一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管及其制备方法与流程

背景技术：

无线能量传输系统(wirelesspowertransfer，wpt)，是一种能够突破传输线限制输送电能的装置。其中，以微波波段的电磁波作为输入能量，使用发射天线到接收天线的点对点的传播方式所构成的无线能量传输系统被称为微波无线能量传输系统(microwavepowertransfer，mpt)。转换效率是评价微波无线能量传输系统的关键指标，标志着微波能量转换为直流能量的能力。因此，目前在微波无线能量传输领域，如何提升转换效率已经成为研究的热点和重点。

微波无线能量传输系统整流电路内的整流二极管，即整流天线内的肖特基二极管，决定着最高转换效率的大小。理论证实，使用高迁移率材料的肖特基二极管由于载流子速度较快，对于高频信号响应会更加及时，因而更适合在高频下工作，有利于提升最大转换效率。

因此，如何提高肖特基二极管的电子迁移率，以提升微波无线能量传输系统的最大转换效率，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

因此，为了提高肖特基二极管的电子迁移率，以提升微波无线能量传输系统的最大转换效率，本发明提出一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备方法，包括：

制备硅衬底；

在所述衬底上形成第一ge层；

在所述第一ge层上形成第二ge层；

将所述第二ge层进行热退火处理，得到张应变ge层；

在所述张应变ge层上形成第一n型ge层；

在所述第一n型ge层表面形成第一电极和第二电极。

在本发明的一个实施例中，所述在所述衬底上形成第一ge层，包括：

在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在所述衬底的一侧表面上，生长厚度为50nm的第一ge层。

在本发明的一个实施例中，所述在所述第一ge层上形成第二ge层，包括：

在500℃～600℃温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层的表面上，生长厚度为900nm～950nm的第二ge层。

在本发明的一个实施例中，所述将所述第二ge层进行热退火处理，得到张应变ge层，包括：

在750℃～850℃温度的氢气环境下，将所述第二ge层进行10～15分钟的热退火处理，得到张应变ge层。

在本发明的一个实施例中，所述在所述张应变ge层上形成第一n型ge层，包括：

在500℃～600℃温度下，在所述张应变ge层上形成厚度为1000nm～1100nm的第一n型ge层。

在本发明的一个实施例中，所述在所述第一n型ge层表面形成第一电极和第二电极，包括：

在所述第一n型ge层的第一区域注入磷离子形成第二n型ge层；

利用电子束蒸发方式，在所述第二n型ge层表面淀积厚度为10～20nm的铝层以形成所述第一电极，并在所述第一n型ge层表面的第二区域淀积厚度为10～20nm的钨层以形成所述第二电极。

在本发明的一个实施例中，所述在所述第一n型ge层的第一区域注入磷离子形成第二n型ge层，包括：

在所述第一n型ge层的表面涂抹第一光刻胶，并曝光所述第一n型ge层表面所述第一区域的所述第一光刻胶；

利用离子注入工艺向所述第一区域注入磷离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge层；

去除所述第一n型ge层表面的所述第一光刻胶，并在600℃～1000℃温度的氢气环境中加热所述衬底、所述第一ge层、所述张应变ge层、所述第一n型ge层和所述第二n型ge层。

在本发明的一个实施例中，所述利用电子束蒸发方式，在所述第二n型ge层表面淀积厚度为10～20nm的铝层以形成所述第一电极，并在所述第一n型ge层表面的第二区域淀积厚度为10～20nm的钨层以形成所述第二电极，包括：

利用电子束蒸发方式，在包含所述第二n型ge层的第一n型ge层表面，淀积厚度为10～20nm的al层，并利用刻蚀工艺刻蚀所述第一n型ge层表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层，将剩余的所述al层作为所述第一电极；

在所述第一电极和所述第一n型ge层表面上涂抹第二光刻胶，并曝光所述第二区域的所述第二光刻胶；

在剩余所述第二光刻胶和所述第一n型ge层表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w层；

在包含所述第二n型ge层的所述第一n型ge层表面上，剥离除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶及所述第二光刻胶上的所述w层，将剩余所述w层作为所述第二电极。

在本发明的一个实施例中，所述在所述张应变ge层上形成第一n型ge层之前，所述方法还包括：

自然冷却所述衬底、所述第一ge层和所述张应变ge层，并用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述张应变ge层。

本发明的另一个实施例提出了一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管，所述肖特基二极管由上述任一项实施例所述的方法制备形成。

本发明的有益效果如下：

1)本发明采用的张应变ge材料具有较高的迁移率，适用于微波无线能量传输系统内肖特基二极管，可大大提升能量转换效率；

2)本发明通过si衬底与ge材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的ge材料的应变，该过程步骤简单，且s-ge/si衬底半导体与si工艺兼容，具有明显的成本优势；

