倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法与流程

本发明属于半导体器件技术领域，更具体地说，是涉及一种倍频单片、gan太赫兹二极管及其制备方法。

背景技术：

gan(氮化镓)二极管相比于传统gaas(砷化镓)二极管具有一定的耐功率优势，目前，gan二极管常用的gan材料大多是采用蓝宝石、碳化硅或硅衬底，由于这些衬底材料的介电常数较高(约为10c²/n·m²)，因此器件内部的寄生电容升高，对毫米波和太赫兹波会产生较大的损耗，而且这类衬底材料的热导率较低(约为300w/m·k)，因此器件的散热能力较差，从而会导致器件内部结温升高，功率输出效率降低，甚至造成器件因高温烧毁或缩短使用寿命，严重影响gan太赫兹二极管的耐功率水平，制约采用gan太赫兹二极管的倍频单片的发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种倍频单片、gan太赫兹二极管及其制备方法，旨在解决现有技术的gan太赫兹二极管耐功率水平低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种gan太赫兹二极管，包括：

外延gan层，外延gan层的n面上外延生长有氮化铝中间层；

金刚石衬底层，外延生长于氮化铝中间层上；

高掺杂n型gan层，外延生长于外延gan层的ga面上，高掺杂n型gan层的边缘与外延gan层形成第一台阶结构，第一台阶结构的外延gan层台面为有源区台面；

低掺杂n型gan层，外延生长于高掺杂n型gan层上，低掺杂n型gan层的边缘与高掺杂n型gan层形成第二台阶结构，第二台阶结构的高掺杂n型gan层台面为欧姆接触台面；

欧姆接触电极，设于欧姆接触台面上，并与有源区台面电连接；

肖特基接触电极，设于低掺杂n型gan层上，并与有源区台面电连接。

作为本申请另一实施例，外延gan层厚度为2.5～3.5μm；氮化铝中间层厚度为45～55nm；金刚石衬底层厚度为30～150μm。

作为本申请另一实施例，高掺杂n型gan层的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为10¹⁸/cm³～5×10¹⁹/cm³；低掺杂n型gan层的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为10¹⁶/cm³～10¹⁸/cm³。

本发明提供的gan太赫兹二极管的有益效果在于：与现有技术相比，本发明gan太赫兹二极管，在外延gan层的n面上外延生长有氮化铝中间层，并在氮化铝中间层上生长金刚石衬底层；在外延gan层的ga面上依次外延生长高掺杂n型gan层和低掺杂n型gan层，并通过刻蚀高掺杂n型gan层和低掺杂n型gan层形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面和欧姆接触台面，在将欧姆接触台面和低掺杂n型gan层上分别制备欧姆接触电极和肖特基接触电极后获得gan太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层作为衬底结构，能够提高gan太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升gan太赫兹二极管的耐功率水平。

本发明还提供了一种倍频单片，包括上述gan太赫兹二极管，其中，金刚石衬底层上设有倍频微带电路结构。

本方明提供的倍频单片采用了上述gan太赫兹二极管，具有与上述gan太赫兹二极管相同的有益效果，在此不再赘述。

本方明还提供了一种gan太赫兹二极管的制备方法，用于制备上述gan太赫兹二极管，包括以下步骤：

步骤s101，在衬底材料上外延生长n面gan，获得外延gan层，并在外延gan层的n面上外延生长氮化铝中间层；

步骤s102，在氮化铝中间层上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层；

步骤s103，将衬底材料进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出外延gan层的ga面；

步骤s104，在外延gan层的ga面上依次外延生长高掺杂n型gan层、低掺杂n型gan层；

步骤s105，在低掺杂n型gan层上进行刻蚀，露出高掺杂n型gan层的边缘，并在露出的高掺杂n型gan层上进行刻蚀，露出外延gan层的ga面边缘，获得有源区台面；

步骤s106，再次在低掺杂n型gan层上进行刻蚀，并露出高掺杂n型gan层，获得欧姆接触台面；

步骤s107，在欧姆接触台面上依次进行光刻、蒸发、剥离、高温退火，形成欧姆接触；

步骤s108，在低掺杂n型gan层上蒸发ti/au或ni/au，形成肖特基接触，获得gan太赫兹二极管。

作为本申请另一实施例，在步骤s101中，衬底材料为c面sic或蓝宝石，厚度为300～500μm；外延gan层的厚度为2.5～3.5μm，氮化铝中间层的厚度为45～55nm。

作为本申请另一实施例，步骤s102包括：采用电弧法或cvd法(chemicalvapordeposition，气相沉淀法)在氮化铝中间层上生长金刚石薄膜；对金刚石薄膜进行抛光处理，获得金刚石衬底层。

作为本申请另一实施例，金刚石衬底层的厚度为30～150μm；金刚石衬底层的表面粗糙度小于0.2μm。

作为本申请另一实施例，步骤s104包括：在外延gan层的ga面上外延生长2～4μm的高掺杂n型gan层，高掺杂n型gan层的掺杂浓度量级为10¹⁸/cm³～5×10¹⁹/cm³；在高掺杂n型gan层上外延生长100～400nm的低掺杂n型gan层，低掺杂n型gan层的掺杂浓度量级为10¹⁶/cm³～10¹⁸/cm³。

