一种N极性GaN基整流芯片及其制备方法和应用

一种n极性gan基整流芯片及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及高频整流芯片技术领域，具体涉及一种n极性gan基整流芯片及其制备方法和应用。


背景技术：

2.大功率微波无线能量传输、高性能限幅等应用场景对核心元器件整流二极管的频率和功率特性提出了越来越高的要求。gan材料具有禁带宽度大、击穿场强高等特点，而algan/gan异质结材料通过强极化效应可以产生密度高达10
13
cm2、迁移率高达2000cm2·
v-1
·
s-1
的二维电子气，因此平面结构gan整流二极管在高频领域具有很好的应用前景。
3.然而，当前平面结构gan整流二极管面临巨大的挑战，具体如下：1)受限于异质外延技术，gan材料尤其是n极性gan材料仍然存在相当高密度的位错与缺陷，器件性能难以进一步提升；2)平面结构gan整流二极管属于表面器件，导电沟道离器件表面只有数十纳米，容易受表面态影响而产生电流崩塌，影响器件的高频性能，需要高质量的钝化手段；3)gan材料与金属间具有极高的肖特基势垒，导致二极管的开启电压较高，影响器件效率。
4.因此，开发一种具有频率特性好、势垒层高度小、欧姆接触电阻低、开启电压低等优点的gan基整流芯片具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种n极性gan基整流芯片及其制备方法和应用。
6.本发明所采取的技术方案是：
7.一种n极性gan基整流芯片，其组成包括依次层叠设置的sic衬底、低温n极性gan缓冲层、sin插入层、高温n极性gan缓冲层、algan势垒层、n极性gan沟道层和钝化层，还包括欧姆接触阴极、肖特基接触阳极和t型金属电极；所述欧姆接触阴极和肖特基接触阳极均设置在n极性gan沟道层远离algan势垒层的一面；所述钝化层覆盖欧姆接触阴极和肖特基接触阳极；所述肖特基接触阳极呈t形，且下端穿过n极性gan沟道层与algan势垒层接触；所述欧姆接触阴极和肖特基接触阳极分别连接有t型金属电极。
8.优选的，所述低温n极性gan缓冲层的厚度为700nm～1100nm。
9.优选的，所述sin插入层的厚度为20nm～60nm。
10.优选的，所述高温n极性gan缓冲层的厚度为1600nm～2200nm。
11.优选的，所述algan势垒层的厚度为20nm～30nm。
12.优选的，所述n极性gan沟道层的厚度为90nm～160nm。
13.优选的，所述欧姆接触阴极的组成成分包括ti、al、ni、au中的至少一种。
14.优选的，所述肖特基接触阳极的组成成分包括ti、au中的至少一种。
15.优选的，所述t型金属电极的组成成分包括ti、au、al中的至少一种。
16.优选的，所述钝化层的组成成分包括sin、sio2中的至少一种。
17.一种如上所述的n极性gan基整流芯片的制备方法包括以下步骤：
18.1)在sic衬底上依次外延生长低温n极性gan缓冲层、sin插入层、高温n极性gan缓冲层、algan势垒层和n极性gan沟道层；
19.2)进行光刻、显影和刻蚀，暴露出阴极区域和阳极凹槽区域，再进行蒸镀、剥离和退火形成欧姆接触阴极和t形的肖特基接触阳极；
20.3)生长钝化层；
21.4)进行光刻、显影和刻蚀，再进行蒸镀和剥离形成t型金属电极，即得n极性gan基整流芯片。
22.优选的，步骤1)所述低温n极性gan缓冲层采用脉冲激光沉积(pld)法制备。
23.优选的，步骤1)所述sin插入层采用原子层沉积(ald)法或低压化学气相沉积(lpcvd)法制备。
24.优选的，步骤1)所述高温n极性gan缓冲层、algan势垒层和n极性gan沟道层均采用有机金属化学气相沉积(mocvd)法制备。
25.优选的，步骤2)和步骤4)所述刻蚀的方法为感应耦合等离子体刻蚀(icp)、原子层刻蚀(ale)、湿法刻蚀中的一种。
26.优选的，步骤2)所述退火的气氛为n2气氛。
27.优选的，步骤3)所述钝化层采用化学气相沉积(cvd)法或原子层沉积(ald)法制备。
28.一种电子设备，其组成包括上述n极性gan基整流芯片。
29.本发明的有益效果是：本发明的n极性gan基整流芯片具有频率特性好、势垒层高度小、欧姆接触电阻低、开启电压低等优点，其可以有效提升射频前端整流效率，适合在微波能量传输、探测、通信等领域进行大规模推广应用。
30.具体来说：
31.1)本发明的n极性gan基整流芯片使用n极性gan作为沟道层，相较于普通的ga极性沟道层，n极性器件可以灵活控制导电沟道与器件表面的距离，进而可以提升芯片的频率特性；
32.2)本发明在n极性gan沟道层上直接形成欧姆接触和肖特基接触，可以有效降低势垒层高度，最终可以得到具有低欧姆接触电阻和低开启电压的整流芯片；
33.3)本发明的n极性gan基整流芯片中引入了sin插入层，可以有效降低gan材料的缺陷密度及表面粗糙度。
附图说明
34.图1为本发明的n极性gan基整流芯片的结构示意图。
35.附图标识说明：10、sic衬底；20、低温n极性gan缓冲层；30、sin插入层；40、高温n极性gan缓冲层；50、algan势垒层；60、n极性gan沟道层；70、欧姆接触阴极；80、肖特基接触阳极；90、钝化层；100、t型金属电极。
36.图2为实施例1的步骤7)制备得到的外延片的半高宽示意图。
37.图3为实施例1的n极性gan基整流芯片的正向i-v特性曲线。
38.图4为对比例的常规整流芯片的正向i-v特性曲线。
具体实施方式
39.下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
40.实施例1：
