高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管及其制作方法技術

本發明專利技術公開了一種高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管結構，自下而上包括高摻雜n型Ga

Gallium oxide Schottky diode with high breakdown voltage and manufacturing method thereof

The invention discloses a gallium oxide Schottky diode structure with high breakdown voltage, which comprises a highly doped n type Ga from bottom to top

【技術實現步驟摘要】
高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管及其制作方法
本專利技術屬于半導體器件
，具體的說是一種肖特基二極管器件結構及制作方法，可用于高速集成電路和微波技術。
技術介紹
Ga2O3半導體材料作為新近發展起來的寬禁帶半導體材料，以其禁帶寬度大、擊穿場強高、導通電阻小等特點引起人們廣泛的興趣，由于它的禁帶寬度比較大，因此可以制備大功率器件和高壓開關器件，而較高的遷移率也保證了器件具有較高的響應速度。因此基于Ga2O3材料的電力電子器件具有非常廣泛的軍用和民用前景。2015年，KoheiSasaki等人采用場板結構，實現了擊穿電壓達920V的肖特基二極管，參考KoheiSasaki,MasatakaHigashiwaki,KenGotoetal,FirstDemonstrationofβ-Ga2O3SchoottkyBarrierDiodewithFieldPlateEdgeTermination,2015InternationalConferenceonSolidStateDevicesandMaterials,Sapporo,2015,pp1076～1077。同年，MasayaOda等人利用噴霧化學氣相沉積法制作的肖特基二極管勢壘高度為1.7eV～2.0eV，開態電流與漏電流的比率達到1016,參考MasayaOda,JunjirohKikawa,etal,VerticalSchottkyBarrierDiodesofα-Ga203FabricatedbyMistEpitaxy,IEEEDeviceResearchConference(DRC),201573rdAnnual,p137～138。也是這一年，ToshiyukiOishi等人制作出了霍爾電子遷移率達到886cm2/(V·s)，高于以往文獻提及的霍爾電子遷移率，參考ToshiyukiOishi,YutaKogaetal,High-mobilityβ-Ga2O3(201)singlecrystalsgrownbyedge-definedfilm-fedgrowthmethodandtheirSchottkybarrierdiodeswithNicontact,TheJapanSocietyofAppliedPhysics·AppliedPhysicsExpress,Volume8,Number3,2015。而且，MasatakaHigashiwaki等人也在這一年用氫化物氣相外延(HVPE)的方法制作出的肖特基二極管，其理想因子達到1.02,參考MasatakaHigashiwaki,KoheiSasaki,Ga2O3SchottkyBarrierDiodeswithn-Ga2O3DriftLayersGrownbyHVPE，IEEEDeviceResearchConference(DRC),201573rdAnnual，p23～30。在電力電子系統中，電力電子器件的特性對系統性能的實現和改善起著至關重要的作用。pn結二極管和肖特基二級管(SBD)是最常用的兩種器件，與pn結二極管相比較，肖特基二級管具有頻率高、正向壓降小以及反向恢復時間短的優點，但是肖特基二級管的擊穿電壓在很大程度上取決于結曲率引起的邊緣強電場，因此使得肖特基二級管的擊穿電壓遠小于理想值，故為了降低結邊緣電場，提高器件的實際擊穿電場，各種結終端技術在電力電子器件中得到了廣泛的應用，場限環技術和場板技術是使用最為廣泛的終端技術，但是場限環終端對于界面電荷十分敏感，而場板技術則很難達到很高的反向擊穿電壓。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管及其制作方法，以減小邊緣處的電場強度，提高肖特基二極管的擊穿電壓。本專利技術的技術方案是這樣實現的：一，技術原理由于肖特基電極端處的邊緣效應，使得端處電場比其他地方更高，擊穿點也通常出現在這里。為此，在有機鐵電介質層的邊緣處沉積帶有場板結構的肖特基二極管，不僅使得場板具有調節肖特基邊緣電場分布和提高擊穿電壓的作用，而且在肖特基接觸電極即陽極電極負向偏置電壓不斷增加的情況下時，有機鐵電介質內部形成下表面為負電荷、上表面為正電荷的偶極子，從而對半導體材料中的電子產生排斥的作用，使得陽極電極邊緣處的載流子濃度減小，電場也隨之減小，進而提高器件的擊穿電壓。為此，可通過在氧化鎵外延層與陰極電極的邊緣之間制備一層有機鐵電介質層，將氧化鎵外延層與陰極電極的邊緣進行隔離，能有效減小邊緣處的電場強度，從而達到提升整個肖特基二極管擊穿電壓的效果。二.實現方案：1.一種高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管，自下而上包括高摻雜n型Ga2O3襯底1和低摻雜n型Ga2O3外延層2和陽極電極4，襯底1的下表面沉積有陰極電極5，陽極電極4與n型Ga2O3外延層2形成肖特基接觸，陰極電極5與高摻雜n型Ga2O3襯底1形成歐姆接觸，其特征在于：外延層2的上表面沉積有有機鐵電介質層3，在有機鐵電介質層3刻蝕有一個圓形孔，陽極電極4沉積在有機鐵電介質層3的孔內，孔的邊緣沉積有場板6，該場板6位于有機鐵電介質層3之上，且與陽極電極4連接；所述有機鐵電介質3包括偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)、銀納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物Ag-P(VDF-TrFE)、硫化鋅納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ZnS-P(VDF-TrFE)和鈦酸銅鈣納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物CCTO-P(VDF-TrFE)在內的薄膜介質材料，其厚度為300～500nm。2.一種制作高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管的器件的方法，包括如下步驟：(1)對已外延生長Ga2O3材料的樣品進行有機清洗，然后放入HF:H2O＝1:1的溶液中腐蝕30-60s，最后用流動的去離子水清洗，并用高純氮氣吹干；(2)將清洗好的Ga2O3材料正面朝下放入ICP刻蝕反應室中進行刻蝕，使Ga2O3材料的下表面平整；(3)將刻蝕好的Ga2O3材料正面朝下放入電子束蒸發臺中蒸發金屬Ti/Au并進行剝離，再在氮氣環境中進行550℃的60s快速熱退火，形成陰極歐姆接觸電極，其中Ti厚度為20-50nm，Au厚度為100-200nm；(4)將配置好的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)溶液以3000rpm的轉速旋涂到氧化鎵外延層上，并在150℃的烘箱中烘烤5分鐘，形成穩定的P(VDF-TrFE)介質薄膜，重復該過程3～5次，形成介質薄膜厚度達到300～500nm的樣品；(5)對樣品的正面進行光刻，形成鐵電材料P(VDF-TrFE)絕緣層的刻蝕窗口區，窗口的直徑為150μm～250μm；(6)對光刻好的樣品放入ICP刻蝕反應室中進行刻蝕，去除刻蝕窗口區的鐵電材料P(VDF-TrFE)絕緣層，形成陽極電極及場板區域；(7)將光刻好的樣品放入等離子體反應室中去除光刻膠掩膜，再放入電子束蒸發臺中蒸發Ni/Au并進行剝離，金屬Ni厚度為20nm-50nm，金屬Au厚度為300nm-500nm，完成整體器件的制備。本專利技術具有如下的優點：器件性能好。本專利技術由于采用有機鐵電介質將陽極電極邊緣和外延層隔離，形成場板結構，使得有機鐵電介質層上面的場板不僅具有調節陽極電極邊緣處電場的作本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管，自下而上包括高摻雜n型Ga

