阳极边缘浮空的GaN微波二极管及制备方法
阅读说明：本技术 阳极边缘浮空的GaN微波二极管及制备方法 (GaN microwave diode with floating anode edge and preparation method thereof ) 是由 张进成 党魁 周弘 张涛 张苇杭 宁静 郝跃 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阳极边缘浮空的GaN微波二极管制备方法,主要解决GaN横向微波二极管电容大,频率响应慢的问题。自下而上包括衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道层(3)和AlGaN势垒层(4),该沟道层及势垒层上设有圆形凹槽(5),凹槽的外围势垒层上设有环形阴极(6),凹槽的底部、侧壁及凹槽边缘势垒层上方设有阳极(7),且凹槽边缘势垒层上方的阳极与下方势垒层之间设有80-300nm的间隙,形成长度为0.3-2μm的部分阳极浮空结构。本发明能大幅降低GaN微波二极管结电容,显著提高器件频率响应,可广泛应用于微波整流和微波限幅。(The invention discloses a preparation method of a GaN microwave diode with an empty anode edge, which mainly solves the problems of large capacitance and slow frequency response of a GaN transverse microwave diode. The GaN-based floating anode structure comprises a substrate (1), a GaN buffer layer (2), a GaN channel layer (3) and an AlGaN barrier layer (4) from bottom to top, wherein circular grooves (5) are formed in the channel layer and the barrier layer, annular cathodes (6) are arranged on the peripheral barrier layer of each groove, anodes (7) are arranged above the bottom, the side wall and the edge barrier layer of each groove, and a gap of 80-300nm is formed between each anode above the edge barrier layer of each groove and the barrier layer below the corresponding groove to form a partial anode floating structure with the length of 0.3-2 mu m. The invention can greatly reduce the junction capacitance of the GaN microwave diode, obviously improve the frequency response of the device, and can be widely applied to microwave rectification and microwave amplitude limiting.)
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及使用一种阳极边缘浮空的GaN微波二极管，可用于微波整流或微波限幅。
技术背景
作为一种宽禁带半导体材料，GaN材料具有极大的电学性能优势，AlGaN/GaN异质结结构因为其强大的自发极化和压电极化效应，会在靠近界面处GaN一侧感生出高浓度的二维电子气，由于电子被限制的势阱中，且该区域杂质掺杂极少，因此电离杂质散射和合金无序散射较小，二维电子气具有极高的迁移率和电子饱和速率。且GaN由于材料固有的宽禁带属性，其临界击穿场强极大，适合制作大功率高频微波器件。为了进一步提高GaN二极管器件的频率响应，需要降低器件的电容和电阻。
现有技术之一是GaN横向二极管，该技术在AlGaN/GaN异质结上刻蚀出台面隔离区域，并在台面上分别制作条形的欧姆接触和肖特基接触，如图1。为了减小器件电容，条形肖特基接触金属尺寸必须不断缩小，因此需要使用高分辨率的步进式光刻机或电子束直写设备，这两款设备价格昂贵、效率较低、工艺成品率低，且该技术不能避免肖特基金属与下方二维电子气的交叠，因此提升水平有限。
现有技术之二是凹槽阳极结构GaN横向二极管，该技术在前一种技术基础上，在阳极下方引入刻蚀区域，由于异质结结构被破坏，刻蚀区域电容被消除，器件电容得到很大程度的减小，其结构如图2。但为了保证工艺可行性，阳极边缘需要搭在AlGaN势垒层上，依然会引入部分由于肖特基阳极与二维电子气交叠产生的电容，影响性能。
发明内容
本发明的目的在于克服GaN微波二极管的不足，提供一种基于阳极边缘浮空的GaN微波二极管及制备方法，，以结合凹槽阳极刻蚀工艺，减小结电容，提升器件性能，大幅提高器件工作频率。
为实现上述目的，本发明阳极边缘浮空的GaN微波二极管，自下而上包括衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层，其特征在于，在沟道层及势垒层上设有圆形凹槽，凹槽的***势垒层上设有环形阴极，凹槽的底部、侧壁及凹槽边缘势垒层上方设有阳极，且凹槽边缘势垒层上方的阳极与下方势垒层之间设有80-300nm间隙，形成长度为0.3-2μm的部分阳极浮空结构。
作为优选，其特征在于，凹槽的深度为AlGaN势垒与GaN表面以下5-25nm。
作为优选，其特征在于，衬底采用厚度为400μm-600μm的SiC衬底或厚度为400μm -600μm蓝宝石衬底或厚度为400μm-1000μm的Si衬底。
作为优选，其特征在于，外延缓冲层采用厚度为1μm-6μm的GaN缓冲层或厚度为 1μm-6μm的AlGaN渐变缓冲层。
作为优选，其特征在于，GaN沟道层采用厚度为100nm-400nm的非故意掺杂GaN。
作为优选，其特征在于，阳极采用厚度为30-200nm的Ni金属和0-200nm的Au金属叠层。
