同型异质结构IMPATT二极管及其制作方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010650711.9 (22)申请日 2020.07.08 (71)申请人 西北大学 地址 710069 陕西省西安市太白北路229号 (72)发明人 戴扬卢昭阳雷晓艺张云尧 廖晨光张涵贠江妮马晓龙 赵武张志勇陈晓江 (74)专利代理机构 西安众和至成知识产权代理 事务所(普通合伙) 61249 代理人 强宏超 (51)Int.Cl. H01L 29/864(2006.01) H01L 29/207(2006.01) H01L 29/205(2006.01) H01L 2。

2、9/20(2006.01) H01L 21/329(2006.01) (54)发明名称 一种同型异质结构IMPATT二极管及其制作 方法 (57)摘要 本发明公开一种同型异质结构IMPATT二极 管及其制作方法， IMPATT二极管包括由下往上依 次设置的n型GaN衬底、 n+GaN阴极欧姆接触层、 nGaN漂移区、 n+GaN雪崩区、 n+InGaN阳极欧 姆接触层和阳极； 钝化层位于阳极外部， 阴极位 于n+GaN阴极欧姆接触层2形成的环形台面上 层并位于钝化层外部； 采用了同型异质材料， 与 传统基于GaN的IMPATT二极管相比， 避免了P型 GaN掺杂工艺的限制， 随着InGaN材料。

3、的掺杂浓度 的升高， IMPATT二极管的效率也随之线性升高， 实现了高转换效率； 采用了同为n型的半导体材 料， 即都为n型掺杂， 制造工艺上提高了效率， 降 低制造成本， 同时和传统的IMPATT二极管封装工 艺完全兼容。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 111739946 A 2020.10.02 CN 111739946 A 1.一种同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 包括由下往上依次设置的n型GaN衬 底(1)、 n+-GaN阴极欧姆接触层(2)、 n-GaN漂移区(3)、 n+-GaN雪崩区(4)、 n+-InGaN阳极欧 姆接触层(5)和阳极(6)； 钝化。

4、层(7)位于阳极(6)外部， 阴极(8)位于n+-GaN阴极欧姆接触层2形成的环形台面 上层并位于钝化层(7)外部。 2.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 所述n+-GaN阴极 欧姆接触层(2)材料为n+-GaN， 厚度为12 m， 掺杂浓度为0.05101811020cm-3， 下端 有刻蚀形成的环形台面， 厚度为10100nm3。 3.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 所述n-GaN漂移区 (3)材料为n-GaN， 厚度为0.55 m， 掺杂浓度为0.111017cm-3。 4.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT。

5、二极管， 其特征在于： 所述n+-GaN雪崩区 (4)材料为n+-GaN， 厚度为0.12 m， 掺杂浓度为0.151018cm-3。 5.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 所述n+-InGaN阳 极欧姆接触层(5)材料为n+-InGaN， 厚度为10100nm， In组分为15以上， 掺杂浓度为 0.0511020cm-3。 6.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 所述阳极(6)包括 Ti、 Al、 Ni和Au金属层， 总厚度为100nm200nm。 7.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 所述。

6、阴极(8)包括 Ti、 Al、 Ni和Au金属层， 总厚度为100nm200nm。 8.根据权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管， 其特征在于： 所述钝化层(7)材 料为SiN， 相对介电常数范围为10200， 厚度为n+-GaN阴极欧姆接触层(2)、 n-GaN漂移区 (3)、 n+-GaN雪崩区(4)、 n+-InGaN阳极欧姆接触层(5)、 阳极(6)厚度之和。 9.一种权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管的制备方法， 其特征在于包括如 下步骤： S1、 选取SiC衬底片作为初始材料， 形成n型GaN衬底(1)； S2、 在n型GaN衬底(1)上采用金属有机物化学气相。

7、淀积MOCVD方法向外延生长出n+- GaN阴极欧姆接触层(2)； S3、 在n+-GaN阴极欧姆接触层(2)上利用MOCVD方法外延生长出n-GaN漂移区(3)； S4、 在n-GaN漂移区(3)上利用MOCVD方法外延生长出n+-GaN雪崩区(4)； S5、 在n+-GaN雪崩区(4)上利用MOCVD方法外延生长出n+-InGaN阳极欧姆接触层(5)； S6、 采用刻蚀技术对所述n+-GaN阴极欧姆接触层(2)、 n-GaN漂移区(3)、 n+-GaN雪崩区 (4)和n+-InGaN阳极欧姆接触层(5)进行刻蚀， 从而在所述n型GaN衬底(1)的上表面形成环 形台面； S7、 在n+-In。