【技術特征摘要】
1.一種高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管，自下而上包括高摻雜n型Ga2O3襯底(1)和低摻雜n型Ga2O3外延層(2)和陽極電極(4)，襯底(1)的下表面沉積有陰極電極(5)，陽極電極(4)與n型Ga2O3外延層(2)形成肖特基接觸，陰極電極(5)與高摻雜n型Ga2O3襯底(1)形成歐姆接觸，其特征在于：外延層(2)的上表面沉積有有機鐵電介質層(3)，在有機鐵電介質層(3)刻蝕有一個圓形孔，陽極電極(4)沉積在有機鐵電介質層(3)的孔內，孔的邊緣沉積有場板(6)，該場板(6)位于有機鐵電介質層(3)之上，且與陽極電極(4)連接；所述有機鐵電介質(3)包括偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)、銀納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物Ag-P(VDF-TrFE)、硫化鋅納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物ZnS-P(VDF-TrFE)和鈦酸銅鈣納米顆粒摻雜的偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物CCTO-P(VDF-TrFE)在內的薄膜介質材料，其厚度為300～500nm。2.根據權利要求1所述的二極管，其特征在于：高摻雜n型Ga2O3襯底(1)的載流子濃度為1018～1020cm-3，厚度大于1μm；低摻雜n型Ga2O3外延層(2)的載流子濃度為1014cm-3～1016cm-3，厚度大于1μm。3.根據權利要求1所述的二極管，其特征在于：陽極電極(4)采用Pt、Ni、Au、Pd、Mo、W和TaN中的一種或多種；陰極電極(5)采用Ti、Al、In、Au中的一種或多種。4.根據權利要求1所述的二極管，其特征在于：場板(6)的長度為1μm～3μm。5.根據權利要求1所述的二極管，其特征在于：場板(6)采用的材料與陽極電極(4)的材料相同。6.根據權利要求1所述的二極管，其特征在于：有機鐵電介質層(3)的圓形孔孔徑D為150μm～250μm。7.一種制作高擊穿電壓氧化鎵肖特基二極管的器件的方法，包括如下步驟：(1)對已外延生長Ga2O3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馮倩，李翔，韓根全，黃璐，方立偉，邢翔宇，張進成，郝躍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61