作为本申请另一实施例，步骤s107包括：在欧姆接触台面上光刻欧姆接触区域；在欧姆接触区域内蒸发金属层，金属层依次为钛、铝、镍、金或钛、铝、铂、金；将金属层剥离后通过高温快速退火形成欧姆接触。

本方明提供的gan太赫兹二极管的制备方法获得的gan太赫兹二极管，具有与上述gan太赫兹二极管相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法在步骤s102制备的金刚石衬底层的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法在步骤s103获得金刚石衬底层后的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法在步骤s104获得高掺杂n型gan层、低掺杂n型gan层后的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法在步骤s105获得有源区台面后的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法在步骤s106获得欧姆接触台面后的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法的工艺流程框图；

图8为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法的步骤s102的具体工艺流程框图；

图9为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法的步骤s104的具体工艺流程框图；

图10为本发明实施例提供的gan太赫兹二极管的制备方法的步骤s107的具体工艺流程框图。

图中：1、外延gan层；10、有源区台面；11、n面；12、ga面；2、氮化铝中间层；3、金刚石衬底层；4、高掺杂n型gan层；40、欧姆接触台面；5、低掺杂n型gan层；6、欧姆接触电极；7、肖特基接触电极；8、衬底材料。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的gan太赫兹二极管进行说明。所述gan太赫兹二极管，包括：

外延gan层1，外延gan层1的n面11上外延生长有氮化铝中间层2；

金刚石衬底层3，外延生长于氮化铝中间层2上；

高掺杂n型gan层4，外延生长于外延gan层1的ga面12上，高掺杂n型gan层4的边缘与外延gan层1形成第一台阶结构，第一台阶结构的外延gan层台面为有源区台面10；

低掺杂n型gan层5，外延生长于高掺杂n型gan层4上，低掺杂n型gan层5的边缘与高掺杂n型gan层4形成第二台阶结构，第二台阶结构的高掺杂n型gan层台面为欧姆接触台面40；

欧姆接触电极6，设于欧姆接触台面40上，并与有源区台面10电连接；

肖特基接触电极7，设于低掺杂n型gan层5上，并与有源区台面10电连接。

本发明提供的gan太赫兹二极管制备时，请参阅图2及图3，首先需要获得外延gan层1，外延gan层1是指在衬底材料8如蓝宝石、碳化硅或硅上采用外延工艺获得的gan层，具体应当为外延生长n面gan层，从而能够方便在外延gan层1的n面11上外延生长氧化铝中间层，然后在衬底材料8的加强承载作用下进行金刚石衬底层3的外延生长，并在获得金刚石衬底层3以后将衬底材料8通过机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀等工艺进行全部去除，去除后露出外延gan层1的ga面12，从而能够获得完全以金刚石材料为基础的衬底结构。

本发明提供的gan太赫兹二极管，与现有技术相比，在外延gan层1的n面11上外延生长有氮化铝中间层2，并在氮化铝中间层2上生长金刚石衬底层3；在外延gan层1的ga面12上依次外延生长高掺杂n型gan层4和低掺杂n型gan层5，并通过刻蚀高掺杂n型gan层4和低掺杂n型gan层5形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面10和欧姆接触台面40，在将欧姆接触台面40和低掺杂n型gan层5上分别制备欧姆接触电极6和肖特基接触电极7后获得gan太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层3作为衬底结构，能够提高gan太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升gan太赫兹二极管的耐功率水平。

作为本发明提供的gan太赫兹二极管的一种具体实施方式，请参阅图1，外延gan层1厚度为2.5～3.5μm；氮化铝中间层2厚度为45～55nm；金刚石衬底层3厚度为30～150μm。具体的，外延gan层1厚度优选为3μm、氮化铝中间层2的厚度为50nm、金刚石衬底层3的厚度为150μm，既能够保证金刚石衬底层3的外延生长需要，降低制备难度，节约加工成本，又能够确保金刚石衬底层3进行充分的热传导，从而确保器件整体散热性好，降低器件内部结温和寄生电容，进而提高器件的耐功率水平。

本实施例中，请参阅图1，高掺杂n型gan层4的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为10¹⁸/cm³～5×10¹⁹/cm³；低掺杂n型gan层5的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为10¹⁶/cm³～10¹⁸/cm³。方便形成稳定的欧姆接触和肖特基接触，功率输出水平高。

本发明还提供了一种倍频单片。请参阅图1，所述倍频单片包括上述gan太赫兹二极管，其中，金刚石衬底层3上设有倍频微带电路结构。

本发明提供的倍频单片，采用了上述gan太赫兹二极管，在外延gan层1的n面11上外延生长有氮化铝中间层2，并在氮化铝中间层2上生长金刚石衬底层3；在外延gan层1的ga面12上依次外延生长高掺杂n型gan层4和低掺杂n型gan层5，并通过刻蚀高掺杂n型gan层4和低掺杂n型gan层5形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面10和欧姆接触台面40，在将欧姆接触台面40和低掺杂n型gan层5上分别制备欧姆接触电极6和肖特基接触电极7后获得gan太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层3作为衬底结构，能够提高gan太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升gan太赫兹二极管的耐功率水平。