3)本发明采用了平面工艺制造方法制造用于微波无线能量传输的肖特基二极管，更易于集成和工艺控制；

4)本发明在ge外延层上进一步外延n型ge层作为肖特基二极管工作的有源区，使得其器件抗闩锁效应好，所得n型ge层材料质量更高，器件性能更高。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的另一种流程示意图；

图2-1～图2-11为本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备工艺示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的流程示意图。该方法可以包括如下步骤：

s101，制备硅衬底；

硅(si)作为一种半导体，由于其稳定性高，常被用作肖特基二极管的衬底。在本发明实施例中，可以以任意一种含有si的材料制备衬底。而由于电子比空穴迁移率大，为了获得良好的频率特性，在本发明实施例中，可以制备单晶si衬底。

s102，在所述衬底上形成第一ge(锗)层；

由于si和ge材料的热膨胀系数不同，可以通过si衬底与ge材料之间的热失配在ge材料层中引入应力，通过施加应力引起能带结构的调制；反映在能带图上，表现为导带底的曲率发生改变，实际上改变的是导带电子的有效质量，该改变可以引起各散射机制中散射概率的改变，进而提高电子迁移率。

鉴于此，在本发明实施例中，可以在si衬底上采用低温温度先形成第一ge层，再采用高温温度形成第二ge层。所述第一ge层是厚度较薄的ge薄膜层。所述第一ge层较薄的厚度，是为了降低随后形成的第二ge层的位错密度。

在所述衬底上形成第一ge层的方式可以包括分子束外延生长(molecularbeamepitaxy，mbe)法、化学气象淀积法(chemicalvapordeposition，cvd)和磁控溅法等等。当然，在本发明实施例中，在所述衬底上形成第一ge层的方式不限于以上所述方式。

s103，在所述第一ge层上形成第二ge层；

同理，在所述第一ge层上形成第二ge层的方式可以包括分子束外延生长法、化学气象淀积法和磁控溅法等等。当然，本发明实施例中，在所述第一ge层上形成第二ge层的方式不限于以上所述。

s104，将所述第二ge层进行热退火处理，得到张应变ge层；

第二ge层的形成会产生位错等缺陷，通过热退火处理，可以减小生长和掺杂过程中第二ge层中产生的缺陷和激活掺杂元素，提高质量，使形成的第二ge层变成高质量的应变ge成品。

关于热退火的处理过程，在此不进行详细说明。

s105，在所述张应变ge层上形成第一n型ge层；

在本发明实施例中，在所述张应变ge层上，可以进一步形成第一n型ge层，以在后续利用所述第一n型ge层作为肖特基二极管工作的有源区，提高肖特基二极管的抗闩锁效应，形成高性能的肖特基二极管。

s106，在所述第一n型ge层表面形成第一电极和第二电极。

在本发明实施例中，可以在所述第一n型ge层表面上，形成肖特基二极管的第一电极和第二电极，从而得到肖特基二极管，所述肖特基二极管可以用于微波无线能量传输。

需要说明的是，在本发明实施例中，第一电极与第二电极可以位于同一面，相比第一电极和第二电极分别位于上下面的肖特基二极管，本发明实施例提供的用于微波无线能量传输的肖特基二极管采用的是平面工艺。

为了布局清楚和便于方案理解，在后文中说明该步骤的具体过程。

本领域技术人员可以理解的是，在本发明实施例中，通过步骤s101-s106，可以生成si上张应变ge层，并利用该工艺制备出一种肖特基二极管。

本发明实施例所提供的方案中，制备si衬底后，在所述衬底上先后形成两层ge层，然后利用热退火产生si材料与ge材料之间的热失配，进而对ge材料能带结构进行调制，形成张应变ge层，并在所述张应变ge层上进一步外延第一n型ge层，最后在所述第一n型ge层表面形成第一电极和第二电极，得到肖特基二极管。

本发明实施例采用的张应变ge材料具有较高的迁移率，适用于微波无线能量传输系统内肖特基二极管，可以提升能量转换效率。

本发明实施例通过si衬底与ge材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的ge材料的应变，该过程步骤简单，且s-ge/si衬底半导体与si工艺兼容，具有明显的成本优势。

本发明实施例采用平面工艺制造方法制造用于微波无线能量传输的肖特基二极管，更易于集成和工艺控制。

本发明实施例在ge外延层上进一步外延第一n型ge层作为肖特基二极管工作的有源区，使得该肖特基二极管的抗闩锁效应好、性能高。

可选的，在本发明实施例中，在所述张应变ge层上形成第一n型ge层之前，所述方法还包括：

自然冷却所述衬底、所述第一ge层和所述张应变ge层，并用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述张应变ge层。

