一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法。


背景技术：

[0002]
金刚石具有优异的物理特性，使其成为下一代脉冲功率器件的理想材料。金刚石禁带宽度为5.5ev，是超宽禁带半导体材料的典型代表，大的禁带宽度使其具有极高的击穿场强(10mv/cm)和绝缘性。金刚石具有非常优良的载流子迁移率(电子4500cm2/vs,空穴3800cm2/vs)和饱和漂移速度(电子1.5
×
107cm/s,空穴1.1
×
107cm/s)，较小的相对介电常数(5.7)，可以极大地提高雪崩二极管的脉冲响应速度。金刚石具有自然界中最高的热导率(2200w/(m
·
k))，可以降低雪崩二极管中的热负载，简化脉冲功率系统热设计工作，避免常见硅脉冲功率器件由于高压大电流下结温过高引起的工作失效问题。
[0003]
雪崩二极管具有重频高、频带宽、体积小、重量轻，稳定性好等优点，同时极易串并联使用，通过marx等电路可以产生较高功率的短脉冲。雪崩二极管工作是利用pn结的反向雪崩击穿特性产生高速脉冲的半导体固态器件。pn结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，形成反向电击穿。根据击穿原理，分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿是轻掺杂pn结反向电压增大到一数值时，承担强电场的耗尽区范围大大扩展，其中载流子碰撞电离、雪崩倍增，增加得多而快。利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管。
[0004]
雪崩二极管有多种不同的结构形式，以n
+
pp
+
结构较为多见。以n
+
pp
+
结构的雪崩管二极管为例来说明脉冲产生的原理。静止时，雪崩二极管两端加有小于击穿电压的反向偏压，管内电场强度的最大值小于击穿电场强度e
c
；当有触发电压脉冲加于雪崩二极管两端从而触发二极管时，二极管内电场强度急剧增加，其中n
+
p结处的场强增加得最快，首先超过击穿场强e
c
，雪崩立即发生，在n
+
p结附近产生大量的电子、空穴对。在外电场作用下，电子流向阴极，空穴流向阳极。由于这些载流子的流动，管内的电场分布发生了变化，空穴流向阳极，使管内电场最大值的位置向p
+
结移动，而电场最大值与n
+
p结之间的空间则是充满了电子和空穴的等离子体，在这个空间内电场强度下降至接近于零的很小值。由于向p
+
结移动的电场强度最大值仍超过击穿场强e
c
，因此又会在新的位置发生雪崩，所以二极管的雪崩区将快速移动，形成一个雪崩冲击波。
[0005]
只要触发电压脉冲的电压变化速率足够大，使雪崩冲击波在器件中移动的速度超过载流子的饱和速度，雪崩冲击波将迅速通过p区；同时雪崩产生的载流子不能比冲击波更快地漂移到电极，维持等离子体状态，整个p区将成为一个充满电子和空穴的等离子体，电场强度近似为零的低场区。由外加电压脉冲引起的位移电流使得二极管内有较大的电流，当等离子体被扫出体外后，二极管又恢复成初始状态。由此可见，触发脉冲的施加，使反向偏置的二极管有一段短暂的导电时间，利用这个过程可以产生高速脉冲。
[0006]
脉冲功率系统将很高的能量(通常为几百千焦耳至几十兆焦耳)储存在储能元件
中，然后通过雪崩二极管等快速开关将此能量在很短的时间内释放到负载上，以得到极高的瞬时输出功率，因此，对于雪崩二极管来讲，大的击穿电压、快的脉冲响应速度、高的重复频率以及良好的散热性极为重要。这些问题一方面可以通过电路设计来改善，另一方面可以通过优化脉冲功率器件采用的半导体材料和器件结构、获得更好的器件性能来解决。
[0007]
金刚石材料具有10mv/cm的理论击穿场强、优良的载流子迁移率、较小的介电常数以及自然界中最高的热导率。因此，利用金刚石材料来制备雪崩二极管，将具有单片电压高，脉冲响应快且散热特性极佳的优点，避免常见硅脉冲功率器件由于高压大电流下结温过高引起的工作失效问题，非常适合作为高重频短脉冲脉冲功率源开关。
[0008]
雪崩二极管的标准结构应具有pin结，而金刚石半导体材料体掺杂较难激活的研究现状导致金刚石半导体通常难以制备pn结或者pin结构。目前在金刚石中形成有效p型和n型掺杂的杂质主要为硼和磷，其电离能分别为0.3ev和0.57ev，室温下电离率硼约10-2
～10-3