41.一种n极性gan基整流芯片(结构示意图如图1所示)，其组成包括依次层叠设置的sic衬底10、低温n极性gan缓冲层20、sin插入层30、高温n极性gan缓冲层40、algan势垒层50、n极性gan沟道层60和钝化层90，还包括欧姆接触阴极70、肖特基接触阳极80和t型金属电极100；欧姆接触阴极70和肖特基接触阳极80均设置在n极性gan沟道层60远离algan势垒层50的一面；钝化层90覆盖欧姆接触阴极70和肖特基接触阳极80；肖特基接触阳极80呈t形，且下端穿过n极性gan沟道层60与algan势垒层50接触；欧姆接触阴极70和肖特基接触阳极80分别连接有t型金属电极100。
42.上述n极性gan基整流芯片的制备方法包括以下步骤：
43.1)衬底选取：采用6h-sic衬底，选取c面为外延面；
44.2)衬底清洗：将6h-sic衬底放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除6h-sic衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；
45.3)生长低温n极性gan缓冲层：采用pld技术在6h-sic衬底上生长厚度为1000nm的低温n极性gan缓冲层，衬底温度为250℃，氮的等离子体流量为3.5sccm，rf活化功率为450w；pld技术中衬底转速为10r/min，靶基距为5cm，激光波长为248nm，激光能量为250mj/p，频率为20hz；ga源为gan靶材，纯度为99.99％；
46.4)生长sin插入层：采用ald技术在低温n极性gan缓冲层上生长厚度为30nm的sin插入层；
47.5)生长高温n极性gan缓冲层：采用mocvd技术在sin插入层上生长厚度为2000nm的高温n极性gan缓冲层，反应室的温度为1100℃，反应室的压力为200torr；
48.6)生长algan势垒层：采用mocvd技术在高温n极性gan缓冲层上生长厚度为22nm的algan势垒层，反应室的温度为1200℃，反应室的压力为200torr；
49.7)生长n极性gan沟道层：采用mocvd技术在algan势垒层上生长厚度为100nm的n极性gan沟道层，反应室的温度为1200℃，反应室的压力为200torr，外延结构生长完成，得到外延片；
50.8)清洗外延片：将外延片放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；
51.9)外延片上涂覆光刻胶，光刻、显影后暴露出台面隔离区域及标记点区域；
52.10)对台面隔离及标记点区域进行icp刻蚀，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀时间为150s；
53.11)旋涂光刻胶，对外延片进行曝光、显影，暴露出有源区内阴极区域；
54.12)蒸镀、剥离金属并退火形成欧姆接触阴极，退火的气氛为n2气氛，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为40℃/s，欧姆接触阴极的材质为ti、al、ni、au形成的合金；
55.13)旋涂光刻胶，对外延片进行曝光、显影，暴露出有源区内阳极区域；
56.14)对阳极区域进行icp刻蚀，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀时间为100s，重新旋涂光刻胶，光刻、显影、蒸
镀、剥离金属并退火形成t型的肖特基接触阳极，退火的气氛为n2气氛，退火温度为550℃，保温时间为3min，升温速率为15℃/s，肖特基接触阳极的材质为ti、au形成的合金；
57.15)生长sin层并进行钝化，形成sin钝化层，然后光刻、刻蚀引出阴极、阳极的金属电极形成t型金属电极，刻蚀反应气体为sf6，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀速率为1nm/s，t型金属电极的材质为ni、au形成的合金，即得n极性gan基整流芯片。
58.性能测试：
59.本实施例的步骤7)制备得到的外延片的半高宽示意图如图2所示，本实施例的n极性gan基整流芯片的正向i-v特性曲线如图3所示。
60.由图2和图3可知：gan的(002)和(102)面半高宽分别为324弧秒和370弧秒，本实施例的n极性gan基整流芯片的开启电压仅0.2v，表现出优秀的材料特性与电学特性。
61.实施例2：
62.一种n极性gan基整流芯片，其结构同实施例1。
63.上述n极性gan基整流芯片的制备方法包括以下步骤：
64.1)衬底选取：采用4h-sic衬底，选取c面为外延面；
65.2)衬底清洗：将4h-sic衬底放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除4h-sic衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；
66.3)生长低温n极性gan缓冲层：采用pld技术在4h-sic衬底上生长厚度为800nm的低温n极性gan缓冲层，衬底温度为250℃，氮的等离子体流量为3.5sccm，rf活化功率为450w；pld技术中衬底转速为10r/min，靶基距为5cm，激光波长为248nm，激光能量为250mj/p，频率为20hz；ga源为gan靶材，纯度为99.99％；
67.4)生长sin插入层：采用ald技术在低温n极性gan缓冲层上生长厚度为50nm的sin插入层；
68.5)生长高温n极性gan缓冲层：采用mocvd技术在sin插入层上生长厚度为1800nm的高温n极性gan缓冲层，反应室的温度为1100℃，反应室的压力为200torr；