在本发明实施例中，可以使用稀氢氟酸(hf(dhf):h2o＝1:1.5)和去离子水(dl)循环清洗所述张应变ge层，以去除所述张应变ge层表面的油污和氧化层，获得清洁的表面，便于后续在所述张应变ge层上形成第一n型ge层。

当然，本发明实施例中，清洁所述张应变ge层的方式不限于以上所述。

为了理解本发明实施例所提供的用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的具体实施过程，以下结合图2-1～图2-11所示的本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备工艺示意图，对本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的制备方法进行详细说明。所述方法可以包括以下步骤：

s201，制备厚度为300～400μm的单晶si衬底；

如图2-1所示，可以制备厚度为300～400μm的单晶si衬底001。其中，300～400μm是肖特基器件制备中使用晶圆的一个典型厚度规格。

需要说明的是，s201是s101可选的一种实施方式。

s202，在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在所述衬底的一侧表面上，生长厚度为50nm的第一ge层；

如图2-2所示，可以在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在衬底001的上表面上，生长厚度为50nm的第一ge层002。

考虑生长的第一ge层002很薄，分子束外延是最合适的生长方式。

275℃～325℃温度为预设的低温温度，这个温度可以将因为晶格失配造成的位错密度尽量限制在50nm这个厚度的缓冲层内。50nm这个厚度适合在作为低温ge层的第一ge层002的上表面，继续生长高温ge层。

需要说明的是，s202是s102可选的一种实施方式。

s203，在500℃～600℃温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层的表面上，生长厚度为900nm～950nm的第二ge层；

如图2-3所示，可以在500℃～600℃温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层002的表面上，淀积厚度为900nm～950nm的第二ge层0031。

500℃～600℃温度为预设的高温温度，在高温温度下生长ge层可以促进结构结晶质量的提高。

发明人在应变ge用于无线能量传输的肖特基二极管仿真时发现：如果要满足肖特基二极管的基本性能要求，所述第二ge层厚度需要大于800nm，但是太厚的第二ge层又会降低器件速度，经过折中考虑，所述第二ge层的厚度确定为900nm～950nm，该厚度可以使所述第二ge层在后续的退火处理中，保证不增加rms(rate-monotonicscheduling，调度算法)值。

需要说明的是，s203是s103可选的一种实施方式。

s204，在750℃～850℃温度的氢气(h2)环境下，将所述第二ge层进行10～15分钟的热退火处理，得到张应变ge层；

为了提高晶格质量，可以在一个固定的温度或循环变化的温度中，进行热退火处理。在本发明实施例中，可以选取温度750℃～850℃。而为了加快ge原子在表面的扩散速度，可以选取h2气环境，且h2气比惰性气体成本低，在热解过程中不会引入别的杂质。在上述环境下，可以将所述第二ge层0031进行10～15分钟的热退火处理，将所述第二ge层0031变化为张应变ge层003。

需要说明的是，s204是s104可选的一种实施方式。

s205，自然冷却所述衬底、所述第一ge层和所述张应变ge层，并用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述张应变ge层；

关于该步骤的说明可以参见前文相关部分的说明，在此不再赘述。

s206，在500℃～600℃温度下，在所述张应变ge层上形成厚度为1000nm～1100nm的第一n型ge层；

如图2-4所示，可以利用分子束外延等方式，在500℃～600℃温度下，在s205得到的张应变ge层003上淀积厚度为1000nm～1100nm的第一n型ge层004。其中，所述第一n型ge层004的n型掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3。

所述第一n型ge层004属于轻掺杂，可以用于产生肖特基接触，进而在后续基于肖特基接触形成第二电极a2。

s207，在所述第一n型ge层的表面涂抹第一光刻胶，并曝光所述第一n型ge层表面所述第一区域的所述第一光刻胶；

可以理解的是，对一区域涂抹光刻胶可以对该区域进行保护。在本发明实施例中，首先如图2-5所示，在所述第一n型ge层004的整个表面涂抹第一光刻胶，得到005层；然后曝光所述第一n型ge层004表面上第一区域的第一光刻胶005，使得所述第一区域(如图2-6所示)失去光刻胶的保护，以便于后续仅对所述第一区域进行离子注入操作。

其中，所述第一区域为所述第一n型ge层的表面上，小于所述第一n型ge层的表面积的一个区域，如图2-6所示，所述第一区域可以为所述第一n型ge层表面左侧的一个区域。

s208，利用离子注入工艺向所述第一区域注入磷(p)离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge层；

如图2-6所示，可以利用离子注入工艺向所述第一区域注入p离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge层006。所述第二n型ge层006的厚度小于所述第一n型ge层004的厚度。所述第二n型ge层006的表面与所述第一n型ge层004的表面平齐。

