用于半导体材料特性研究的横向肖特基二极管及制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种用于半导体材料特性研究的横向肖特基二极管及制备方法。

背景技术：

1、超宽禁带半导体β-ga2o3可被广泛应用于高压大功率领域，氧化镓单晶材料特性研究，包括本征晶体结构和缺陷类型，是高质量氧化镓外延生长和基于高质量氧化镓材料器件研究的重要基础。目前针对氧化镓单晶材料特性的研究刚刚起步，氧化镓单晶材料的本征晶体结构和缺陷类型的模型尚不完善。

2、氧化镓单晶材料本征晶体结构和缺陷类型的研究方法主要基于光学表征法、第一性原理密度泛函法和电学表征法。光学表征法包含x射线衍射(x-ray diffraction，xrd)、pl光致发光光谱(photoluminescence spectroscopy，pl)、拉曼光谱(raman spectra，raman)、x射线光电子能谱(x-ray photoelectron spectroscopy，xps)、椭偏法等。第一性原理密度泛函法，在氧化镓单晶材料本征晶体结构和缺陷类型实验测得材料参数的基础上，可计算氧化镓材料相应缺陷的形成能、转变能级、迁移势垒、能带、态密度、电荷密度等性质。电学表征法包括基于电容测量(cv)的深能级瞬态谱(deep-level transientspectroscopy，dlts)、电压-电流测量(i-v)等。dlts测试基于被测半导体材料的肖特基二极管(schottky barrier diode，sbd)结构在不同温度下的电容-电压测试(cv)，可以分析出被测材料里的缺陷类型、缺陷密度及其距离导带/价带的能级位置。

3、目前的氧化镓单晶材料生长过程中不可避免的引入硅等杂质，形成非故意掺杂(unintentional doped，uid)的氧化镓单晶材料，其载流子浓度通常较低，在1015～1017cm-3左右。针对该材料的cv测试研究，如dlts研究，无法在此低浓度的uid单晶材料上同时形成肖特基接触和欧姆接触，即无法制备满足dlts测量要求的肖特基二极管结构，并开展基于氧化镓uid单晶材料的dlts测量研究，给氧化镓材料的本征晶体结构和缺陷类型研究带来严重阻碍。

4、目前在氧化镓材料上制作用于材料特性研究的sbd结构包括垂直型和横向型两种。

5、垂直型sbd结构中电流流动方向与材料横截面垂直，通常在材料的外延面(即掺杂浓度在1015～1017cm-3，厚度约在～10μm的外延面)制作肖特基金属电极，高掺衬底面(即掺杂浓度在～1018cm-3，厚度约在～650μm的导电衬底面)制作欧姆金属电极以形成垂直sbd结构。由于氧化镓uid单晶材料非故意掺杂的载流子浓度低，当采用垂直型sbd结构时，其与金属接触可以形成肖特基接触，但很难形成欧姆接触。虽可通过离子注入形成欧姆接触，但其固有的材料厚度(通常≥500μm)对应的体电阻，会导致在肖特基接触电极和欧姆电极之间引入较大的串联电阻rs。这会引起两个问题：①由于串联电阻rs的分压作用，外加偏压无法大部分施加在阳极肖特基结上，而肖特基结电容是直接表现氧化镓uid单晶材料特性的电容；②由于电容测试对相位变化敏感，不可忽略的串联电阻rs会导致cv测试时施加在肖特基二极管上的交流电压信号和流过的交流电流之间产生附加的相位偏移，从而导致cv测试结果较大的误差甚至错误，所以利用垂直型sbd结构无法开展基于cv测量的氧化镓uid单晶材料的dlts等电学特性测试。

6、横向型sbd结构中电流流动方向与材料横截面平行，通常肖特基金属电极和欧姆金属电极均在材料片同面。但氧化镓uid材料中非故意掺杂的载流子浓度极低，导致其无法直接与金属形成欧姆接触，虽可采用离子注入的方法增加欧姆区域载流子浓度，但离子注入需制版、光刻、掩膜、离子注入等额外工序，工艺程序复杂，成本较高；且离子注入后需要刻蚀欧姆注入区域以选择合适的浓度区域以形成欧姆接触，但离子注入过程离散性较大，注入区域的随机性较大，往往不能获得理想的欧姆接触；重要的是工艺过程对材料晶体结构造成的损伤和离子注入引入的si等其他元素会不可避免的给氧化镓材料本征特性研究引入非本征的缺陷影响，其测量结果并不能反应实际的氧化镓uid单晶材料特性。

7、综上，现有垂直sbd方案和现有横向sbd方案并不适合氧化镓uid单晶材料基于cv测量的本征晶体结构和缺陷类型的研究。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于半导体材料特性研究的横向肖特基二极管及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种用于半导体材料特性研究的横向肖特基二极管，包括：半导体材料、肖特基接触电极和欧姆接触电极，其中，

