一种金刚石肖特基势垒二极管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件领域，具体为一种金刚石肖特基势皇二极管及其制备方法，其是一种(110)取向金刚石肖特基势皇二极管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]功率半导体器件作为功率电路系统的核心部分，其决定着系统的效率、尺寸、适用范围和可靠性。目前，大部分功率半导体器件是由硅材料制作而成，然而随着硅工艺的发展，其器件性能已逼近硅材料的极限值。为了满足高温、高压和大功率的应用要求，需要选择更为合适的替换材料，如宽带隙半导体材料。
[0003]与传统的宽带隙半导体材料(如碳化硅、氮化镓等)相比，金刚石具有更大的带隙宽度(?5.5eV)，高的饱和载流子迀移率(3800cm2/V.s (空穴)和4500cm2/V.s (电子))，大的击穿电压，高的热导率以及极高的化学惰性和硬度等特点。因此，金刚石是替代硅材料的理想材料之一。
[0004]肖特基势皇二极管(SBD)的势皇高度小于PN结势皇，其开启电压和导通压降均较PiN 二极管小，可降低电路中的功率损耗。此外，肖特基势皇二极管作为多数载流子器件，其不存在少数载流子的注入和存储，反应恢复时间短，开关速度快，同时由于结电容较低，可广泛应用于电动汽车、混合动力车等需进行功率转换的逆变器、转换器、PFC电路，以及太阳能、风能等新能源中得整流、逆变等领域。
[0005]P型同质外延单晶金刚石薄膜由于硼原子的受主能级较浅(Ea= 0.37eV)，易于大范围内控制其电阻率和载流子迀移率等参数，因此，当前金刚石结型器件的研宄主要集中在基于P型同质外延单晶金刚石的金属肖特基势皇二极管。然而，同质外延所采用的HPHT单晶金刚石衬底价格昂贵，且尺寸较小(通常仅为3X3X0.5_)，不利于以P型同质外延单晶金刚石薄膜肖特基势皇二极管的大规模广泛使用。
[0006]近年来，大量研宄表明:异质外延沉积的高度织构化取向的多晶金刚石薄膜的诸多物理性质与同质外延单晶金刚石非常接近。而与同质外延沉积技术相比，异质外延沉积技术具有经济、通用、能大面积制备的特点，这将为以高度织构化取向的P型异质外延金刚石肖特基势皇二极管的广泛应用提供可靠的技术保障。
[0007]然而，尽管具有高度织构化的多晶金刚石薄膜的物理性质类似于单晶金刚石薄膜，但与单晶金刚石薄膜相比，由于多晶金刚石薄膜仍不可避免地存在大量晶界和位错等缺陷，而这些缺陷势必导致肖特基势皇二极管的综合性能下降。
[0008]因此，迫切需要一种新的器件，以解决上述问题。
【发明内容】
[0009]为此，申请人对基于高度织构化的掺硼多晶金刚石薄膜的肖特基势皇二极管的结构进行优化设计，将多晶金刚石薄膜中的晶界等缺陷对其性能的影响降低到最小化，有效提升其综合性能。
[0010]本发明的发明目的在于:针对目前现有的高度织构化的掺硼多晶金刚石薄膜的肖特基势皇二极管，由于多晶金刚石薄膜仍不可避免地存在大量晶界和位错等缺陷，而陷势必导致肖特基势皇二极管的综合性能下降的问题，提供一种金刚石肖特基势皇二极管及其制备方法。本发明首先提出一种交叉“指”状的平面型肖特基势皇二极管及其制备方法，该二极管具有低开启电压、低反向漏电流和较高的整流比，能够将多晶金刚石薄膜中的晶界等缺陷对二级管性能的影响降低到最小化，具有显著的进步意义。同时，本发明具有制作工艺简单、制作成本低的优点，能够有效降低其制造成本，满足大规模工业化生产、应用的需求，具有广阔的应用前景。
[0011]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0012]一种金刚石肖特基势皇二极管，包括单晶硅基片、硼掺杂的(110)取向金刚石外延层、交叉指状电极，所述硼掺杂的(110)取向金刚石外延层设置在单晶硅基片上，所述交叉指状电极设置在硼掺杂的(110)取向金刚石外延层表面上；
[0013]所述交叉指状电极包括肖特基接触电极、欧姆接触电极，所述肖特基接触电极、欧姆接触电极分别位于硼掺杂的(110)取向金刚石外延层表面，所述肖特基接触电极与欧姆接触电极之间呈交叉指状分布。
[0014]该二极管的反向漏电流能低至1X10_8A，开启电压能低至3V，整流比达104。
[0015]还包括与肖特基接触电极相连的第一引线、与欧姆接触电极相连的第二引线，所述肖特基接触电极包括第一主电极、若干个与第一主电极相连的第一指电极，所述欧姆接触电极包括第二主电极、若干个与第二主电极相连的第二指电极，所述第一指电极与第二指电极之间呈水平交叉指状分布，所述第一主电极与第一引线相连，所述第二主电极与第二引线相连。
[0016]所述硼掺杂的(110)取向金刚石外延层中，硼原子的掺杂浓度为50?500ppm，该外延层的厚度为5?15 μm。