所述第二n型ge层006为重掺杂，可以用于产生欧姆接触，进而基于欧姆接触形成第一电极a1。

关于利用离子注入工艺向所述第一区域注入p离子的具体过程在此不进行详细描述。

s209，去除所述第一n型ge层表面的所述第一光刻胶，并在600℃～1000℃温度的氢气环境中加热所述衬底、所述第一ge层、所述张应变ge层、所述第一n型ge层和所述第二n型ge层；

如图2-7所示，可以首先去除所述第一n型ge层004表面的第一光刻胶005层，然后在600℃～1000℃温度的h2气环境中加热所述衬底001、002-004及006层。

在600℃～1000℃的h2环境中加热所述衬底和各个层，可以修复离子注入造成的表面晶体损伤。

s210，利用电子束蒸发方式，在包含所述第二n型ge层的第一n型ge层表面，淀积厚度为10～20nm的al(铝)层，并利用刻蚀工艺刻蚀所述第一n型ge层表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层，将剩余的所述al层作为所述第一电极；

可以在图2-7的包含所述第二n型ge层006的第一n型ge层004表面上，利用电子束蒸发方式，淀积厚度为10～20nm的al层007，形成欧姆接触；并利用刻蚀工艺刻蚀所述第一n型ge层004表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层007，将剩余的所述al层007(如图2-8所示)作为第一电极a1。

在肖特基二极管的制备过程中，淀积的金属可以选择铝、金、钼、镍和钛等，考虑到形成肖特基接触所需材料的功函数和制造成本，在本发明实施例中，所述金属确定为铝。而对于金属的淀积方式来说，由于电子束蒸发方式最常用，效率也最高，因此，本发明实施例采用电子束蒸发方式。

在本发明实施例中，刻蚀工艺可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺等。

s211，在所述第一电极和所述第一n型ge层表面上涂抹第二光刻胶，并曝光所述第二区域的所述第二光刻胶；

可以将图2-8的所述第一电极和所述第一n型ge层004表面上涂抹第二光刻胶，并曝光第二区域的第二光刻胶，得到的第二光刻胶如图2-9的008所示。

其中，所述第二区域为所述第一n型ge层的表面上，小于所述第一n型ge层的表面积的一个区域，如图2-9所示，所述第二区域可以为所述第一n型ge层表面右侧的一个区域。所述第二区域的面积可以与所述第一区域的面积相同。

s212，在剩余所述第二光刻胶和所述第一n型ge层表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w(钨)层；

如图2-10所示，可以在图2-9的剩余的所述第二光刻胶008和所述第一n型ge层004表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w层009，形成肖特基接触。

s213，在包含所述第二n型ge层的所述第一n型ge层表面上，剥离除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶及所述第二光刻胶上的所述w层，将剩余所述w层作为所述第二电极。

如图2-11所示，可以将2-10中包含所述第二n型ge层006的所述第一n型ge层004表面上，除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶008及所述第二光刻胶上的所述w层009进行剥离，将第一n型ge层表面004剩余的w层009作为第二电极a2。其中，图2-11中a1和a2上方的竖线和圈圈代表导线。可以理解的是，图2-11即为所生成的用于微波无线能量传输的肖特基二极管。

由于欧姆接触需要重掺杂，肖特基接触需要轻掺杂，在本发明实施例中，电极a1和a2的位置是为了满足掺杂浓度要求与肖特基器件的功能需求而设计的。

需要说明的是，在本发明实施例中，基于欧姆接触形成的第一电极a1与基于肖特基接触形成的第二电极a2可以位于同一面，相比第一电极a1和第二电极a2分别位于上下面的肖特基二极管，本发明实施例提供的肖特基二极管采用的是平面工艺。

需要说明的是，s207-s213是s106可选的一种实施方式。

本发明实施例所提供的方案中，采用的张应变ge材料具有较高的迁移率，适用于微波无线能量传输系统内肖特基二极管，可大大提升能量转换效率。

本发明通过si衬底与ge材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的ge材料的应变，步骤简单，且s-ge/si衬底半导体与si工艺兼容，具有明显的成本优势。

本发明采用了平面工艺制造方法制造用于微波无线能量传输的肖特基二极管，更易于集成和工艺控制。

本发明在ge外延层上进一步外延n型ge层作为肖特基二极管工作的有源区，使得其器件抗闩锁效应好，所得n型ge层材料质量更高，器件性能更高。

请参见图2-11，图2-11为本发明实施例提供的一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管的示意图，在上述实施例的基础上，本发明还提供一种用于微波无线能量传输的肖特基二极管，其中，所述肖特基二极管由上述实施例所述的方法制备形成。

其中，图2-11的各个标号的含义不再赘述。

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。