料的擊穿電場可以達到8mv/cm,比碳化硅和氮化鎵材料的二倍還要多。氧化鎵的電子遷移率可以達到300cm2/(v·s),雖然遷移率的數值不高,但是氧化鎵具有很高的巴利加優值,非常適合制備功率器件。氧化鎵材料的巴利加優值大于碳化硅和氮化鎵材料的四倍,這意味著采用氧化鎵材料制作的功率器件的性能高于采用碳化硅和氮化鎵材料制作的功率器件。目前大尺寸低成本氧化鎵單晶襯底可以通過浮區法和導模法獲得。氧化鎵由于其優異的材料特性和易于大規模生產的優勢將在下一代功率器件應用方面具有廣闊的前景。本發明針對上述已有肖特基二極管擊穿電壓低的不足,采用氧化鎵材料制作器件,并通過刻蝕凹槽并在里面填充不同功函數的金屬和鐵電介質材料,在肖特基二極管反偏時,在鐵電介質材料偶極子和高功函數金屬的作用下,使得陽極下方的載流子濃度得以減小,峰值電場強度減小,從而提高器件的擊穿電壓。
二.技術方案
根據上述原理,本發明中的垂直型肖特基二極管器件結構,自下而上包括高摻雜n型ga2o3襯底和低摻雜n型ga2o3外延層,該外延層上淀積有低功函數陽極電極,高摻雜襯底的下表面淀積有陰極電極,低功函數陽極電極與n型ga2o3外延層形成肖特基接觸,陰極與襯底形成歐姆接觸,其特征在于:
所述低摻雜n型ga2o3外延層上間隔分布有m個凹槽,m≥6,凹槽中沉積有高功函數陽極電極和有機鐵電介質,且高功函數陽極電極位于有機鐵電介質之上,有機鐵電介質包括偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物p(vdf-trfe)、銀納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ag-p(vdf-trfe)、硫化鋅納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物zns-p(vdf-trfe)和鈦酸銅鈣納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ccto-p(vdf-trfe)在內的薄膜介質材料,其厚度為0.5~1μm。
作為優選,所述高摻雜n型ga2o3襯底的電子濃度為1017cm-3~1019cm-3,厚度大于1μm;所述低摻雜n型ga2o3外延層的載流子濃度為1014cm-3~1016cm-3,厚度大于1μm。
作為優選,所述高功函數陽極電極包括pt、ni、au、pd、mo、w和tan中的一種或多種;所述陰極電極包括ti、al、in、au中的一種或多種。
作為優選,所述每個凹槽的深度為2μm~3μm,寬度為2μm~3μm,凹槽間距為2μm~3μm。
根據上述原理,本發明制作垂直型肖特基二極管器件的方法,包括如下步驟:
1)對外延生長的ga2o3材料進行有機清洗,然后放入hf:h2o=1:1的溶液中進行腐蝕30-60s,最后用流動的去離子水清洗并用高純氮氣吹干;
2)將清洗好的ga2o3材料正面朝下放入icp刻蝕反應室中進行輕微刻蝕處理,以增大材料下表面的載流子濃度;
3)將刻蝕好的ga2o3材料正面朝下放入電子束蒸發臺中蒸發金屬ti/au并進行剝離,再在氮氣環境中進行550℃的60s快速熱退火,形成陰極歐姆接觸電極,其中ti的厚度為20-50nm,au的厚度為100-200nm;
4)對制備好陰極電極樣品的正面進行光刻,形成凹槽刻蝕區;
5)將光刻好的樣品放入icp刻蝕反應室中進行刻蝕,形成深度為2μm~3μm深的凹槽,寬度為2μm~3μm,凹槽間距為2μm~3μm;
6)將刻蝕好的樣品放入等離子體反應室中去除光刻膠掩膜;
7)將配置好的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物p(vdf-trfe)溶液以3000rpm的轉速旋涂到樣品上,并在80℃的烘箱中烘烤30分鐘,形成穩定的p(vdf-trfe)介質薄膜,重復該過程3-5次,得到厚度為0.5μm~1μm的p(vdf-trfe)介質薄膜;
8)將完成p(vdf-trfe)介質薄膜制備的樣品放入氧氣等離子刻蝕機中,再對非凹槽區域的p(vdf-trfe)介質薄膜進行刻蝕;
9)對完成p(vdf-trfe)刻蝕的樣品進行光刻,形成高功函數陽極電極區域,再放入電子束蒸發臺中蒸發金屬pt/ti并進行剝離,去掉區域外的金屬,形成高功函數陽極電極,金屬pt的厚度為10-20nm,金屬ti的厚度為20-50nm;
10)將完成高功函數陽極電極制備的樣品放入電子束蒸發臺中蒸發金屬ti/au,形成低功函數陽極電極,完成垂直型肖特基二極管的制作。
本發明具有如下優點:
1.器件性能好
本發明通過刻蝕凹槽并在里面淀積有機鐵電介質與高功函數陽極電極,使肖特基二極管反偏時,高功函數陽極能形成多個較大的耗盡區,起到屏蔽低功函數陽極的作用;同時由于有機鐵電介質在電場的作用下形成上表面帶有正電荷,在下表面產生負電荷距的偶極子,從而能對下方低摻雜n型ga2o3外延層材料中的電子產生排斥作用,使得肖特基勢壘的耗盡作用增強,從而提高了肖特基二極管的擊穿電壓;此外由于當肖特基二極管正偏時,低功函數陽極的勢壘高度較小,二極管正向電流主要從此處流過,保證了肖特基二極管具有較小的正向導通電阻。
2.制作工藝簡單
本發明由于采用旋涂和烘烤的方式在凹槽內淀積介質,因而工藝簡單,重復性好。
附圖說明
圖1是本發明的器件剖面結構示意圖;
圖2是本發明制作器件的工藝流程示意圖。
圖3是本發明制作器件的工藝流程框圖,
圖4是本發明制作器件各步驟對應的結果示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