[0017]所述第一主电极、第一指电极、第一引线、第二引线分别采用Au制备而成，所述欧姆接触电极由Ti层、设置在Ti层上的Au层制备而成。
[0018]所述欧姆接触电极中，Ti层的厚度为20?40nm，Au层的厚度为20?30nmo
[0019]所述第一主电极、第二主电极的宽度分别为0.1?0.3mm，第一指电极、第二指电极的宽度分别为0.008?0.1mm，相邻第一指电极与第二指电极之间的间距为0.072?0.9mmο
[0020]所述硼掺杂的(110)取向金刚石外延层采用微波等离子体化学气相沉积法制备而成，采用的反应气源为甲烷、氢气、硼烷中的一种或多种。
[0021]前述二级管的制备方法，包括如下步骤:
[0022](I)在单晶硅基片上沉积硼掺杂的(110)取向金刚石外延层；
[0023](2)依次采用光刻法、电子束蒸发镀膜法，在硼掺杂的(110)取向金刚石外延层表明制备欧姆接触电极的Ti层；
[0024](3)经步骤2后，依次采用光刻法、电子束蒸发镀膜法，在硼掺杂的(110)取向金刚石外延层表明制备欧姆接触电极的Au层、肖特基接触电极，最终在硼掺杂的(110)取向金刚石外延层表面上形成肖特基接触电极与欧姆接触电极组成的交叉指状电极；
[0025](4)在制备的肖特基接触电极、欧姆接触电极上分别对应设置第一引线、第二引线，并进行封装，即得二级管。
[0026]所述步骤I中，采用微波等离子体化学气相沉积法在单晶硅基片上沉积硼掺杂的(I1)取向金刚石外延层，所述外延层的厚度为5?15 μ??，外延层中硼原子的掺杂浓度为50 ?500ppm。
[0027]所述步骤I中，微波功率为1400W?2400W，工作气压为10?14kPa，甲烷与氢气流量比为1:99。
[0028]所述步骤2中，欧姆接触电极的Ti层的制备过程如下:首先在掩模板的辅助下，在外延层的表面形成图案化结构；再采用电子束蒸发镀金属Ti层，Ti层的厚度为20?40nm ；金属Ti层制备完成后，再在500?700°C，氮气气氛保护下，快速退火，即可。
[0029]在掩模板的辅助下，采用光刻、显影或刻蚀在外延层的表面形成图案化结构。
[0030]所述步骤3中，在光刻掩膜板的辅助下，采用光刻法刻出欧姆接触电极的Au层整体图案、肖特基接触电极整体图案，所述欧姆接触电极的Au层整体图案位于欧姆接触电极的Ti层上；再采用电子束蒸发镀金属Au膜，金属Au膜制备完成后，再在300°C，氮气气氛保护下，快速退火，完成在硼掺杂的(110)取向金刚石外延层表明制备欧姆接触电极的Au层、肖特基接触电极的制备；其中，金属Au膜的厚度为20?30nm。
[0031 ] 所述步骤4中，采用电焊分别在肖特基接触电极上设置第一引线、欧姆接触电极上设置第二引线。
[0032]针对前述问题，本发明提供一种金刚石肖特基势皇二极管及其制备方法。本发明的二级管采用硼掺杂的(110)取向金刚石外延层，其与现有同质外延的单晶金刚石层相比，该外延层的可利用制作二极管的面积更大(在当前的工艺条件下可以实现2英寸的均匀沉积，而同质外延单晶金刚石层的尺寸约为3X3mm)，因此，本发明能够实现大面积的肖特基势皇二极管的制作。同时，本发明中，肖特基接触电极与欧姆接触电极之间呈交叉指状分布，形成交叉指状电极，采用该结构，能有效地降低多晶金刚石外延层中的晶界等缺陷对二极管性能的影响。经测定，本发明的金刚石肖特基势皇二极管具有低导通电压、低反向漏电流和较高整流比等优点，相对现有技术，具有显著的进步。
[0033]同时，本发明提供一种制备方法，该方法采用两步简单的光刻-镀膜-刻蚀，即可完成二级管的制作，制作工艺简单、快捷，能够满足工业化大规模生产的需要，具有广阔的应用前景。
[0034]综上所述，本发明金刚石肖特基势皇二极管的结构设计比较灵活，制备工艺简单，具有低开启电压、低反向漏电流和较高整流比的优异电学特性。
【附图说明】
[0035]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0036]图1为本发明的结构示意图。
[0037]图2为本发明二级管的主视图。
[0038]图3为图2的俯视图。
[0039]图4为本发明提供的肖特基势皇二极管的1-V特性图。
[0040]图中标记:1为单晶硅基片，2为硼掺杂的(110)取向金刚石外延层，3为第一主电极，4为第一指电极，5为第一主电极，6为第一指电极。
【具体实施方式】
[0041]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0042]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。为了阐述简单和清晰，附图只是对一般性结构进行说明，省略了部分众所周知的细节说明，以避免不必要的模