8、GaN阳极欧姆接触层(5)的上表面上淀积Ti、 Al、 Ni和Au多层金属， 采用金 属剥离技术形成阳极(6)； S8、 利用射频磁控溅射设备在n+-GaN阴极欧姆接触层(2)正面淀积形成SiN钝化层 (7)； S9、 在所述n+-GaN阴极欧姆接触层(2)环形台面上淀积Ti、 Al、 Ni和Au多层金属， 采用 金属剥离技术形成阴极(8)； 进行快速热退火处理， 使n+-GaN阴极欧姆接触层(2)与n型GaN 权利要求书 1/2 页 2 CN 111739946 A 2 衬底(1)之间、 n+-InGaN阳极欧姆接触层(5)与阳极(6)之间形成欧姆接触。 权利要求书 2/2 页 3 CN 1。

9、11739946 A 3 一种同型异质结构IMPATT二极管及其制作方法 技术领域 0001 本发明属于半导体技术领域， 涉及一种同型异质结构IMPATT二极管及其制作方 法。 背景技术 0002 各种各样结构形式的IMPATT器件在一个宽的频率范围(1-400GHz)作为主要的发 射源被广泛地使用。 IMPATT二极管在给定频率上的最大输出功率与所采用材料的材料特性 有很大的关系。 相比较传统半导体材料(Si和GaAs)， GaN在频率和输出功率方面拥有优异的 性能， GaN基的IMPATT二极管在太赫兹领域(100GHz10THz)拥有广阔的应用前景。 0003 传统结构GaN基IMPAT。

10、T器件设计中PN结的P型掺杂的浓度对工作性能的影响很大。 P型GaN因为工艺制造技术的不成熟， 很难形成高质量的P型欧姆接触。 首先， GaN材料的禁带 宽度太大， 为3.4eV， 目前工艺上可用的金属功函数典型值一般在4到5eV左右， 很难形成较 低的金属-P型GaN势垒高度差。 其次传统的基于GaN的IMPATT二极管n+-InGaN阳极欧姆接 触层材料为GaN， P型GaN材料掺杂工艺受限， 很难获得GaN基IMPATT二极管P区的高掺杂浓 度， 会使得其串联电阻较为显著， P型GaN欧姆接触电阻只能控制在10-410-5cm2数量 级之间， 从而导致传统结构GaN基IMPATT二极管的。

11、性能受到较大的限制。 在形成欧姆接触的 前提下， 随着P型区掺杂浓度的增高， GaN基IMPATT的直流-交流转换效率基与P型浓度基本 是成线性正比关系的。 当浓度大于某个值的时候， 器件的直流-交流转换效率会达到某个饱 和值， IMPATT雪崩过程由于掺杂浓度的限制导致产生电子-空穴对饱和， 影响了IMPATT的输 出效率。 0004 若采用肖特基结一方面确实可以消除GaN基IMPATT的PN结的串联电阻效应， 提高 效率， 另一方面避免了上述P型掺杂难题， 但肖特基二极管本身的电流高、 使用环境温度过 高、 压降不匹配线路的要求， 导致其反向漏电大， 影响了IMPATT工作性能， 不能得到。

12、理想的 转换效率性能。 发明内容 0005 针对上述现有技术中存在的问题， 本发明的目的在于提供一种同型异质结构 IMPATT二极管及其制作方法， 具有转换效率高， 制造工艺简单， 制造成本低的优点。 0006 为实现上述目的， 本发明所采用的技术方案是： 0007 一种同型异质结构IMPATT二极管， 包括由下往上依次设置的n型GaN衬底、 n+-GaN 阴极欧姆接触层、 n-GaN漂移区、 n+-GaN雪崩区、 n+-InGaN阳极欧姆接触层和阳极； 0008 钝化层位于阳极外部， 阴极位于n+-GaN阴极欧姆接触层2形成的环形台面上层并 位于钝化层外部。 0009 进一步， 所述n+-G。

13、aN阴极欧姆接触层材料为n+-GaN， 厚度为12 m， 掺杂浓度为 0.05101811020cm-3， 下端有刻蚀形成的环形台面， 厚度为10100nm3。 0010 进一步， 所述n-GaN漂移区材料为n-GaN， 厚度为0.55 m， 掺杂浓度为0.11 说明书 1/5 页 4 CN 111739946 A 4 1017cm-3。 0011 进一步， 所述n+-GaN雪崩区材料为n+-GaN， 厚度为0.12 m， 掺杂浓度为0.15 1018cm-3。 0012 进一步， 所述n+-InGaN阳极欧姆接触层材料为n+-InGaN， 厚度为10100nm， In 组分为15以上， 掺杂。