为实现上述目的，本发明制备阳极边缘浮空的GaN微波二极管的方法，其技术关键是：在做完阴极欧姆接触和台面隔离的器件上电子束蒸发80nm-300nm金属Ge，采用RIE 干法刻蚀工艺刻蚀阳极区域Ge金属，ICP刻蚀工艺刻蚀势垒层及沟道层至AlGaN/GaN异质结界面下5-25nm，制作金属为Ni/Au的阳极后，通过H2O2选择性刻蚀Ge金属的特点实现浮空结构，达到减小器件结电容的目的。具体步骤包括如下：
1)清洗外延片：
将AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干；
2)制作GaN微波二极管阴极：
2a)在洁净的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阴极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层；
2b)先将沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层的外延片用丙酮溶液浸泡，使有光刻胶区域金属被剥离，再将外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干后放入快速退火炉进行退火，形成器件阴极；
3)制作台面隔离：
3a)在做完阴极欧姆接触的外延片上进行匀胶、烘胶台面隔离光刻及显影；
3b)使用ICP刻蚀机刻蚀GaN台面外区域；
3c)将刻蚀完成的外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，形成器件隔离；
4)在做完台面隔离的外延片上使用电子束蒸发设备沉积80-300nm的金属Ge；
5)制作阳极凹槽：
5a)在沉积过金属Ge的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影；
5b)先使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔区域Ge金属至势垒层表面，再使用ICP刻蚀机刻蚀势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下5-25nm，并将其依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作；
6)制作GaN微波二极管阳极：
6a)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上先沉积厚度为30-200nm的金属Ni，再沉积0-200nm的金属Au；
6b)将进行6a)操作后的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作；
7)Ge金属湿法刻蚀：
将做完阳极的外延片放入温度为40℃-80℃的H2O2溶液浸泡3-5分钟，取出后再用去离子水冲洗，用氮气吹干，完成阳极边缘浮空GaN微波二极管制作。
本发明具有如下优点：
1.本发明采用凹槽阳极结构，使肖特基金属直接与二维电子气区域侧壁接触，刻蚀区域二维电子气被去除，因此在该区域不存在阳极金属与下方的电容，大幅减小器件结电容，且允许器件阳极做成较大圆形，减小制作成本，提升成品率。
2.本发明利用加热的H2O2溶液与Ge金属反应而与Ni/Au不反应的特点，去除器件阳极边缘与势垒层中间沉积的Ge金属，实现一种阳极边缘浮空的阳极结构，进一步减小了该部分阳极引入的电容，大幅提高器件频率特性，方法简单有效，可操作性强。
附图说明
图1是现有GaN横向二极管截面结构示意图；
图2是现有凹槽阳极结构的GaN横向二极管截面结构示意图；
图3是本发明阳极边缘浮空的GaN微波二极管截面结构示意图；
图4是本发明制作图3二极管的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参照图3，本发明的器件是在AlGaN/GaN外延片上进行，该外延片自下而上为衬底1、外延缓冲层2、GaN沟道层3和AlGaN势垒层4，其中，衬底1采用厚度为400μm-600μm的 SiC衬底或厚度为400μm-600μm的蓝宝石衬底或厚度为400μm-1000μm的Si衬底，外延缓冲层2采用厚度为1μm-6μm的GaN缓冲层或厚度为1μm-6μm的AlGaN渐变缓冲层，GaN沟道层3采用厚度为100nm-400nm的非故意掺杂GaN，AlGaN势垒层4的厚度为20-30nm。在沟道层3及势垒层4上设有圆形凹槽5，凹槽深度为AlGaN势垒层与GaN沟道层界面下 5-25nm，凹槽5的***势垒层上设有环形阴极6，凹槽5的底部、侧壁及凹槽边缘势垒层上方设有阳极7，阳极7采用厚度为30-200nm的Ni金属和0-200nm的Au金属叠层。凹槽边缘势垒层上方的阳极长度为0.3-2μm，且与下方势垒层之间设有80-300nm的间隙，形成部分阳极的浮空结构。
参照图4，本发明制备阳极边缘浮空GaN的微波二极管方法给出如下三种是实施例：
实施例1，制作阳极凹槽刻蚀至AlGaN/GaN界面下5nm、阳极Ni/Au金属厚度为 30/200nm、凹槽边缘势垒层上方的阳极与下方势垒层之间间隙为200nm的阳极边缘浮空 GaN微波二极管。
步骤1，外延片清洗，如图4(a)。
将采用厚度为400μm的SiC衬底、GaN缓冲层厚度为1μm的AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干。
步骤2，制作GaN微波二极管阴极，如图4(b)。
2a)在洁净的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阴极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层，厚度分别为22/140/55/45nm；
2b)将沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层的外延片用丙酮溶液浸泡，使有光刻胶区域金属被剥离，再将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干后放入快速退火炉进行退火，形成器件阴极。
步骤3，制作台面隔离，如图4(c)。
3a)在做完阴极欧姆接触的外延片上依次进行匀胶、烘胶、台面隔离光刻及显影；
3b)使用ICP刻蚀机刻蚀台面隔离，并将刻蚀完成的外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，形成器件隔离。
步骤4，在做完台面隔离的外延片上使用电子束蒸发设备沉积200nm的金属Ge，如图4(d)。
步骤5，制作阳极凹槽，如图4(e)。
