势垒可调的n型氧化镓肖特基二极管的结构及其制备方法
阅读说明：本技术 势垒可调的n型氧化镓肖特基二极管的结构及其制备方法 (Structure of n-type gallium oxide Schottky diode with adjustable potential barrier and preparation method thereof ) 是由 汪海波 杨金 樊敏 张忠祥 鲁世斌 陆梦雪 汪承龙 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于半导体技术领域,且公开了势垒可调的n型氧化镓肖特基二极管的结构及其制备方法,二极管由上到下依次包括阳极金属层、阳极场板、介质层、势垒调控层、低掺杂氧化镓外延层和衬底层以及阴极金属层,所述的势垒调控层厚度小于20nm,浓度在2e16～2e20atom/cm3。本发明,通过设置不改变反向击穿性能的同时,增加二极管多子的发射能力,从而提高功率密度,降低导通电阻。(The invention belongs to the technical field of semiconductors and discloses a barrier-adjustable n-type gallium oxide Schottky diode structure and a preparation method thereof, wherein the diode sequentially comprises an anode metal layer, an anode field plate, a dielectric layer, a barrier regulation layer, a low-doped gallium oxide epitaxial layer, a substrate layer and a cathode metal layer from top to bottom, the thickness of the barrier regulation layer is less than 20nm, and the concentration is 2e 16-2 e20atom/cm 3. According to the invention, the emission capability of the diode is increased while the reverse breakdown performance is not changed, so that the power density is improved, and the on-resistance is reduced.)
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及势垒可调n型氧化镓肖特基二极管的结构及其制备方法。
背景技术
在高速铁路和5G应用的背景下，硅基器件已不能满足高能量密度和高频的日益增长的技术需求，作为第三代半导体典型材料的碳化硅和氮化镓，越来越成为当前社会和研究机构关注的焦点，因为它们具有大禁带宽度及高的击穿电场，从而有望克服硅器件的技术局限，然而，受晶体生长、器件制造的难度和成本的限制，这些材料到目前为止还没有得到广泛的应用。
氧化镓作为一种新的半导体候选材料，具有更宽的禁带和更高的击穿电压；可以在同质或异质衬底上开发出低导通电压、高正向电流密度和高开关速度特性的肖特基势垒二极管(SBDs)；中国发明专利CN111192927A公开了一种氧化镓肖特基二极管及其制作方法，具有低掺杂外延层和氧化镓衬底，能改善界面态对器件漏电流的影响；中国发明专利CN106876484B公开了一种高击穿电压的肖特基二极管及其制作方法，该二极管在外延层上沉积有300～500nm有机铁电介质层，能提高反向击穿电压；中国发明专利CN107026209A同样公开了一种基于氧化镓的结势垒肖特基二极管及其制备方法，采用p～n结势垒形成较大功率半导体器件，但p型氧化镓制作困难；中国发明专利CN201822033721.9、CN202011125271.1同样公开了氧化镓肖特基二极管的结构和制备方法。
肖特基二极管阳极可以使用各种材料，包括Cu、Ag、Pt、Ni、Au等功函数较高的金属，所制备的二极管性能各异，制备工艺和流程难以统一，使得型号和成本各异。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明是这样实现的，势垒可调n型氧化镓肖特基二极管的结构，包括阳极金属层、阳极场板、介质层、势垒调控层、低掺杂氧化镓外延层、衬底层和阴极金属层，所述阳极场板的顶部与阳极金属层的顶部配合使用，所述阳极金属层的外表面与介质层的内部配合使用，所述介质层的底部与势垒调控层的顶部配合使用，所述势垒调控层的底部与低掺杂氧化镓外延层的顶部配合使用，所述低掺杂氧化镓外延层的底部与衬底层的顶部配合使用，所述衬底层的底部与阴极金属层的顶部配合使用。
作为本发明优选的，所述阳极金属层和阳极场板为同一种金属，所述阳极金属层是Cu、Ag、Pt、Ni、Au中的一种。
作为本发明优选的，所述势垒调控层为n型高浓度氧化镓薄层，所述n型高浓度氧化镓薄层掺杂杂质为Sn或Si，浓度为2e16～2e20atom/cm3，最佳范围为5e17～5e19atom/cm3，且n型高浓度氧化镓薄层掺杂厚度为1～20nm之间，最佳范围在1～10nm。
作为本发明优选的，
