阅读说明：本技术 大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及制备方法 (High-power cathode and anode annular interdigital GaN quasi-vertical pn junction diode and preparation method thereof ) 是由 张进成 刘俊伟 赵胜雷 刘志宏 张雅超 张苇杭 段小玲 许晟瑞 郝跃 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及其制备方法,主要解决目前GaN准垂直pn结二极管输出功率无法满足更高功率需求的问题。其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)和n型GaN层(3),n型GaN层(3)的上部设有p型GaN层(4)和阴极(5),p型GaN层(4)的上部设有阳极(6),该阴极和阳极采用环形叉指结构,即阳极是以实心圆为中心,外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环,形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。本发明降低了电场的边缘效应,并通过多层环形互连提高了GaN准垂直二极管输出功率密度,可用于微波整流、功率开关电路。(The invention discloses a high-power cathode and anode annular interdigital GaN quasi-vertical pn junction diode and a preparation method thereof, and mainly solves the problem that the output power of the conventional GaN quasi-vertical pn junction diode cannot meet the requirement of higher power. It includes from bottom to top: the buffer layer is arranged on the upper portion of the n-type GaN layer (3), the p-type GaN layer (4) and the cathode (5) are arranged on the upper portion of the n-type GaN layer (3), the anode (6) is arranged on the upper portion of the p-type GaN layer (4), and the cathode and the anode are of annular interdigital structures, namely the anode is of a concentric structure with a solid circle as the center and a plurality of open circular rings distributed outside; the cathode is a plurality of open circular rings distributed among the anode rings to form a concentric ring-shaped alternate nesting structure of the anode rings and the cathode rings. The invention reduces the edge effect of the electric field, improves the output power density of the GaN quasi-vertical diode through multilayer annular interconnection, and can be used for microwave rectification and power switch circuits.)

大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，尤其是涉及GaN pn结二极管器件，可用于微波整流、功率开关电路。

技术背景

以Si、GaAs等传统半导体材料为基础的器件由于受到材料本身属性的限制，在功率和耐击穿电压等器件指标上很难再有进一步的提高。近年来以Ⅲ族氮化物为代表的新一代宽禁带半导体材料发展迅猛，具有宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率和化学性质稳定的优点，在毫米波、亚毫米波大功率电子器件领域极具发展潜力。GaN材料作为宽禁带半导体材料的典型代表，非常适合制备高温、抗辐射、高工作频率和大功率器件，在航空航天、雷达、通信等领域得到了广泛应用，目前基于GaN的二极管器件的研究是目前国际上的热点之一。

通常，GaN的二极管器件分为横向器件和垂直器件以及准垂直器件。其中：

GaN横向二极管器件，由于受限于电流拥挤，难以获得高输出电流，且作为平面器件，器件特性很容易受到表面态的影响，产生电流崩塌等负面效应。

GaN垂直二极管器件，能克服GaN横向二极管器件的上述问题：首先，由于采用的是垂直漂移层结构耐压，GaN材料的临界击穿场强很高，具有很高的击穿电压；其次，由于导电在内部而不是表面，避免了表面态的影响，器件动态特性很好，同时由于导电通道在很厚的外延层，没有电流拥挤的限制。但是，垂直二极管器件需要在GaN自支撑衬底的外延片上制备，成本较高。

GaN准垂直pn结二极管器件，如图1所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、n型GaN层、p型GaN层，n型GaN层上设有阴极，p型GaN层上设有阳极。这种结构可以在非GaN自支撑衬底上生长，例如蓝宝石或硅，与GaN自支撑衬底上制造的昂贵的垂直二极管相比，能够降低生产成本。但是，由于目前准垂直结构pn结二极管的常规环形金属电极具有边缘效应，电流密度从阳极边缘到中心随距离增大而指数衰减，电流集中在阳极金属的边缘，导致阳极金属的大部分区域对输出电流贡献很小，即增大器件的特征导通电阻，限制了器件的输出功率，使阳极的大部分区域被浪费了，降低了器件的输出电流密度，难以满足二极管器件在功率开关电路中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述GaN准垂直pn结二极管器件的不足，提出一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及其制备方法，以提高阳极金属的面积利用率，增大器件输出电流密度，扩展器件的输出功率，满足二极管器件在功率开关电路中的应用。

实现本发明目的的技术方案如下：

1.大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管，自下而上包括：衬底、缓冲层和n型GaN层，n型GaN层的上部设有p型GaN层和阴极，p型GaN层的上部设有阳极，其特征在于，阴极和阳极采用环形叉指结构，即阳极是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。

进一步，所述的衬底为蓝宝石、SiC、Si和金刚石中的一种。

进一步，所述的缓冲层为GaN、AlN、AlGaN和InGaN中的一种。进一步，所述的阴极采用厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au。

进一步，所述的阳极，金属采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au。

进一步，所述的阴极的同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且开口圆环的数量大于等于2。

进一步，所述的阳极的中心实心圆半径为0.5-10μm，同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2。

2.一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对自下而上包括衬底、缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，依次使用丙酮、异丙醇，去离子水进行3-5min的超声清洗；

2)在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；采用RIE或者ICP刻蚀设备，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；然后将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在N₂氛围中退火，在400-500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤；

3)制作阴极

将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形；

采用E-beam设备以0.1-0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；

在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉进行退火，使阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极；

4)制作阳极

将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形；

采用E-beam设备以0.1-0.3nm/s的蒸发速率制作阳极金属，阳极金属采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au或Pd/Au；