參照圖1,本發明的二極管包括高摻雜n型ga2o3襯底1、低摻雜n型ga2o3外延層2、低功函數陽極電極3、高功函數陽極電極4、陰極電極5和有機鐵電介質6;低摻雜n型ga2o3外延層位于高摻雜n型ga2o3襯底之上,高摻雜n型ga2o3襯底的載流子濃度為1017cm-3~1019cm-3,厚度大于1μm;低摻雜n型ga2o3外延層的載流子濃度為1014cm-3~1016cm-3,厚度大于1μm;陰極電極位于高摻雜n型ga2o3外延層的下表面,其與襯底形成歐姆接觸,該陰極電極所用金屬包括ti、al、in、au中的一種或多種;外延層上淀積有低功函數陽極電極,其與外延層形成肖特基接觸,該陽極電極所用金屬是ti/au;所述低摻雜n型ga2o3外延層上間隔分布有m個凹槽,m≥6,在凹槽中淀積有機鐵電介質與高功函數陽極電極,高功函數陽極電極位于有機鐵電介質之上,有機鐵電介質使用偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物p(vdf-trfe)、銀納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ag-p(vdf-trfe)、硫化鋅納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物zns-p(vdf-trfe)和鈦酸銅鈣納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ccto-p(vdf-trfe)四種薄膜介質材料中的一種,其厚度為0.5~1μm。例如,對于一個取m=6的肖特基二極管,使用偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物p(vdf-trfe)作為有機鐵電介質,其厚度為0.5μm。
參照圖2,本發明制作肖特基二極管的方法,給出如下四種實施例:
實施例1,制作厚度為0.5μm、有機鐵電介質使用偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物p(vdf-trfe)材料的肖特基二極管。
步驟1,清洗,如圖2(a)。
對已在襯底上外延生長了ga2o3的樣品放入有機清洗,即將其先放入丙酮溶液超聲5min,再放入乙醇溶液超聲5min;然后用去離子水清洗;之后放入hf:h2o=1:1的溶液中進行腐蝕50s;最后用流動的去離子水清洗并用高純氮氣吹干。
步驟2,刻蝕,如圖2(b)。
將清洗好的樣品正面朝下放入icp刻蝕反應室中,對襯底下表面進行輕微刻蝕處理,工藝條件為:上電極功率為100w,下電極功率為10w,反應室壓力為30pa,bcl3的流量為10sccm,ar氣的流量為20sccm,刻蝕時間為5min。
步驟3,制備陰極電極,如圖2(c)。
將刻蝕后的樣品正面朝下放入電子束蒸發臺中蒸發金屬ti/au,其中金屬ti厚度為20nm,金屬au厚度為120nm,最后在氮氣環境中進行550℃的60s快速熱退火,形成陰極歐姆接觸電極。
步驟4,光刻,如圖2(d)。
對制備好陰極電極的樣品的正面進行光刻,形成凹槽刻蝕區。
步驟5,刻蝕凹槽,如圖2(e)。
將光刻后的樣品放入icp刻蝕反應室中,在上電極功率為100w,下電極功率為20w,反應室壓力為10pa,cl2的流量為5sccm,ar氣的流量為10sccm的工藝條件下刻蝕掉每個凹槽刻蝕區下方的低摻雜n型ga2o3外延層,形成深度為2μm,寬度為3μm的多個凹槽,凹槽的間距為3μm。
步驟6,去膠,如圖2(f)。
將刻蝕好的樣品放入等離子體反應室中,在氧氣流量為200sccm,反應室壓力為30pa,射頻功率為300w的工藝條件下進行10分鐘的去膠處理,以去除掉非凹槽刻蝕區的光刻膠掩膜。
步驟7,淀積有機鐵電介質,如圖2(g)。
將配置好的p(vdf-trfe)溶液以3000rpm的轉速旋涂到樣品上,并在80℃的烘箱中烘烤30分鐘,重復該過程3次,形成厚度為0.5μm的穩定p(vdf-trfe)介質薄膜。
步驟8,去除非凹槽區域的p(vdf-trfe)介質薄膜,如圖2(h)。
將淀積完p(vdf-trfe)介質薄膜的樣品放入氧氣等離子體刻蝕機中,在氧氣流量為200sccm,反應室壓力為30pa,射頻功率為200w的工藝條件下進行5min的刻蝕,刻蝕掉非凹槽區域的p(vdf-trfe)薄膜。
步驟9,制備高功函數陽極電極,如圖2(i)。
對完成p(vdf-trfe)去除的樣品進行光刻,形成高功函數陽極電極區域,再放入電子束蒸發臺中蒸發金屬pt/ti,然后進行剝離,以去掉高功函數陽極電極區域之外的金屬,其中金屬pt的厚度為20nm,金屬ti的厚度為50nm,形成高功函數陽極電極。
步驟10,制備低功函數陽極電極,如圖2(j)。
將完成高功函數陽極電極制備的樣品放入電子束蒸發臺中蒸發厚度為20nm的ti和厚度為120nm的au,以在整個低摻雜n型ga2o3外延層上形成低功函數陽極電極,完成整個器件的制作。
實施例2,制作厚度為0.6μm、有機鐵電介質使用銀納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ag-p(vdf-trfe)材料的肖特基二極管。
步驟一,清洗。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟1相同。
步驟二,刻蝕。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟2相同。