14、浓度为0.0511020cm-3。 0013 进一步， 所述阳极包括Ti、 Al、 Ni和Au金属层， 总厚度为100nm200nm。 0014 进一步， 所述阴极包括Ti、 Al、 Ni和Au金属层， 总厚度为100nm200nm。 0015 进一步， 所述钝化层材料为SiN， 相对介电常数范围为10200， 厚度为n+-GaN阴 极欧姆接触层、 n-GaN漂移区、 n+-GaN雪崩区、 n+-InGaN阳极欧姆接触层、 阳极厚度之和。 0016 一种权利要求1所述的同型异质结构IMPATT二极管的制备方法， 包括如下步骤： 0017 S1、 选取SiC衬底片作为初始材料， 形成n型GaN衬。

15、底； 0018 S2、 在n型GaN衬底上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法向外延生长出n+- GaN阴极欧姆接触层； 0019 S3、 在n+-GaN阴极欧姆接触层上利用MOCVD方法外延生长出n-GaN漂移区； 0020 S4、 在n-GaN漂移区上利用MOCVD方法外延生长出n+-GaN雪崩区； 0021 S5、 在n+-GaN雪崩区上利用MOCVD方法外延生长出n+-InGaN阳极欧姆接触层； 0022 S6、 采用刻蚀技术对所述n+-GaN阴极欧姆接触层、 n-GaN漂移区、 n+-GaN雪崩区和 n+-InGaN阳极欧姆接触层进行刻蚀， 从而在所述n型GaN衬底的上表面形成环。

16、形台面； 0023 S7、 在n+-InGaN阳极欧姆接触层的上表面上淀积Ti、 Al、 Ni和Au多层金属， 采用金 属剥离技术形成阳极； 0024 S8、 利用射频磁控溅射设备在n+-GaN阴极欧姆接触层正面淀积形成SiN钝化层； 0025 S9、 在所述n+-GaN阴极欧姆接触层环形台面上淀积Ti、 Al、 Ni和Au多层金属， 采用 金属剥离技术形成阴极； 进行快速热退火处理， 使n+-GaN阴极欧姆接触层与n型GaN衬底之 间、 n+-InGaN阳极欧姆接触层与阳极之间形成欧姆接触。 0026 与现有技术相比， 本发明的有益效果： 0027 1.本发明提出的二极管， 采用了同型异质材。

17、料， n+-InGaN阳极欧姆接触层材料为 n+-InGaN， 从而与传统基于GaN的IMPATT二极管相比， 避免了P型GaN掺杂工艺的限制， 不再 受到GaN工艺的限制， n+-InGaN阳极欧姆接触层厚度为12 m， 掺杂浓度为151019cm -3， In组份比在15以上， 随着InGaN材料的掺杂浓度的升高， IMPATT二极管的效率也随之线 性升高， 实现了高转换效率。 0028 本发明由于InN的禁带宽度为0.7eV， 通过调节InxGa1-xN三元合金的In组分( 15)， 可使IMPATT二极管阳极材料的禁带宽度从0.7eV(InN)到3.4eV(GaN)连续可调。 基于 I。

18、nGaN/GaN同型异质结的IMPATT二极管， 根据能带理论， 由于宽禁带材料GaN(Eg3.4)的费 米能级高于窄禁带材料(0.7Eg3.4)， 电子会从N型GaN流向n型InGaN， 所以使得N型GaN 材料界面的能带将向上弯曲， 而窄禁带宽度的n型InGaN靠近界面的能带将会向下弯曲(在 异质结物理研究中， 宽禁带材料的标注为大写字母N或P， 窄禁带材料的标注为小写字母n或 p)。 对于n型半导体， 能带向下弯曲形成电子的积累层， 而能带向上弯曲形成电子的耗尽层， 所以本发明提出的n-N同型异质结所使用的InGaN/GaN材料在异质结界面和传统的n-P型异 质结一样能够使能带弯曲而形成。

19、势垒， 在实现高掺杂的欧姆接触层的同时能够发生IMPATT 说明书 2/5 页 5 CN 111739946 A 5 二极管的雪崩过程和漂移过程， 且其碰撞离化过程产生的电子-空穴对随着掺杂浓度升高 而升高， 具有高转换效率。 另一方面， 本发明无需使用肖特基结， 避免了金属-n接触时的过 高的反向漏电流效应， 确保了高转换效率。 0029 2.本发明提出的IMPATT二极管， 采用了同为n型的半导体材料， 即都为n型掺杂， 一 方面在IMPATT二极管的制造工艺上提高了效率， 降低制造成本， 同时和传统的IMPATT二极 管封装工艺完全兼容， 非常适合太赫兹组件在射频谐振腔内进行安装以及调试。

