利用氟离子注入实现的氮化镓PN结及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于氮化镓(gallium nitride，GaN)材料的PN结及其制造方法。

背景技术：

目前GaN基PN结的生长方法多基于金属有机物化学气相淀积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)法。采用原位生长的GaN的无意识掺杂类型为n型，具有很高的背景载流子浓度，n型的背景载流子对p型会产生强烈的补偿作用，因此GaN的p型掺杂相对于n型具有更高的难度。现有的形成p型掺杂GaN半导体层的方法，是对原位生长的Mg掺杂的GaN进行低能电子辐照处理，或在氮气气氛下高温退火，以获得有效掺杂的p型GaN。

而硅(silicon，Si)工艺普遍采用离子注入技术生成n型材料和p型材料，这是由于离子注入具有诸多优点：①纯净掺杂。离子注入是在真空系统中进行的，同时使用高分辨率的质量分析器，保证掺杂离子具有极高的纯度；②掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制。原则上各种元素均可成为掺杂元素，并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度；③注入离子的浓度和深度分布精确可控。注入的离子数决定于积累的束流，深度分布则由加速电压控制，这两个参量可以由外界系统精确测量、严格控制；④注入离子时衬底温度可自由选择。根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在室温或低温条件下掺杂。这在实际应用中是很有价值的；⑤大面积均匀注入。离子注入系统中的束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性；⑥离子注入掺杂深度小。一般在1um以内(例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um)。基于上述优点，采用离子注入方法实现有效掺杂的p型区是GaN基元器件生长工艺未来的发展方向，也是GaN工艺与Si工艺兼容的必须解决的难题。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种利用氟离子注入实现的GaN基PN结及其制造方法。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种利用氟离子注入实现的氮化镓(gallium nitride，GaN)基PN结及其制造方法。

为达上述目的，本发明提供了一种氟离子注入实现的GaN基PN结，包括：

衬底；

n型GaN半导体层，所述n型掺杂GaN半导体层形成于所述衬底之上，并在所述n型掺杂GaN半导体层上设置有第一电极；

p型GaN半导体层，所述p型掺杂GaN半导体层嵌于所述n型掺杂GaN半导体层中部区域，通过氟离子注入实现，并在所述p型掺杂GaN半导体层上设置有第二电极。

在其中一个实施例中，所述p型掺杂GaN半导体层的横截面为圆形；

所述第二电极的横截面为圆形，且所述第二电极的横截面面积小于所述p型GaN半导体层的横截面面积；

所述第一电极的横截面为中部开设有圆形通孔的正方形结构，所述第一电极将p型GaN半导体层围设在其圆形通孔内，且所述第一电极的横截面面积小于所述n型GaN半导体层的横截面面积。

在其中一个实施例中，所述第一电极为钛铝镍金(Ti/Al/Ni/Au)四层电极，所述第二电极为镍金(Ni/Au)双层电极。

如上所述的制造方法，进一步，包括以下步骤：

步骤31，提供衬底，在所述衬底上生长n型GaN半导体层；

进一步，所述衬底，其例如但不限于硅(silicon，Si)衬底、蓝宝石衬底或非故意掺杂的GaN衬底；

步骤32，在所述n型GaN半导体层上沉积第一电极；

步骤33，通过离子注入法注入氟离子，在所述n型掺杂GaN半导体层中的指定位置形成p型掺杂GaN半导体层；

步骤34，在所述p型GaN半导体层上沉积第二电极；

步骤35，对整个GaN半导体层进行高温热处理，激活掺杂元素并减小GaN界面的缺陷密度。

在其中一个实施例中，所述步骤32包括以下步骤：

在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶，形成第一掩膜；

紫外光刻所述第一掩膜，在所述n型GaN半导体上形成第一窗口；

利用电子束蒸发法在所述第一窗口的表面沉积第一电极；

去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶，并对所述n型GaN半导体进行热处理。

在其中一个实施例中，所述步骤33包括以下步骤：

在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶，形成第二掩膜；

紫外光刻所述第二掩膜，在所述n型GaN半导体上形成第二窗口；

利用离子注入法将氟离子注入到所述n型GaN半导体中部区域，形成p型GaN半导体。

在其中一个实施例中，所述步骤34包括以下步骤：

利用电子束蒸发法在上述第二窗口的表面沉积第二电极；

去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶；

在其中一个实施例中，所述第一窗口为中部开设有圆形通孔的正方形结构窗口，所述第一窗口将p型GaN半导体层围设在其中；

所述第二窗口为圆形窗口，所述第二窗口的横截面面积小于所述p型GaN半导体层的横截面面积。

本发明的有益效果如下：

本发明利用氟离子注入实现的GaN基PN结的制备方法，与现行的Si工艺兼容，注入氟离子的浓度和深度分布精确可控，p型GaN半导体层具有很高的掺杂均匀性。其制备过程简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明一种实施例的利用氟离子注入实现的GaN基PN结的剖视示意图；