步驟三,制備陰極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟3相同。
步驟四,光刻。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟4相同。
步驟五,刻蝕凹槽。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟5相同。
步驟六,去膠。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟6相同。
步驟七,淀積有機鐵電介質。
7.1)將配置好的ag-p(vdf-trfe)溶液以3000rpm的轉速旋涂到樣品上,并在80℃的烘箱中烘烤30分鐘;
7.2)重復7.1)共3次,形成厚度為0.6μm的穩定的ag-p(vdf-trfe)介質薄膜。
步驟八,去除非凹槽區域的ag-p(vdf-trfe)。
將淀積完ag-p(vdf-trfe)介質薄膜的樣品放入氧氣等離子體刻蝕機中,在氧氣流量為200sccm,反應室壓力為30pa,射頻功率為200w的工藝條件下進行5.2min的刻蝕,刻蝕掉非凹槽區域的ag-p(vdf-trfe)薄膜。
步驟九,制備高功函數陽極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟9相同。
步驟十,制備低功函數陽極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟10相同。
實施例3,制作厚度為0.8μm、有機鐵電介質使用硫化鋅納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物zns-p(vdf-trfe)材料的肖特基二極管。
步驟a,清洗。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟1相同。
步驟b,刻蝕。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟2相同。
步驟c,制備陰極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟3相同。
步驟d,光刻。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟4相同。
步驟e,刻蝕凹槽。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟5相同。
步驟f,去膠。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟6相同。
步驟g,淀積有機鐵電介質。
g1.將配置好的zns-p(vdf-trfe)溶液以3000rpm的轉速旋涂到樣品上,并在80℃的烘箱中烘烤30分鐘,
g2.重復g1共4次,形成厚度為0.8μm的穩定的zns-p(vdf-trfe)介質薄膜。
步驟h,去除非凹槽區域的zns-p(vdf-trfe)。
將淀積完zns-p(vdf-trfe)介質薄膜的樣品放入氧氣等離子體刻蝕機中,在氧氣流量為200sccm,反應室壓力為30pa,射頻功率為200w的工藝條件下進行5.4min的刻蝕,刻蝕掉非凹槽區域的zns-p(vdf-trfe)薄膜。
步驟i,制備高功函數陽極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟9相同。
步驟j,制備低功函數陽極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟10相同。
實施例4,制作厚度為1μm、有機鐵電介質使用鈦酸銅鈣納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ccto-p(vdf-trfe)材料的肖特基二極管。
第一步,清洗。
第二步,刻蝕。
第三步,制備陰極電極。
第四步,光刻。
第五步,刻蝕凹槽。
第六步,去膠。
以上第一步至第六步的具體實現與實施例1的步驟1至步驟6相同。
第七步,淀積有機鐵電介質。
將配置好的ccto-p(vdf-trfe)溶液以3000rpm的轉速旋涂到樣品上,并在80℃的烘箱中烘烤30分鐘,重復該過程5次,形成厚度為1μm的穩定的ccto-p(vdf-trfe)介質薄膜。
第八步,去除非凹槽區域的ccto-p(vdf-trfe)。
將淀積完ccto-p(vdf-trfe)介質薄膜的樣品放入氧氣等離子體刻蝕機中,在氧氣流量為200sccm,反應室壓力為30pa,射頻功率為200w的工藝條件下進行5.5min的刻蝕,刻蝕掉非凹槽區域的ccto-p(vdf-trfe)薄膜。
第九步,制備高功函數陽極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟9相同。
第十步,制備低功函數陽極電極。
本步驟的具體實現與實施例1的步驟10相同。
以上通過優選實例詳細描述了本發明所提出的一種垂直型肖特基二極管器件的制備方法,并不構成對本發明的任何限制,顯然對于本領域的專業人士來說,在了解了本發明的內容和原理后,都可能在不背離本發明原理、結構的情況下,進行形式和細節上的各種參數修正和改變,但是這些基于本發明思想修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。