第一步：选用高浓度n型掺杂氧化镓衬底；
第二步：在高浓度氧化镓衬底上外延低掺杂浓度n型氧化镓层；
第三步：在低浓度氧化镓外延层上外延高掺杂浓度n型氧化镓势垒调控薄层；
第四步：在高浓度氧化镓衬底背面蒸发阴极金属层；
第五步：在氧化镓势垒调控层上沉积介质层；
第六步：在介质层上涂胶、曝光、一次光刻和刻蚀形成阳极金属开口图形；
第七步：在开口图形中蒸发阳极金属，形成金属势垒调控层肖特基接触；
第八步：在蒸发金属的基础上，再次曝光和光刻，蒸发金属场板。
作为本发明优选的，所述阳极金属厚度为20～2000nm，场板厚度为 20～2000nm。
作为本发明优选的，所述场板面积比阳极面积大40％，场板边缘距离阳极边缘大于200nm。
作为本发明优选的，所述介质层为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪，优选的为氧化铝。
作为本发明优选的，所述介质层厚度为20nm～2000nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过具有高浓度的n型氧化镓势垒薄层，薄层厚度小于20nm，薄层的n型势垒薄层能够提升隧道电流，降低肖特基有效接触势垒，明显降低导通电阻，增加功率密度，降低功耗；
2、可以使得在同一种金属阳极的条件下，实现多种功率用途的肖特基二极管，简化了工艺流程。本发明公开的肖特基二极管具有n型高浓度掺杂的氧化镓势垒调控层，此调控层能够明显改变电流密度，降低势垒高度，降低导通电阻，从而实现高功率密度可调的肖特基二极管。
附图说明
图1是本发明实施例提供的氧化镓势垒调控层对肖特基二极管的有效势垒调控作用，而以Ni作为阳极得到的关于Ni厚度与势垒关系示意图；
图2是本发明实施例提供的氧化镓势垒调控层对肖特基二极管的有效势垒调控作用，而以Ni作为阳极得到的关于Ni浓度与势垒关系；
图3是本发明实施例提供的氧化镓肖特基二极管切面示意图；
图4是本发明实施例提供的氧化镓肖特基二极管的制作方法流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
图3显示了氧化镓肖特基二极管的切面示意图，图中所示的肖特基二极管，从上到下分别是阳极场板37和阳极金属层31，介质层32，高浓度n型氧化镓势垒调控层33，低掺杂n型氧化镓外延层34，高浓度衬底层35以及阴极金属层36。
其中，阳极场板37与阳极金属层31为同种材料，可以采用功函数高于氧化镓的金属，如Ni、Pt、Cu、Ag、Au等，如采用Ni需增加Au防止氧化，其位于介质层32上部，阳极金属穿过介质层32形成肖特基接触，阳极场板37的纵切面尺寸为20000nm，厚度为1500nm，阳极的纵切面尺寸为2000nm，厚度为 500nm。
其中，介质层32可以是氧化硅、氮化硅、氧化铪和氧化铝中的一种，厚度为500nm；
其中，高浓度n型氧化镓势垒调控层33采用Sn或Si掺杂，厚度为10nm、浓度为2.6e18atom/cm3；
其中，低掺杂n型氧化镓外延层34同样采用Si或者Sn掺杂实现，浓度在 2e16atom/cm3、厚度为2um；
其中，高浓度n型氧化镓衬底35同样采用Si或者Sn掺杂实现，浓度在 3.6e18atom/cm3、厚度为200um；
采用Ni作为阳极金属，本实施案例经过测试，导通电压在0.75V，有效势垒高度0.84eV，正向电流密度在0.8V时可达102A/cm2.本测试结果会根据测试条件有所不同，但与同等条件下不含有势垒调控层33相比，电流密度会大幅度提升。
本发明实施案例提供的氧化镓肖特基二极管的制作方法。
步骤41为选用高浓度掺杂n型氧化镓衬底；在本案例中，使用浓度范围 e18atom/cm3，表面采用化学机械抛光方法抛光成镜面。
步骤42为外延低掺杂浓度n型氧化镓层；掺杂浓度范围在e14～e18atom/cm3范围，纵向的浓度分布为均匀掺杂；外延方法可以用化学气相沉积。
步骤43为外延高掺杂浓度n型氧化剂层；掺杂浓度为e17～e19atom/cm3，掺杂设备可以使用氢化物气相外延或者金属氧化物化学气相沉积，沉积厚度为 1～20nm。
步骤44为蒸发背面阴极金属，形成欧姆接触，阴极金属选用Ti层并覆盖Au作为保护层，采用电子束蒸发的方法制备。
步骤45为在高浓度势垒层上沉积介质层，的介质层为氧化硅、氮化硅、氧化铪和氧化铝的其中一种，采用的制备方法可以是等离子体增强化学气相乘积、低压化学气相沉积，沉积的厚度为20～2000nm。
步骤46为一次光刻形成阳极窗口，具体包括在介质层上涂胶、曝光和刻蚀。其中光刻胶选用耐腐蚀光刻胶，通过曝光在介质层上形成开孔区域，开孔图形选用圆形，圆形直径为2um，然后通过干湿结合方法去除被曝光区域的介质层。
步骤47为蒸发阳极金属，在开孔区域，使用电子束蒸发形成阳极肖特基接触，蒸发厚度通过蒸发速率计算，金属可以是Ni、Pt、Ag、Cu、Pt的一种，此时不需要蒸发Au作为保护层。
步骤48为二次光刻形成场板窗口，在去除前次光刻胶基础上，再次涂胶、曝光，二次光刻所曝光的区域对应一次曝光的阳极，并使得面积远远大于阳极面积，图形为圆形，直径为20um。
步骤49再次蒸发金属，的金属与步骤47种的金属相同，厚度为1500nm。如选用金属容易氧化，可继续乘积Au作为保护层。最后去除光刻胶。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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