，磷约10-5
～10-6
，难以形成室温高电导，因此金刚石pn结或pin结构二极管的研究报告较少。目前还没有专门工作在雪崩/关断状态、输出高重频短脉冲的金刚石雪崩二极管的研究，如何制作雪崩状态可控且在高重频短脉冲下稳定复现的高击穿场强金刚石雪崩二极管仍需要不断探索。


技术实现要素：

[0009]
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0010]
本发明实施例提供了一种赝竖式金刚石雪崩二极管，包括：
[0011]
本征金刚石衬底；
[0012]
第一p型金刚石层，位于所述本征金刚石衬底上；
[0013]
本征金刚石层，位于所述第一p型金刚石层的中心；
[0014]
欧姆电极，位于所述第一p型金刚石层上且环绕所述本征金刚石层；
[0015]
第二p型金刚石层，位于所述本征金刚石层上，所述本征金刚石层与所述第二p型金刚石层共同形成台面结构；
[0016]
肖特基电极，位于所述第二p型金刚石层上。
[0017]
在本发明的一个实施例中，所述本征金刚石衬底的材料采用单晶结构的金刚石。
[0018]
在本发明的一个实施例中，所述本征金刚石层的厚度为5～20μm。
[0019]
在本发明的一个实施例中，所述第一p型金刚石层和所述第二p型金刚石层的掺杂元素均为硼，且所述第一p型金刚石层的掺杂浓度大于所述第二p型金刚石层的掺杂浓度。
[0020]
在本发明的一个实施例中，所述欧姆电极的材料包括钛、铑、钯、铂、金中的一种或多种，所述肖特基电极的材料包括锆、铝、金、铂中的一种或多种。
[0021]
本发明的另一个实施例提供了一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法，包括步骤：
[0022]
s1、在本征金刚石衬底上生长第一p型金刚石层；
[0023]
s2、在所述第一p型金刚石层上外延生长本征金刚石层；
[0024]
s3、在所述本征金刚石层上生长第二p型金刚石层；
[0025]
s4、对所述本征金刚石层和所述第二p型金刚石层进行刻蚀，形成位于所述第一p
型金刚石层中心的台面结构；
[0026]
s5、在所述第一p型金刚石层上制备欧姆电极，使所述欧姆电极环绕所述台面结构；
[0027]
s6、在所述第二p型金刚石层上制备肖特基电极。
[0028]
在本发明的一个实施例中步骤s1包括：
[0029]
利用微波等离子体化学气相沉积设备在所述本征金刚石衬底上外延生长所述第一p型金刚石层，外延生长的条件为：腔体真空度小于等于1
×
10-5
mbar，b2h6含量为800～1200sccm，氢气含量为100～300sccm，甲烷含量为1～2sccm，压强为80～120mbar，温度为700～800℃，时间为250～350h。
[0030]
在本发明的一个实施例中步骤s2包括：
[0031]
利用微波等离子体化学气相沉积设备在所述第一p型金刚石层上外延生长所述本征金刚石层，外延生长的条件为：腔体真空度小于等于1
×
10-5
mbar，氢气含量为100～300sccm，o2含量为3～9sccm，压强为60～100mbar，温度为800～950℃，时间为250～350h。
[0032]
在本发明的一个实施例中步骤s3包括：
[0033]
利用微波等离子体化学气相沉积设备在所述本征金刚石层上外延生长所述第二p型金刚石层，外延生长的条件为：腔体真空度小于等于1
×
10-5
mbar，b2h6含量为300～700sccm，氢气含量为50～150sccm，甲烷含量为1～2sccm，压强为80～120mbar，温度为700～800℃，时间为250～350h。
[0034]
在本发明的一个实施例中步骤s4包括：
[0035]
在所述第二p型金刚石层上制备台面刻蚀金属，使所述台面刻蚀金属位于所述第二p型金刚石层的中心以将台面结构区域覆盖；然后利用感应耦合等离子体刻蚀设备对台面结构区域外的所述第二p型金刚石层和所述本征金刚石层进行刻蚀，形成位于所述第二p型金刚石层的中心的所述台面结构。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0037]