在阳极金属蒸发完成后进行剥离，再使用RTP快速热退火炉进行退火，使阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。

本发明与常规环形准垂直GaN pn结二极管相比，具有如下有益效果：

1.本发明由于采用多层环形结构，降低了边缘效应的影响，提高了阳极的电流密度，能够满足大功率器件的需求。

2.本发明由于采用多层环形结构，提高了阳极的面积利用率，在同等输出功率下，器件的占用面积降低，器件尺寸缩小，从而能降低生产成本。

3.本发明制作工艺简单，成品率高。

附图说明

图1为现有的环形GaN准垂直pn结二极管器件的结构示意图；

图2为本发明的GaN pn结二极管器件的结构示意图；

图3为本发明的GaN pn结二极管器件的俯视图；

图4为本发明制作GaN pn结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做进一步说明。

参照图2和图3，本发明大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管，自下而上包括：衬底1、缓冲层2和n型GaN层3，n型GaN层3的上部设有p型GaN层4和阴极5，p型GaN层4的上部设有阳极6，其中阴极5和阳极6采用环形叉指结构，即阳极6是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极5是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。

所述的衬底1为蓝宝石、SiC、Si、GaN、AlN和金刚石中的一种；所述的缓冲层2采用GaN、AlN、AlGaN和InGaN中的一种；所述的阴极5采用厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au；所述阳极6采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au或Pd/Au金属；所述的阴极5的同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且开口圆环的数量大于等于2，本实例取值为2，但不限于开口圆环的数量为2个；所述的阳极6的中心实心圆半径为0.5-10μm，同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2，本实例取值为2，但不限于中心实心圆与开口圆环的数量之和为2个。

参照图4，本发明制备一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管的方法，给出如下的三个实施例。

实施例1，制作阴极金属为Ti/Al/Ni/Au、阳极金属为Ni/Au的GaN pn结二极管。

步骤1：清洗外延片材料。

选用自下而上包括SiC衬底、GaN缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，如图4(a)；

先使用丙酮超声清洗5min，然后使用异丙醇丙酮超声清洗5min，最后使用去离子水超声清洗3min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。

步骤2：制作阴极凹槽，如图4(b)。

在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；

将光刻后的外延片材料放入RIE刻蚀设备刻蚀腔内，同时通入气体流量为10sccm的Cl₂和气体流量为20sccm的BCl₃，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；

将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N₂，在400℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。

步骤3：制作阴极，如图4(c)。

将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，且开口圆环的数量为2；

使用E-beam设备以0.1nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属；

在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N₂，在860℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。

步骤4：制作阳极，如图4(d)。

将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为0.5μm，同心开口圆环间距为20μm，同心开口圆环宽度为1μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为2；

采用E-beam设备以0.1nm/s的蒸发速率制作厚度为120nm的Ni/Au阳极金属；

在阳极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N₂，在740℃下退火30s，使得退火后的阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。

实施例2，制作阴极金属为Ti/Al/Pt/Au、阳极金属为Ni/Au的GaN pn结二极管。

步骤一：清洗外延片材料。

选用自下而上包括Si衬底、Al_0.05Ga_0.95N缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，如图4(a)；

先使用丙酮超声清洗3min，然后使用异丙醇丙酮超声清洗4min，最后使用去离子水超声清洗4min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。

步骤二：制作阴极凹槽，如图4(b)。

2.1)在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；

2.2)将光刻后的外延片材料放入ICP刻蚀设备刻蚀腔内，同时通入气体流量为10sccm的Cl₂和气体流量为20sccm的BCl₃，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；

2.3)将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N₂，在450℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。

步骤三：制作阴极，如图4(c)。

3.1)将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为30μm，同心开口圆环宽度为5μm，且开口圆环的数量为10；

3.2)使用E-beam设备以0.2nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；

3.3)在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N₂，在900℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。

步骤四：制作阳极，如图4(d)。

4.1)将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为5μm，同心开口圆环间距为30μm，同心开口圆环宽度为5μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为10；

4.2)采用E-beam设备以0.2nm/s的蒸发速率制作厚度为210nm的Ni/Au阳极金属；

4.3)在阳极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N₂，在760℃下退火30s，使得退火后的阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。

实施例3，制作阴极金属为Ti/Al/Pt/Au、阳极金属为Pt/Au的GaN pn结二极管。

步骤A：清洗外延片材料。

选用自下而上包括蓝宝石衬底、In_0.17Ga_0.83N缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，如图4(a)；

先使用丙酮超声清洗4min，然后使用异丙醇丙酮超声清洗3min，最后使用去离子水超声清洗5min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。

步骤B：制作阴极凹槽，如图4(b)。

B1)制作阴极凹槽；

本步骤的具体实施与实施例2的步骤2.1)和步骤2.2)相同；

B2)将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N₂，在500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。

步骤C：制作阴极，如图4(c)。

C1)将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为20μm，同心开口圆环宽度为1μm，且开口圆环的数量为20；

C2)使用E-beam设备以0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；

C3)在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N₂，在820℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。

步骤D：制作阳极，如图4(d)。

D1)将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为10μm，同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为20；

D2)采用E-beam设备以0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为300nm的Pt/Au阳极金属；

D3)在阳极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N₂，在720℃下退火30s，使得退火后的阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。

以上所述实施例仅表达了本发明的三种实施方式，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。