3、所述肖特基接触电极和所述欧姆接触电极位于所述半导体材料的同侧表面；

4、所述欧姆接触电极包围所述肖特基接触电极，且所述欧姆接触电极与所述肖特基接触电极之间存在预设间距；

5、所述欧姆接触电极的面积大于所述肖特基接触电极的面积。

6、在本发明的一个实施例中，所述半导体材料包括氧化镓uid单晶材料。

7、在本发明的一个实施例中，所述半导体材料的表面形成有凸起区域和凹陷区域，其中，

8、所述凹陷区域通过刻蚀形成且围绕所述凸起区域；

9、所述肖特基接触电极位于所述凸起区域，所述欧姆接触电极位于所述凹陷区域，且所述欧姆接触电极与所述肖特基接触电极之间的预设间距形成在所述凸起区域。

10、在本发明的一个实施例中，所述肖特基接触电极的形状包括圆形；

11、所述欧姆接触电极的外侧形状包括方形，内侧形状包括圆形。

12、在本发明的一个实施例中，所述肖特基接触电极的直径为400-1000μm；

13、所述欧姆接触电极与所述肖特基接触电极之间的间距距离为10-500μm。

14、在本发明的一个实施例中，所述欧姆接触电极面积为所述肖特基接触电极面积的10-50倍。

15、在本发明的一个实施例中，所述横向肖特基二极管的电容、所述肖特基接触电极的电容、所述欧姆接触电极的电容满足公式：

16、

17、其中，c总为横向肖特基二极管电容，c欧姆为欧姆接触电极电容，c肖特基为肖特基接触电极电容。

18、本发明的另一实施例提供了一种用于半导体材料特性研究的横向肖特基二极管的制备方法，包括步骤：

19、s1、提供半导体材料；

20、s2、根据所述半导体材料的非故意掺杂的载流子浓度计算肖特基接触区域面积；在满足欧姆接触区域面积大于所述肖特基接触区域面积的约束条件下，利用所述肖特基接触区域面积计算欧姆接触区域面积；利用所述半导体材料(1)的体电阻计算所述肖特基接触区域和所述欧姆接触区域之间的间距；

21、s3、根据所述欧姆接触区域面积，在所述半导体材料表面定义所述欧姆接触区域，并光刻、刻蚀所述欧姆接触区域；

22、s4、在刻蚀的所述欧姆接触区域制作欧姆接触电极；

23、s5、根据所述肖特基接触区域面积和所述预设间距，在所述半导体材料表面制作肖特基接触电极，使得所述欧姆接触电极包围所述肖特基接触电极，且所述欧姆接触电极与所述肖特基接触电极之间满足预设间距的要求。

24、在本发明的一个实施例中，步骤s2包括：

25、在深能级瞬态谱测试的电容范围内选取目标电容值，并依据所述半导体材料已知载流子浓度下的单位面积电容和所述目标电容值计算所述肖特基接触区域面积：

26、

27、其中，s为肖特基接触区域面积，c阳极为目标电容值，c′为半导体材料已知载流子浓度下的单位面积电容，r阳极为肖特基接触区域半径；

28、利用所述肖特基接触区域面积确定所述欧姆接触区域面积，其中，所述欧姆接触区域面积为所述肖特基接触区域面积的10-50倍；

29、计算所述肖特基接触区域和所述欧姆接触区域之间半导体材料(1)的体电阻，其中，所述半导体材料(1)的电容测试与电容实际值相等时满足如下条件：

30、

31、(需满足rsg≤10-4)

32、当满足c≈cp时，存在如下关系：

33、ωrsc≈ωrscp≤10-4，ω＝2πf

34、其中，cp为电容测试值，c为电容实际值，g为电容实际值下对应的电导实际值，rs为肖特基接触区域和欧姆接触区域之间半导体材料的体电阻，f为测试频率；

35、利用所述半导体材料的体电阻计算所述肖特基接触区域和所述欧姆接触区域之间的预设间距，其中，所述半导体材料的体电阻与所述预设间距遵循如下关系：

36、

37、其中，为半导体材料的方阻，l为肖特基接触区域和欧姆接触区域之间的预设间距。

38、在本发明的一个实施例中，步骤s3中刻蚀所述欧姆接触区域包括：

39、利用icp刻蚀工艺、plasma轰击工艺或激光刻蚀工艺刻蚀所述欧姆接触区域。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果：

41、1、本发明的肖特基二极管中，欧姆接触电极包围肖特基接触电极，欧姆接触电极与肖特基接触电极之间存在预设间距，且欧姆接触电极的面积大于肖特基接触电极的面积，该结构可有效降低半导体材料特性研究中，器件体材料和欧姆接触所引起的寄生电阻、电容对肖特基区域电容特性的影响，测量结果直接表现为半导体材料的本征特性；且不受材料载流子浓度的限制，结构简单，易于制作，为半导体材料，尤其是非故意掺杂、低掺杂浓度半导体材料的dlts测量研究、基于半导体材料的器件电特性研究、材料本征特性研究提供了有效的解决方案。

42、2、本发明的优化设计的器件结构中，通过刻蚀欧姆接触区域，可以有效增加半导体材料本征的悬挂键和欧姆接触面积，增加欧姆隧穿效应，有效实现欧姆接触的同时进一步降低欧姆接触电阻；且该方法不受限于离子注入形成欧姆接触的工艺复杂性和欧姆接触不确定性，避免了离子注入工艺过程引入的si等其他元素给材料本征特性研究带来非本征缺陷的影响，有效表达了所研究半导体材料的本征特性。