本发明的雪崩二极管通过采用金刚石作为雪崩二极管的衬底材料，并且将在二极管中形成台面结构，使得二极管形成贋竖式pip结构，提高了雪崩二极管的雪崩发生几率、击穿电压、工作电流及响应速度，抑制了因工作温度过高而导致的失效问题，使得雪崩二极管雪崩状态可控且在高重频短脉冲下具有稳定复现的高击穿场强。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例提供的一种赝竖式金刚石雪崩二极管的结构示意图；
[0039]
图2为图1中雪崩二极管的剖面图；
[0040]
图3为图2中的雪崩二极管的俯视图；
[0041]
图4为本发明实施例提供的一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法的流程示意图；
[0042]
图5a～图5h为本发明实施例提供的一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0044]
实施例一
[0045]
请参见图1、图2和图3，图1为本发明实施例提供的一种赝竖式金刚石雪崩二极管的结构示意图，图2为图1中雪崩二极管的剖面图，图3为图2中的雪崩二极管的俯视图。
[0046]
该雪崩二极管为贋竖式pip结构，包括本征金刚石衬底1、第一p型金刚石层2、本征金刚石层3、欧姆电极4、第二p型金刚石层5和肖特基电极6。其中，第一p型金刚石层2，位于本征金刚石衬底1上。本征金刚石层3，位于第一p型金刚石层2的中心。欧姆电极4，位于第一p型金刚石层2上且环绕本征金刚石层3。第二p型金刚石层5，位于本征金刚石层3上，本征金刚石层3与第二p型金刚石层5共同形成台面结构。肖特基电极6，位于第二p型金刚石层5上。第一p型金刚石层2、本征金刚石层3和第二p型金刚石层5使得该雪崩二极管形成pip结构。
[0047]
具体地，本征金刚石衬底1的材料采用cvd同质外延单晶结构的金刚石，同质外延的单晶金刚石具有高绝缘特性、结晶质量高、延伸缺陷(位错)密度低的特点，这些特点使金刚石高压器件能够出现雪崩效应，且同质外延的单晶金刚石使得空穴比电子更容易导致碰撞电离。
[0048]
可以理解的是，从剖面图上看，本征金刚石层3和第二p型金刚石层5相对于第一p型金刚石层2凸起一定高度，从而形成台面结构，并且台面结构位于第一p型金刚石层2的中心；欧姆电极4位于第一p型金刚石层2上，位于台面结构的两侧，且欧姆电极4与台面结构之间相距一定距离，两侧的欧姆电极与台面结构之间的距离是相等的；肖特基电极6位于台面结构的中心位置处。从俯视图上看，台面结构顶部的第二p型金刚石层5的形状为圆形，肖特基电极6位于圆形的中心；欧姆电极4的形状为与台面结构同心的圆环形，环绕于台面结构的周围，且与台面结构之间具有一定距离。
[0049]
本实施例中在金刚石雪崩二极管中利用本征金刚石层3和第二p型金刚石层5形成台面结构，使得欧姆电极4和肖特基电极6位于同一平面，但是不位于同一高度上。台面结构的高度可以根据雪崩二极管的目标击穿电压、目标响应时间进行最优设计；当台面高度较高时，两个电极之间距离较大，二极管的击穿电压较大；当台面高度较低时，二极管的载流子输送速度较快，器件的响应速度较快，二极管的频率特性好，同时载流子遇到陷阱的概率也比较低。优选的情况下，台面结构的高度为5～20μm。
[0050]
上述台面结构使得该雪崩二极管形成赝竖式结构。相比而言，如果采用传统的竖式结构，表面电极相距的距离越大，可耐受电压就越高，但是电子空穴对输运的距离也越远，载流子输运过程中容易被金刚石材料中缺陷、位错等捕获，使电流减小甚至无法发生雪崩效应，且电极距离较大同样也会增加载流子的输运距离，降低时间响应速度。而采用赝竖式结构，相比传统竖式结构，减少了强电场下产生的载流子的输运距离，提高了金刚石雪崩二极管的时间响应速度和工作电流。
[0051]
在一个具体实施例中，第一p型金刚石层2和第二p型金刚石层5的掺杂元素均为硼，其中，第一p型金刚石层2和第二p型金刚石层5的掺杂浓度可以相同，也可以不同；当二者浓度不同时，第一p型金刚石层2的掺杂浓度大于第二p型金刚石层5的掺杂浓度。
[0052]
本实施例中，第一p型金刚石层2的掺杂浓度较高，可以与欧姆电极4形成良好的欧
姆接触。对于高绝缘材料的本征金刚石而言，无论电极下方有无掺杂，即使两个二极管电极都按欧姆接触工艺制备，没有明显阳极阴极之分，也难以在任意极性的小电压偏置下出现较大电流，而只能在较大的电压下因为强电场而出现电流增大和击穿特性；而对于电极下方有掺杂的二极管，电极之间的电场分布会更均匀，雪崩现象有更大的几率出现在电极之间。由于空穴比电子更容易发生雪崩效应，采用p型掺杂，使雪崩效应更易发生。