20、， 可以很好 地满足实际应用的需要， 更加有利于器件工作太赫兹领域。 0030 3.本发明提出的IMPATT二极管， 材料特性上由于n-InGaN和N-GaN氮化物的极化效 应而存在较高的二维电子气密度， 从而增加了n-N同型异质结IMPATT二极管内部n+-GaN雪 崩区中初始载流子的数量， 也就增大了IMPATT二极管的外部输出电流， InN和GaN的电子迁 移率都较高， 有利于减小n-N同型异质结IMPATT二极管中载流子的复合， 且低组分的InGaN 抗辐射能力比SI、 GaAs强， 从而增大n-N同型异质结IMPATT二极管的功率输出能力。 附图说明 0031 图1为本发明同型异质结。

21、IMPATT二极管的管芯剖面示意图； 0032 图2为本发明提供的InGaN/GaN同型异质结IMPATT二极管的制作方法流程示意图； 0033 图3为本发明提供的InGaN/GaN同型异质结IMPATT二极管的制作方法的工艺流程 示意图； 0034 图中： 1-n型GaN衬底， 2-n+-GaN阴极欧姆接触层， 3-n-GaN漂移区， 4-n+-GaN雪崩 区， 5-n+-InGaN阳极欧姆接触层， 6-阳极， 7-钝化层， 8-阴极。 具体实施方式 0035 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述， 但不作为对本发明的限定。 0036 如图1所示， 本发明的同型异质结构IMPATT二极。

22、管， 包括由下往上依次设置的n型 GaN衬底1、 n+-GaN阴极欧姆接触层2、 n-GaN漂移区3、 n+-GaN雪崩区4、 n+-InGaN阳极欧姆 接触层5和阳极6。 0037 钝化层7位于阳极6外部， 阴极8位于n+-GaN阴极欧姆接触层2形成的环形台面上 层并位于钝化层7外部。 0038 特别地， n型GaN衬底1作为器件结构层的物理支撑层， 不仅与上层的GaN多层结构 完美匹配， 从而显著提升结晶质量， 而且也起到散热的作用， 从而避免引入自热效应。 所述n +-GaN阴极欧姆接触层2材料为n+-GaN， 厚度为12 m， 掺杂浓度为0.0510181 1020cm-3， 下端有刻。

23、蚀形成的环形台面， 厚度为10100nm3。 0039 所述n-GaN漂移区3材料为n-GaN， 的厚度为0.55 m， 掺杂浓度为0.111017cm -3。 0040 具体地， 所述n+-GaN雪崩区4材料为n+-GaN， 厚度为0.12 m， 掺杂浓度为0.15 1018cm-3。 0041 特别地， 所述n+-InGaN阳极欧姆接触层5材料为n+-InGaN， 厚度为10100nm， In 组分为15以上， 掺杂浓度为0.0511020cm-3。 0042 具体地， 所述阳极6材料为Ti/Al/Ni/Au多层金属， 总厚度为100nm200nm。 说明书 3/5 页 6 CN 1117。

24、39946 A 6 0043 进一步地， 所述阴极8材料为Ti/Al/Ni/Au多层金属， 总厚度为100nm200nm。 0044 特别地， 所述钝化层7材料为SiN， 相对介电常数范围为10200， 厚度为n+-GaN阴 极欧姆接触层2、 n-GaN漂移区3、 n+-GaN雪崩区4、 n+-InGaN阳极欧姆接触层5、 阳极6厚度之 和。 0045 再如图2和图3所示， 本发明提供的一种同型异质结构IMPATT二极管的制作方法， 包括如下步骤： 0046 S1、 选取SiC衬底片作为初始材料， 形成n型GaN衬底1； 0047 S2、 在n型GaN衬底1上采用金属有机物化学气相淀积MOCV。

25、D方法， 向外延生长出n+ +-GaN阴极欧姆接触层2； 0048 S3、 在n+-GaN阴极欧姆接触层2上利用MOCVD方法， 外延生长出n-GaN漂移区3； 0049 S4、 在n-GaN漂移区3上利用MOCVD方法， 外延生长出n+-GaN雪崩区4； 0050 S5、 在n+-GaN雪崩区4上利用MOCVD方法， 外延生长出n+-InGaN阳极欧姆接触层5； 0051 S6、 采用刻蚀技术对所述n+-GaN阴极欧姆接触层2、 n+-GaN雪崩区4、 n-GaN漂移区 3和n+-InGaN阳极欧姆接触层5进行刻蚀， 从而在所述n型GaN衬底1的上表面形成环形台 面； 0052 S7、 在n。