本发明还提供了一种gan太赫兹二极管的制备方法，请一并参阅图1至图10，包括以下步骤：

步骤s101，参阅图2，在衬底材料8上外延生长n面gan，获得外延gan层1，并在外延gan层1的n面11上外延生长氮化铝中间层2；

步骤s102，参阅图2，在氮化铝中间层2上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层3；

步骤s103，参阅图3，将衬底材料8进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出外延gan层1的ga面12；

步骤s104，参阅图4，在外延gan层1的ga面12上依次外延生长高掺杂n型gan层4、低掺杂n型gan层5；

步骤s105，参阅图5，在低掺杂n型gan层5上进行刻蚀，露出高掺杂n型gan层4的边缘，并在露出的高掺杂n型gan层4上进行刻蚀，露出外延gan层1的ga面12边缘，获得有源区台面10；

步骤s106，参阅图6，再次在低掺杂n型gan层5上进行刻蚀，并露出高掺杂n型gan层4，获得欧姆接触台面40；

步骤s107，参阅图1，在欧姆接触台面40上依次进行光刻、蒸发、剥离、高温退火，形成欧姆接触；

步骤s108，参阅图1，在低掺杂n型gan层5上蒸发ti/au或ni/au，形成肖特基接触，获得gan太赫兹二极管。

需要说明的是，太赫兹器件要求具有超薄的衬底结构，而金刚石材料本身的减薄难度极大，而若直接采用超薄的金刚石衬底层3外延生长gan又无法满足工艺强度要求，难以实现。

本发明提供的gan太赫兹二极管的制备方法，通过在衬底材料8上外延氮化铝中间层2后，继续外延生长金刚石衬底层3的方式，以衬底材料8支撑金刚石衬底层3的结构强度，在获得金刚石衬底层3后再将衬底材料8去除，从而能够确保获得的金刚石衬底层3厚度满足太赫兹器件的超薄衬底要求，最终获得的以金刚石材料作为衬底结构的gan太赫兹二极管，利用金刚石材料介电常数低、热导率高的特性，能够提高gan太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升gan太赫兹二极管的耐功率水平。

在本实施例中，步骤s105及步骤s106中的刻蚀工艺采用icp(inductivelycoupledplasma，电导耦合等离子)刻蚀工艺。icp技术是一种半导体刻蚀工艺技术，是微纳加工常用的技术手段，工艺成熟，加工过程可控程度高。

作为本发明提供的gan太赫兹二极管的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图2，在步骤s101中，衬底材料8为c面sic或蓝宝石，厚度为300～500μm；外延gan层1的厚度为2.5～3.5μm，氮化铝中间层2的厚度为45～55nm。应当说明，c面sic即碳面露出的碳化硅，采用c面sic或蓝宝石进行外延生长gan，工艺成熟，制备难度低，能够降低加工成本，衬底材料8优选厚度为400μm，一方面节省材料，另一方面能够保证外延gan层1的结构强度，方便进行后续氮化铝中间层2和金刚石衬底层3的制备；另外，外延gan层1优选厚度为3μm，氮化铝中间层2的优选厚度为50nm，在满足金刚石衬底层3的外延生长需求的情况下，能够降低制备难度，节约材料成本。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图8，步骤s102包括：

步骤s1021，采用电弧法或cvd法在氮化铝中间层2上生长金刚石薄膜；

步骤s1022，对金刚石薄膜进行抛光处理，获得金刚石衬底层3。

由于在氮化铝中间层2上直接生长获得的金刚石薄膜的表面粗糙度较差，因此将金刚石薄膜的表面进行抛光，确保最终获得的金刚石衬底表面质量好，从而能够提高器件连接可靠性。

在本实施例中，请参阅图2，金刚石衬底层3的厚度为30～150μm；金刚石衬底层3的表面粗糙度小于0.2μm。能够确保金刚石衬底层3进行充分的热传导，从而确保器件整体散热性好，降低器件内部结温和寄生电容，进而提高器件的耐功率水平。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4及图9，步骤s104包括：

步骤s1041，在外延gan层1的ga面12上外延生长2～4μm的高掺杂n型gan层4，高掺杂n型gan层4的掺杂浓度量级为10¹⁸/cm³～5×10¹⁹/cm³；

步骤s1042，在高掺杂n型gan层4上外延生长100～400nm的低掺杂n型gan层5，低掺杂n型gan层5的掺杂浓度量级为10¹⁶/cm³～10¹⁸/cm³。

确保欧姆接触和肖特基接触的接触状态稳定，功率输出稳定，从而提高器件功率输出水平。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图6及图10，步骤s107包括：

步骤s1071，在欧姆接触台面40上光刻欧姆接触区域；

步骤s1072，在欧姆接触区域内蒸发金属层，金属层依次为钛、铝、镍、金或钛、铝、铂、金；

步骤s1073，将金属层剥离后通过高温快速退火形成欧姆接触。

工艺过程简单，容易实现，获得的欧姆接触稳定可靠，确保器件功率输出高效稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。