[0053]
在一个具体实施例中，欧姆电极4的材料包括钛、铑、钯、铂、金中的一种或多种，即欧姆电极4为由钛、铑、钯、铂或金形成的单一金属层，或者为由钛、铑、钯、铂、金中的多个单一金属层复合形成。肖特基电极5的材料包括锆、铝、金、铂中的一种或多种，即肖特基电极6为由锆、铝、金、铂或金形成的单一金属层，或者为由锆、铝、金、铂中的多个单一金属层复合形成。
[0054]
本实施例的雪崩二极管采用金刚石材料作为雪崩二极管的衬底材料，可充分发金刚石作为超宽禁带半导体材料所具有的击穿场强大、载流子漂移速度快等优势，极大提高雪崩二极管器件的击穿电压、工作电流以及时间响应速度；同时，金刚石作为自然界中热导率最高的半导体材料，将其作为雪崩二极管的衬底材料，可以降低雪崩二极管中的热负载，简化脉冲功率系统热设计工作，极大提高雪崩二极管的稳定性。
[0055]
本实施例的雪崩二极管采用创新的pip结构，突破了金刚石材料n型掺杂困难导致的金刚石半导体的体掺杂器件通常难以制备传统雪崩二极管pn结或者pin结构的现状，工艺简单；且空穴比电子更容易发生碰撞电离，采用pip结构可提高雪崩二极管的工作电流。
[0056]
本实施例的雪崩二极管采用采用赝竖式结构，其台面高度根据雪崩二极管目标击穿电压及响应时间进行最优设计；对比传统竖式结构，减少了强电场下产生的载流子的输运距离，使雪崩发生在管芯靠近内部的区域，减少了杂质和缺陷对器件漏电的影响，提高了载流子的收集，提升了金刚石雪崩二极管的电流和时间效应速度。
[0057]
综上，本实施例的雪崩二极管通过采用金刚石作为雪崩二极管的衬底材料，并且将在二极管中形成台面结构，使得二极管形成贋竖式pip结构，提高了雪崩二极管的雪崩发生几率、击穿电压、工作电流及响应速度，抑制了因工作温度过高而导致的失效问题，使得雪崩二极管雪崩状态可控且在高重频短脉冲下具有稳定复现的高击穿场强。
[0058]
实施例二
[0059]
在实施例一的基础上，请参见图4和图5a～图5h，图4为本发明实施例提供的一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法的流程示意图，图5a～图5h为本发明实施例提供的一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法的过程示意图。
[0060]
该制备方法包括步骤：
[0061]
s1、在本征金刚石衬底1上生长第一p型金刚石层2。
[0062]
首先，对金刚石衬底进行筛选和预处理，得到本征金刚石衬底1。请参见图5a。
[0063]
对金刚石衬底进行筛选和预处理的步骤为：先利用xrd、拉曼等材料表征手段对非故意掺杂本征金刚石衬底进行筛选，优选内应力较小的金刚石衬底进行后续同质外延生长；并采用精细机械抛光、研磨将金刚石衬底表面抛光到均方根粗糙度(rms)为1nm以下。接着，对选取和抛光后的金刚石衬底进行清洗，将衬底放入250℃的hno3:h2so4(1:1)的溶液中清洗20分钟，将酸清洗后的金刚石衬底放入丙酮溶液中超声清洗15分钟，再将衬底放入无水乙醇中超声清洗15分钟，最后再将金刚石衬底放入去离子水中超声清洗15分钟。之后，对
经过清洗的金刚石衬底进行再次筛选：使用mpcvd设备对清洗后的金刚石表面进行刻蚀，从而筛选出缺陷少、取向均一的本征金刚石衬底1。
[0064]
然后，利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)设备在本征金刚石衬底1上外延生长第一p型金刚石层2，请参见图5b，外延生长的条件为：腔体真空度小于等于1
×
10-5
mbar，b2h6含量为800～1200sccm，氢气含量为100～300sccm，甲烷含量为1～2sccm，压强为80～120mbar，温度为700～800℃，时间为250～350h。优选的，在生长过程中，b2h6含量为1000sccm，氢气含量为200sccm，甲烷含量为1sccm，压强为100mbar，温度为700～800℃，时间为300h。
[0065]
s2、在第一p型金刚石层2上外延生长本征金刚石层3，请参见图5c。
[0066]
具体地，利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)设备在第一p型金刚石层2上外延生长非故意掺杂本征单晶金刚石，形成本征金刚石层3，外延生长的条件为：腔体真空度小于等于1