5a)在沉积过金属Ge的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影，使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔区域Ge金属至势垒层表面，刻蚀条件如下：
CF4气体流量为6sccm；CHF3气体流量为8sccm；He气流量流量为120sccm；射频功率为150W；反应室压强为1000mTorr；
5b)使用ICP刻蚀机刻蚀该外延片势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下5nm，刻蚀条件是：BCl3气体流量为20sccm；射频功率为45W；反应室压强为15mTorr；
5c)将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作。
步骤6，制作GaN微波二极管阳极，如图4(f)。
6a)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积厚度为30nm的金属Ni和厚度为200nm的金属Au；
6b)将蒸发有金属Ni和金属Au的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5 分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
步骤7，Ge金属湿法刻蚀，如图4(g)。
将做完阳极的外延片放入温度为40℃-80℃的H2O2溶液浸泡3-5分钟，取出后再用去离子水冲洗，用氮气吹干，完成阳极边缘浮空GaN微波二极管制作。
实施例2，制作阳极凹槽刻蚀至AlGaN/GaN界面下10nm、阳极Ni/Au金属厚度为 45/150nm、凹槽边缘势垒层上方的阳极与下方势垒层之间间隙为300nm的阳极边缘浮空 GaN微波二极管。
步骤一，外延片清洗，如图4(a)。
将采用厚度为800μm的Si衬底、GaN缓冲层厚度为6μm的AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干。
步骤二，制作GaN微波二极管阴极，如图4(b)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤2相同。
步骤三，制作台面隔离，如图4(c)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同。
步骤四，在做完台面隔离的外延片上使用电子束蒸发设备沉积300nm的金属Ge，如图4(d)。
步骤五，制作阳极凹槽，如图4(e)。
5.1)在沉积过金属Ge的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影，并使用RIE刻蚀机在CF4气体流量为8sccm，CHF3气体流量为10sccm，He气流量流量为 150sccm，射频功率为250W，反应室压强为1500mTorr的工艺条件下，刻蚀外延片阳极开孔区域Ge金属至势垒层表面；
5.2)再使用ICP刻蚀机在BCl3气体流量为30sccm，射频功率为55W，反应室压强为20mTorr的下，刻蚀该外延片势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下10nm，并将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作。
步骤6，制作GaN微波二极管阳极，如图4(f)。
6.1)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积厚度为45nm的金属Ni和厚度为150nm的金属Au；
6.2)将蒸发金属Ni和金属Au的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5 分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
步骤7，Ge金属湿法刻蚀，如图4(g)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤7相同。
实施例3，制作阳极凹槽刻蚀至AlGaN/GaN界面下15nm、阳极Ni/Au金属厚度为 60/100nm、凹槽边缘势垒层上方的阳极与下方势垒层之间间隙为100nm的阳极边缘浮空 GaN微波二极管。
步骤A，外延片清洗，如图4(a)。
将采用厚度为600μm的蓝宝石衬底、厚度为3μm的AlGaN渐变缓冲层的AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干。
步骤B，制作GaN微波二极管阴极，如图4(b)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤2相同。
步骤C，制作台面隔离，如图4(c)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同。
步骤D，在做完台面隔离的外延片上使用电子束蒸发设备沉积150nm的金属Ge，如图4(d)。
步骤E，制作阳极凹槽，如图4(e)。
E1)在沉积金属Ge的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影，使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔Ge金属至势垒层表面，刻蚀条件是：CF4气体流量为10sccm；CHF3气体流量为12sccm；He气流量流量为180sccm；射频功率为300W；反应室压强为2000mTorr；
E2)使用ICP刻蚀机将该外延片势垒层及沟道层刻蚀至AlGaN/GaN界面以下15nm，刻蚀是：BCl3气体流量为40sccm；射频功率为65W；反应室压强为25mTorr；
E3)将刻蚀后的外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作。
步骤F，制作GaN微波二极管阳极，如图4(f)。
F1)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积厚度为60nm的金属Ni和厚度为100nm的金属Au；
F2)将蒸发金属Ni和金属Au的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
步骤G，Ge金属湿法刻蚀，如图4(g)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤7相同。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。