图2为本发明一种实施例的利用氟离子注入实现的GaN基PN结的俯视示意图；

图3为本发明一种实施例的利用氟离子注入实现的GaN基PN结的制造方法流程示意图。

具体实施方式

本发明中的图式均属示意图，主要意在表示制程步骤以及各层之间的上下次序关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

图1显示本发明一种实施例。本实施例举例说明利用氟离子注入实现的GaN基PN结100的制造方法剖视示意图。首先提供衬底11，其例如但不限于硅(silicon，Si)衬底、蓝宝石衬底或非故意掺杂的氮化镓(gallium nitride，GaN)衬底。于衬底11上，其例如但不限于外延技术生长n型GaN半导体层12。接着以离子注入技术将氟离子注入到所述n型GaN半导体层12的中部区域，形成p型GaN半导体层15。其中，n型GaN半导体层12上设置有第一电极13，p型GaN半导体层15上设置有第二电极14。需要说明的是，本发明中所述的n型GaN半导体层12的中部区域，但不局限于n型GaN半导体层12的中心，泛指除边缘以外的区域。

较佳的，作为一种可实施方式，p型GaN半导体层15的横截面为圆形。该结构设计简单，便于实现。在其他实施例中，p型GaN半导体层15的横截面可为其他形状。

优选的，第一电极13为中部开设有圆形通孔的正方形结构，将第二电极14和p型GaN半导体层15围设在其中；进一步，第二电极14的横截面为圆形。

较佳的，当第一电极13开设的圆形通孔，且第二电极14和p型GaN半导体层15的横截面为圆形时，第一电极13的圆形通孔、第二电极14和p型GaN半导体层15的横截面为同心圆。该方式得到的GaN基PN结性能优异、结构设计合理，便于制备。

本发明中，第一电极13和第二电极14的材质可以相同，也可以不同；本发明中所述的第一电极是指由四种金属材料形成的电极，第二电极是指由两种金属材料形成的电极，例如钛铝镍金(Ti/Al/Ni/Au)四层电极是指由Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属形成的电极，镍金(Ni/Au)双层电极是由Ni金属和Au金属形成的电极。

本发明还提供了一种利用氟离子注入实现的GaN基PN结的制备方法，如图3所示，包括以下步骤，：

步骤31，在衬底生长n型GaN层

步骤32，在所述n型GaN层上沉积第一电极。

较佳的作为一种可实施方式，步骤32包括以下步骤：

320：在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶，形成第一掩膜。

较佳的，步骤320的具体做法为，将光刻胶旋涂在n型GaN半导体层表面，形成光刻胶薄膜，放入烘烤机中，于120℃下烘烤90秒，使光刻胶中的溶剂挥发掉，形成第一掩膜。

321：紫外光刻所述第一掩膜，在所述n型GaN半导体上形成第一窗口21。

322：利用电子束蒸发法在所述第一窗口21的表面沉积第一电极。

本步骤采用电子束蒸发法进行第一电极的沉积，该方法沉积速度快、质量高。

323：去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶，并对所述n型GaN半导体进行热处理，所述热处理的条件为：保护气氛下，800℃下保温1分钟。

步骤33，通过注入氟离子在所述n型掺杂GaN半导体层中的指定位置形成p型掺杂GaN半导体层；

如上所述的制造方法，进一步，其中步骤33中的指定位置是指所述n型GaN半导体层的中部，其它位置使用掩膜保护。

较佳的作为一种可实施方式，步骤33包括以下步骤：

331：在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶，形成第二掩膜。

332：紫外光刻所述第二掩膜，在所述n型GaN半导体上形成第二窗口22。

333：利用离子注入法将氟离子注入到所述n型GaN半导体中部与区域，形成p型GaN半导体。

步骤34，在所述p型GaN层上沉积第二电极。

较佳的作为一种可实施方式，步骤34包括以下步骤：

341：利用电子束蒸发法在上述第二窗口22的表面沉积第二电极。

342：去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶。

步骤35，对整个GaN层进行高温热处理，激活掺杂元素并确保GaN界面的缺陷尽可能少。所述热处理的条件为：保护气氛下，400℃下保温10分钟。

本发明的制备方法，过程简单、成本低廉。采用紫外光进行掩膜的刻蚀，避免了刻蚀过程中产生的污染物，且有利于实现器件的小型化；采用电子束蒸发法进行电极的沉积，可有效增加沉积膜层的质量，提高器件性能；此外，采用氟离子注入实现p型GaN半导体层法，与现行的Si工艺兼容，注入氟离子的浓度和深度分布精确可控，其制备过程简单，成本低廉。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。