26、+-InGaN阳极欧姆接触层5的上表面上淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属， 采用金 属剥离技术， 在所述上表面上形成阳极6； 0053 S8、 利用射频磁控溅射设备正面淀积SiN钝化层7； 0054 S9、 在所述n+-GaN阴极欧姆接触层2环形台面上淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属， 采用 金属剥离技术， 形成阴极8； 进行快速热退火处理， 使n+-GaN阴极欧姆接触层2与n型GaN衬 底1之间、 n+-InGaN阳极欧姆接触层5与阳极6之间形成欧姆接触。 0055 如图3所示， 一种同型异质结构IMPATT二极管的制作方法， 包括以下步骤： 0056 具体地， 选用直径为2英寸的4H-。

27、SiC绝缘型衬底基片， 并将其背面减薄至200 m厚 度的GaN， 形成n型GaN衬底1。 0057 采用高纯氮气分别作为氮源， 利用硅烷作为n型掺杂源， 将温度升高至1050， 在 压力为40Torr条件下采用金属有机化学气相沉积MOCVD方法， 在n型GaN衬底1上层外延生长 12 m厚的n+-GaN， 形成n+-GaN阴极欧姆接触层2， 掺杂浓度为0.05101811020cm-3。 0058 采用高纯氮气分别作为氮源， 利用硅烷作为n型掺杂源， 将温度升高至1050， 在 压力为40Torr条件下采用金属有机化学气相沉积MOCVD方法， 在n+-GaN阴极欧姆接触层2 上层外延生长0.。

28、55 m厚的n-GaN， 形成n-GaN漂移区3， 掺杂浓度为0.111017cm-3。 0059 采用高纯氮气分别作为氮源， 利用硅烷作为n型掺杂源， 将温度升高至1050， 在 压力为40Torr条件下采用金属有机化学气相沉积MOCVD方法， 在n-GaN漂移区3上层外延生 长0.12 m厚的n+-GaN， 形成n+-GaN雪崩区4， 掺杂浓度为0.151018cm-3。 0060 将反应室温度设定在8001200， 往反应室中通入三甲基铝(TMIn)、 氨气(NH3)， 在H2作为载气的条件下生长一层InN， 相同条件下在n+-GaN雪崩区4上层外延生长在InN上 通过三甲基铝(TMIn。

29、)、 三甲基镓(TMGa)、 氨气(NH3)生长一层12 m厚的n+-AlGaN， 形成n+ +-InGaN阳极欧姆接触层5， In组分为15以上， 掺杂浓度为0.0511020cm-3。 0061 在上述的多层结构包括n+-GaN阴极欧姆接触层2、 n+GaNn-GaN漂移区3、 n+-GaN雪 崩区4、 n+-InGaN阳极欧姆接触层5上光刻形成直径为80100 m的圆形掩膜图形； 再采用 说明书 4/5 页 7 CN 111739946 A 7 反应离子RIE刻蚀方法， 使用BCl3/Cl2刻蚀气体源， 刻蚀上述结构， 在所述n+-GaN阴极欧姆 接触层2形成环形台面， 台面厚度为50n。

30、m150nm； 0062 再在n+-InGaN阳极欧姆接触层5形成的台阶状环形台面上， 采用真空电子束蒸发 设备依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属， 厚度分别为： 20nm、 80nm、 50nm、 50nm， 再经过金属剥离 形成环形的阳极6。 0063 再利用射频磁控溅射设备， 溅射厚度为570nm， 宽度为15nm的SiN， 形成钝化层7。 工 艺条件为： 射频功率为100W， 靶间距为20cm， 当反应腔气压为0.4Pa时， 通入氩和氧气， 氮气 流量比例为20。 0064 再在n型GaN衬底1底面上采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金 属， 厚度分别为： 2。

31、0nm、 80nm、 50nm、 50nm， 再经过金属剥离形成环形的阴极8。 0065 对整个器件进行快速热退火， 退火条件为750， 退火时间3min， 退火气体为氮气， 形成欧姆接触。 0066 经上述主要工艺步骤， 最终形成的二极管管芯剖面如图1所示。 0067 参照上述实施例对本发明进行了详细说明， 所属领域的普通技术人员应当理解： 依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换， 而未脱离本发明精神和范围的 任何修改或者等同替换， 其均应涵盖在本权利要求范围当中。 说明书 5/5 页 8 CN 111739946 A 8 图1 图2 说明书附图 1/2 页 9 CN 111739946 A 9 图3 说明书附图 2/2 页 10 CN 111739946 A 10 。