一种金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管及制备方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管及制备方法。

背景技术：

1、氮化镓(gan)由于其宽带隙、高电子饱和漂移速度、高击穿场强度和高导热率等优良的材料性能，被广泛应用于下一代半导体功率器件。目前的gan材料目前主要通过异质外延制备，蓝宝石、碳化硅、硅衬底为目前主流的异质衬底。在这些材料中，碳化硅衬底与gan材料相比，晶体结构相同且晶格失配度较低，因此非常适合于gan材料的异质外延，能够较好地实现低缺陷密度的gan外延片。蓝宝石衬底和si衬底也有着各自的优势但热导率均较差，在大功率领域中的应用受到限制。随着基于gan微波功率器件向更小尺寸、更大输出功率和更高频率的方向发展，上述所提出的异质衬底的导热性能有限，金刚石衬底以其更高的热导率让金刚石基gan异质集成微波功率器件比采用传统衬底制造的氮化镓器件拥有更加优异的性能。

2、氮化镓肖特基二极管目前主流研究方向为横向结构和垂直结构。横向gan二极管可充分利用algan/gan异质结沟道中存在的二维电子气(2deg)，实现低导通电阻和高耐压工作。横向结构目前大多异质外延生长在蓝宝石、si、sic等异质衬底上，但异质材料之间存在较大的晶格失配会导致较大的的漏电流和提前击穿问题。针对该问题，目前的横向肖特基势垒二极管大多在异质衬底和gan层之间引入较厚的缓冲层、成核层等多层结构减缓氮化镓和异质衬底之间的应力，提高反向击穿电压。

3、大多数情况下，横向肖特基势垒二极管的击穿是由于阳极耗尽区下方的电子电流流入到绝缘缓冲层中所引起的，即空间电荷注入到缓冲层中或电子溢出到缓冲层中，也称为缓冲层穿通效应。目前的横向肖特基势垒二极管电子被沟道上方的algan顶势垒层很好地限制，但是由于采用微米级gan缓冲层，沟道下方的势垒较低，载流子限域性较弱，电子很容易溢出到势垒较低的缓冲层中，即使在较低的漏压下器件也有可能被击穿，二极管的击穿性能仍远远低于材料理论性能。另外，目前的横向肖特基势垒二极管虽然采用导电率良好的金刚石基用于散热，但是微米级厚度的缓冲层/成核层阻碍了器件通道向衬底之间的热流传递，削弱了金刚石作导热率极好的衬底的优势，未能充分发挥出金刚石级功率器件在大功率应用中的优势。

4、因此，实现高击穿电压、高耐热功率的氮化镓肖特基势垒二极管成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管及制备方法。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金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管，包括：金刚石衬底层、sic外延层、aln成核层、aigan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层、钝化层、阳极和阴极，其中，

3、所述金刚石衬底层、所述外延层、所述aln成核层、所述aigan缓冲层、所述gan沟道层、所述algan势垒层依次层叠；所述aln成核层、所述aigan缓冲层、所述gan沟道层的厚度均为纳米级，且所述aln成核层和所述aigan缓冲层的厚度之和为纳米级；

4、所述阳极位于所述algan势垒层的表面，且与所述algan势垒层之间形成肖特基势垒；

5、所述阴极位于所述algan势垒层的表面，且与所述阳极相距一定距离，所述阴极与所述algan势垒层之间形成欧姆接触；

6、所述钝化层位于所述阳极和所述阴极之间的所述algan势垒层表面，且所述钝化层的侧面与所述阳极的侧面、所述阴极的侧面均接触。

7、在本发明的一个实施例中，所述aln成核层的厚度为20-50nm。

8、在本发明的一个实施例中，所述aigan缓冲层的材料包括渐变alxga1-xn材料，其中，al组份自所述gan沟道层至所述aln成核层的方向逐渐增大，al组份的变化范围为0-100％；

9、所述aigan缓冲层的厚度为50-200nm。

10、在本发明的一个实施例中，所述aln成核层和所述aigan缓冲层的厚度之和为70-250nm。

11、在本发明的一个实施例中，所述gan沟道层的材料包括非故意掺杂gan，厚度为100nm-500nm。

12、在本发明的一个实施例中，所述algan势垒层的厚度为10nm-100nm。

13、在本发明的一个实施例中，所述金刚石衬底层的厚度为25μm-300μm；

14、所述sic外延层的厚度为20nm-100nm。

15、在本发明的一个实施例中，所述钝化层的材料包括sin、sio2、al2o3、hfo2中的一种或多种，厚度为10nm-30nm。

16、在本发明的一个实施例中，所述阳极包括ni、au、ni的叠层金属，或者ni、au的叠层金属，或者w、au的叠层金属，或者mo、au的叠层金属，每一层金属的厚度为20-200nm，所述阳极的总厚度小于或等于500nm；

17、所述阴极包括ti、al的叠层金属，或者ti、al、ni、au的叠层金属，或者ti、al、mo、au的叠层金属，每一层金属的厚度为15-100nm，所述阴极的总厚度小于或等于200nm。

18、本发明的另一个实施例提供了一种金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管的制备方法，包括步骤：

19、在金刚石衬底层的表面依次生长sic外延层、aln成核层、aigan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层；其中，所述aln成核层、所述aigan缓冲层、所述gan沟道层的厚度均为纳米级，且所述aln成核层和所述aigan缓冲层的厚度之和为纳米级；

20、在所述algan势垒层的表面制备阴极，所述阴极与所述algan势垒层之间形成欧姆接触；然后在所述algan势垒层表面的阳极区域制备阳极，所述阳极与所述阴极之间相距一定距离，且所述阳极与所述algan势垒层之间形成肖特基势垒；

21、在所述algan势垒层、所述阳极与所述阴极的表面制备钝化层，并对所述阳极和所述阴极上的所述钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果：

23、本发明的金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管仅采用纳米级的gan沟道层，并且在gan沟道层与sic外延层之间采用纳米级的aln成核层和aigan缓冲层，并且二者的厚度之和仍为纳米级，相对使用微米级的gan层同时作为缓冲层和沟道层的横向二极管来说，器件产生的热流到衬底之间的距离大大减小，提高了器件的耐热性能，充分发挥出金刚石基功率器件的散热优势；同时，相对于微米级gan缓冲层加几百纳米级的aln或者algan成核层结构的单异质结构，本发明的二极管在纳米级gan沟道层下使用纳米级algan作为二极管的缓冲层，该超薄algan缓冲层与algan势垒层/gan沟道层形成了algan/gan双异质结构，提高载流子限域性，阻止载流子溢出沟道，提高了横向肖特基二极管的耐压能力；因此，本发明实现了高击穿电压、高耐热功率的金刚石基氮化镓肖特基势垒二极管。