×
10-5
mbar，h2含量为100～300sccm，o2含量为3～9sccm，压强为60～100mbar，温度为800～950℃，时间为250～350h。优选的，h2含量为200sccm，o2含量为4sccm，压强为80mbar，温度为800～950℃，时间为200h。
[0067]
s3、在本征金刚石层3上生长第二p型金刚石层5，请参见图5d。
[0068]
具体地，利用微波等离子体化学气相沉积(microwave plasmachemical vapor deposition，mpcvd)设备在本征金刚石层3上外延生长第二p型金刚石层5，外延生长的条件为：腔体真空度小于等于1
×
10-5
mbar，b2h6含量为300～700sccm，氢气含量为50～150sccm，甲烷含量为1～2sccm，压强为80～120mbar，温度为700～800℃，时间为250～350h。优选的，氢气含量为100sccm，甲烷含量为1sccm，压强为100mbar，温度为700～800℃，时间为200h。
[0069]
在外延生长第二p型金刚石层5之后，对外延后的器件进行清洗，将其放入250℃的hno3:h2so4(1:1)的溶液中清洗20分钟，然后将酸清洗后的器件放入丙酮溶液中超声清洗15分钟，然后再将放入无水乙醇中超声清洗15分钟，最后再将器件放入去离子水中超声清洗15分钟。
[0070]
s4、对本征金刚石层3和第二p型金刚石层5进行刻蚀，形成位于第一p型金刚石层2中心的台面结构。
[0071]
首先，在第二p型金刚石层5上制备台面刻蚀金属01，使台面刻蚀金属01位于第二p型金刚石层5的中心以将台面结构区域覆盖。请参见图5e。
[0072]
具体地，将经过无机和有机清洗的器件表面上旋涂光刻胶，通过接触式光刻做出台面结构窗口图形，再用金属蒸发的方法制备一层100-400nm厚的镍金属，金属剥离后得到器件的台面刻蚀金属01，台面刻蚀金属01位于第二p型金刚石层5的中心将台面结构区域覆盖，之后将样品用丙酮浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的光刻胶。
[0073]
然后，利用感应耦合等离子体刻蚀设备对台面结构区域外的第二p型金刚石层5和本征金刚石层3进行刻蚀，形成位于第二p型金刚石层5的中心的台面结构，请参见图5f。
[0074]
具体地，将表面有台面刻蚀金属01的器件置于感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma，icp)设备腔室中，反应室内通入流量为200sccm的氧气，设置压强为40mbar，在温度为500℃下，停置30min，刻蚀第二p型金刚石层5和本征金刚石层3，形成台面结构(台面高度根据雪崩二极管目标电压优化设计)，所形成的台面结构位于第二p型金刚石层5的中心，再将样品用盐酸浸泡5分钟后，超声1分钟去除样品表面残余的台面
刻蚀金属01。
[0075]
s5、在第一p型金刚石层2上制备欧姆电极4，使欧姆电极4环绕台面结构，请参见图5g。
[0076]
具体地，首先，在第一p型金刚石层2表面利用热蒸发或电子束蒸发淀积一层厚度为80～180nm的金膜，使其环绕在台面结构周围，与第一p型金刚石层2形成欧姆接触；然后，在样品表面上旋涂光刻胶，通过接触式光刻做出欧姆电极窗口图形，之后以湿法腐蚀的方法，利用ki/i2溶液腐蚀35-90s，腐蚀掉欧姆金属窗口图形下方的金膜，形成欧姆电极4。
[0077]
s6、在第二p型金刚石层5上制备肖特基电极6，请参见图5h。
[0078]
具体地，旋涂光刻胶，在第二p型金刚石层5上方光刻出肖特基金属窗口，再用金属蒸发的方法制备一层80～180nm厚的铝膜，金属剥离之后得到肖特基电极5，完成整个器件的制备。
[0079]
本实施例制备方法制备的雪崩二极管采用金刚石作为雪崩二极管的衬底材料，并且将在二极管中形成台面结构，使得二极管形成贋竖式pip结构，提高了雪崩二极管的雪崩发生几率、击穿电压、工作电流及响应速度，抑制了因工作温度过高而导致的失效问题，使得雪崩二极管雪崩状态可控且在高重频短脉冲下具有稳定复现的高击穿场强。
[0080]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。