一种基于离子注入还原的氧化镓PIN二极管及制备方法与流程

本发明涉及氧化镓器件，尤其涉及一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管及制备方法。

背景技术：

1、半导体功率器件是电力电子系统中的核心元件，广泛应用于航空航天、通信、工业控制、可再生能源与新能源系统、电动汽车、轨道交通等重要领域。硅基功率器件性能受到材料自身理论极限限制，其功率密度已无法满足电源供给和高效驱动等在高频、高功率、高温及极端条件下的应用需求。氧化镓(ga2o3)作为半导体材料的新秀，与第三代半导体材料sic、gan相比，其禁带宽度更大、击穿场强更高，巴利伽优值(bfom)是sic的10倍以上、gan材料的4倍以上，在高压、大功率、高效率等多个领域均展现出极为广泛并值得期待的应用潜力。另外，氧化镓单晶衬底材料的生产可以采用同硅工艺相同的熔融法进行生长制备，成本上相比sic和gan等材料更具优势。因此，ga2o3是制备二极管、场效应晶体管等低功耗、高压开关及高功率应用的理想材料。

2、pin二极管在反偏情况下漏电流较小，器件的击穿电压较高，是实现高耐压功率器件的重要手段，在整流、限幅、开关等领域具有广泛的应用价值。然而，氧化镓p型掺杂难度较大，氧化镓pin二极管难以实现，无法充分发挥氧化镓材料优势。现有p型掺杂方法有利用gan热氧化获得p型的n掺杂氧化镓薄膜。但其依靠gan转变成氧化镓可操作性弱，且只能生成氧化镓薄膜，难以做厚。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管及制备方法，以解决p型掺杂氧化镓制备难度大，导致难以制备氧化镓pin二极管的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，包括：在重掺杂n型氧化镓衬底上表面，制备pin结中的i层；在所述i层的上表面，进行p型离子注入，得到p型注入层；在还原性气氛中对所述p型注入层进行高温热退火，以激活注入的p型离子，制备得到pin结中的p层；在重掺杂n型氧化镓衬底的下表面，制备阴极电极；在所述p层的上表面，制备阳极电极，得到氧化镓pin二极管。

3、在一种可能的实现方式中，所述在还原性气氛中对所述p型注入层进行高温热退火，以激活注入的p型离子，制备得到pin结中的p层包括：在氢气或氨气还原性气氛中对所述p型注入层进行热退火，以激活p型注入层内的p型离子，还原性气体与p型注入层内的氧化镓发生还原反应，将氧化镓材料中的o析出，以使p型离子占据氧的晶格格点，使离子注入区转变成p型掺杂，制备得到pin结中的p层。

4、在一种可能的实现方式中，所述在重掺杂n型氧化镓衬底上表面，制备pin结中的i层包括：在所述n型氧化镓衬底的下表面生长绝缘介质层；在所述绝缘介质层的保护下，对所述n型氧化镓衬底进行热氧化，在所述n型氧化镓衬底的上表面制备得到pin结中的i层；在热氧化之后，去除n型氧化镓衬底的下表面的绝缘介质层。

5、在一种可能的实现方式中，所述p型离子包括氮离子或磷离子。

6、在一种可能的实现方式中，通过调节离子注入能量和剂量范围，控制注入深度和浓度。

7、在一种可能的实现方式中，所述离子注入剂量范围为1e12至1e14cm-2；所述离子注入能量功率范围为10至40kev。

8、在一种可能的实现方式中，通过控制退火温度、退火时间、还原性气体流量，来控制p型掺杂浓度。

9、在一种可能的实现方式中，所述退火温度范围为800至1100℃，时间范围为1至30分钟，还原性气体流量范围为100至500sccm。

10、在一种可能的实现方式中，所述阴极电极的材料为钛金；所述阳极电极的材料为镍金。

11、第二方面，本发明实施例提供一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管，基于如第一方面中任一项可能的实现方式中的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法制备得到。

12、本发明实施例提供一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管及制备方法，通过将重掺杂n型氧化镓衬底作为n层，在重掺杂n型氧化镓衬底上制备i层，在i层上进行p型离子注入，并利用还原性气体高温退火激活注入离子实现p型掺杂，得到p层。还原性气体通过还原反应将氧化镓内的氧原子析出，使注入的p型离子占据氧的晶格格点，并夺取镓原子的电子，形成空穴，实现p型离子注入掺杂，降低p型掺杂氧化镓制备难度。再制备阴极电极、阳极电极，降低氧化镓pin二极管的制备难度。

1.一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，所述在还原性气氛中对所述p型注入层进行高温热退火，以激活注入的p型离子，制备得到pin结中的p层包括：

3.如权利要求1所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，所述在重掺杂n型氧化镓衬底上表面，制备pin结中的i层包括：

4.如权利要求1所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，所述p型离子包括氮离子或磷离子。

5.如权利要求1所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，通过调节离子注入能量和剂量范围，控制注入深度和浓度。

6.如权利要求5所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，所述离子注入剂量范围为1e12至1e14cm-2；

7.如权利要求1所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，通过控制退火温度、退火时间、还原性气体流量，来控制p型掺杂浓度。

8.如权利要求7所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，所述退火温度范围为800至1100℃，时间范围为1至30分钟，还原性气体流量范围为100至500sccm。

9.如权利要求1所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法，其特征在于，所述阴极电极的材料为钛金；所述阳极电极的材料为镍金。

10.一种基于离子注入还原的氧化镓pin二极管，其特征在于，基于如权利要求1至9中任一项所述的基于离子注入还原的氧化镓pin二极管的制备方法制备得到。