69.6)生长algan势垒层：采用mocvd技术在高温n极性gan缓冲层上生长厚度为25nm的algan势垒层，反应室的温度为1200℃，反应室的压力为200torr；
70.7)生长n极性gan沟道层：采用mocvd技术在algan势垒层上生长厚度为150nm的n极性gan沟道层，反应室的温度为1200℃，反应室的压力为200torr，外延结构生长完成，得到外延片；
71.8)清洗外延片：将外延片放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；
72.9)外延片上涂覆光刻胶，光刻、显影后暴露出台面隔离区域及标记点区域；
73.10)对台面隔离及标记点区域进行icp刻蚀，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀时间为200s；
74.11)旋涂光刻胶，对外延片进行曝光、显影，暴露出有源区内阴极区域；
75.12)蒸镀、剥离金属并退火形成欧姆接触阴极，退火的气氛为n2气氛，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为40℃/s，欧姆接触阴极的材质为ti、al、ni、au形成的合金；
76.13)旋涂光刻胶，对外延片进行曝光、显影，暴露出有源区内阳极区域；
77.14)对阳极区域进行icp刻蚀，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀时间为150s，重新旋涂光刻胶，光刻、显影、蒸镀、剥离金属并退火形成t型的肖特基接触阳极，退火的气氛为n2气氛，退火温度为550℃，保温时间为3min，升温速率为15℃/s，肖特基接触阳极的材质为ti、au形成的合金；
78.15)生长sin层并进行钝化，形成sin钝化层，然后光刻、刻蚀引出阴极、阳极的金属电极形成t型金属电极，刻蚀反应气体为sf6，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀速率为1nm/s，t型金属电极的材质为ni、au形成的合金，即得n极性gan基整流芯片。
79.经测试(测试方法同实施例1)，本实施例的步骤7)制备得到的外延片的半高宽测试结果与实施例1类似，且本实施例的n极性gan基整流芯片的i-v特性曲线与实施例1类似，开启电压仅0.25v，同样表现出优秀的材料特性与电学特性。
80.对比例：
81.一种常规整流芯片，其制备方法包括以下步骤：
82.1)衬底选取：采用4h-sic衬底，选取si面为外延面；
83.2)衬底清洗：将4h-sic衬底放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除4h-sic衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；
84.3)生长gan缓冲层：采用mocvd技术在4h-sic衬底上生长厚度为800nm的gan缓冲层，反应室的温度为1100℃，反应室的压力为200torr；
85.4)生长gan沟道层：采用mocvd技术在gan缓冲层上生长厚度为150nm的gan沟道层，反应室的温度为1200℃，反应室的压力为200torr；
86.5)生长algan势垒层：采用mocvd技术在gan沟道层上生长厚度为25nm的algan势垒层，反应室的温度为1200℃，反应室的压力为200torr，外延结构生长完成，得到外延片；
87.6)清洗外延片：将外延片放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；
88.7)外延片上涂覆光刻胶，光刻、显影后暴露出台面隔离区域及标记点区域；
89.8)对台面隔离及标记点区域进行icp刻蚀，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀时间为200s；
90.9)旋涂光刻胶，对外延片进行曝光、显影，暴露出有源区内阴极区域；
91.10)蒸镀、剥离金属并退火形成欧姆接触阴极，退火的气氛为n2气氛，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为40℃/s，欧姆接触阴极的材质为ti、al、ni、au形成的合金；
92.11)旋涂光刻胶，对外延片进行曝光、显影，暴露出有源区内阳极区域；
93.12)对阳极区域进行icp刻蚀，刻蚀反应气体为cl2和bcl3混合气体，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功率为50w，刻蚀时间为150s，重新旋涂光刻胶，光刻、显影、蒸镀、剥离金属并退火形成t型的肖特基接触阳极，退火的气氛为n2气氛，退火温度为550℃，保温时间为3min，升温速率为15℃/s，肖特基接触阳极的材质为ti、au形成的合金；
94.13)生长sin层并进行钝化，形成sin钝化层，然后光刻、刻蚀引出阴极、阳极的金属电极形成t型金属电极，刻蚀反应气体为sf6，压强为5mtorr，上射频功率为300w，下射频功
率为50w，刻蚀速率为1nm/s，t型金属电极的材质为ni、au形成的合金，即得常规整流芯片。
95.性能测试：
96.本对比例的常规整流芯片的正向i-v特性曲线如图4所示。
97.由图4可知：本对比例的常规整流芯片的开启电压为0.5v，明显高于实施例1和实施例2的n极性gan基整流芯片，说明其电学特性明显更差。
98.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。