一种MSM结构的GaN肖特基双向变容二极管及其制作方法与流程

一种msm结构的gan肖特基双向变容二极管及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及二极管及其制作方法，尤其涉及一种msm结构的gan肖特基双向变容二极管及其制作方法。


背景技术：

2.倍频电路是指利用半导体器件的电容或电阻的非线性变化实现将电磁波由低频倍频到更高频率的一类电路，在射频源里应用较多。其中通过使用肖特基二极管(sbd)c-v非线性变化实现倍频的应用方式较为广泛。通常而言倍频效率与肖特基二极管的c-v非线性有很大关系，更大的非线性变化能带来更高的倍频效率。对于普通整流肖特基二极管而言通常使用特定电压范围内的最大电容和最小电容的比值(变容比)来衡量肖特基二极管的非线性强弱。由于倍频电路中所使用的肖特基整流二极管工作于反向截止态，仅在反向截止区有倍频作用。另一方面，传统的gan肖特基整流二极管材料结构大多为掺杂的gan体材料，而gan体材料迁移率较低导通电阻较大。
3.一般而言可通过改变低掺杂层的掺杂浓度梯度对二极管的变容比加以改变。通常为表面高掺杂底部低掺杂以增大零偏置时的结电容而降低反向偏置时的电容进而提高变容比。但此种方法会增加零偏置时的结电容从而降低肖特基二极管的截止频率，而且当低掺杂层较薄时该方案效果不佳。因此在不显著恶化肖特基二极管其他性能指标的情况下解决如何提高肖特基二极管的变容比问题显得尤为重要。
4.对于整流肖特基二极管而言，为了实现正向导通反向截止的整流特性，一个二极管包括肖特基接触的阳极和欧姆接触的阴极，而欧姆接触的阴极将从两个方面来影响整流二极管的串联电阻，进而影响整流二极管的截止频率和倍频效率。第一个方面：欧姆接触工艺不恰当时，欧姆接触电阻会急剧恶化而增大欧姆接触的接触电阻，欧姆接触电阻的增大会增加肖特基整流二极管的串联电阻；第二个方面：随着倍频源所需的频率越来越高，使用与更高频段的肖特基整流二极管轮廓尺寸将越来越小，这就使得肖特基整流二极管有效的欧姆接触面积变小，进而增加肖特基整流二极管的欧姆接触电阻。此外对于传统肖特基整流二极管而言，在倍频电路的设计中为了获得更高的倍频效率和倍频输出功率，通常需要设计直流偏置电路，这又增加了倍频电路设计的复杂性。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种能降低串联电阻、提高倍频输出功率的msm结构的gan肖特基双向变容二极管及其制作方法。
6.技术方案：本发明的双向变容二极管，包括半绝缘衬底、第一阳极、第二阳极、第一空气桥、第二空气桥、第一加电平板、第二加电平板和有源区隔离台；所述有源区隔离台设于半绝缘衬底上，从下往上依次包括gan缓冲层、gan高掺n+层、gan低掺杂n-层、al
x
ga
1-x
n表面势垒层和阳极保护介质层；
7.所述第一阳极和第二阳极平行排列，均设于al
x
ga
1-x
n表面势垒层上；第一阳极和
第二阳极的侧面和上端面均设有阳极保护介质层，且上端面的阳极保护介质层上均设有通孔；
8.所述第一加电平板和第二加电平板均设于半绝缘衬底上，所述第一加电平板通过第一空气桥与第一阳极连接，所述第二加电平板通过第二空气桥与第二阳极连接。
9.进一步，所述半绝缘衬底选用的材料为gan、si、蓝宝石或sic。
10.进一步，在al
x
ga
1-x
n表面势垒层和gan低掺n-层之间，通过极化作用形成二维电子气；
11.gan缓冲层为非故意掺杂的gan层，厚度为0.1μm～2μm；
12.gan高掺n+层为掺si、ge或者o的n型掺杂层，厚度为0.5μm～2μm；
13.gan低掺杂n-层为掺si、ge或者o的n型掺杂层，厚度为0.2μm～2μm；
14.al
x
ga
1-x
n势垒层为非故意掺杂的algan层，x取值为0.01～1，厚度为5nm～40nm。
15.一种msm结构的gan肖特基双向变容二极管的制作方法，包括步骤如下：
16.(s1)使用去离子水对外延片进行清洗，所述外延片的结构，是在半绝缘衬底上依次外延有gan缓冲层、gan高掺n+层、gan低掺杂n-层和al
x
ga
1-x
n表面势垒层；随后在al
x
ga
1-x
n表面势垒层，生长一层sin
x
表面保护介质；
17.(s2)通过光刻工艺曝光出阳极的图案，并通过干法刻蚀去除掉阳极区域表面的sin
x
表面保护介质；然后通过溅射工艺或蒸发工艺将功函数高的金属制备到阳极区域；最后，在经过剥离和快速退火工艺后，形成两个肖特基阳极，两个肖特基阳极分别为第一阳极和第二阳极；
18.(s3)肖特基阳极制备完后，生长一层阳极保护介质覆盖肖特基阳极金属；
19.通过光刻工艺形成肖特基阳极开孔，并通过干法刻蚀的方式去除掉肖基特阳极开孔处的阳极保护介质层，确保肖特基阳极金属露出；
20.(s4)通过光刻工艺形成刻蚀有源隔离台面的光刻胶掩膜；随后先用icp刻蚀方法去除有源区隔离台面以外区域的阳极保护介质和外延片表面的sin
x
表面保护介质；接着使用氯基icp刻蚀方法去除有源区隔离台面以外区域的外延层；最后去除光刻胶掩膜并打胶，去除残胶，形成有源区隔离台面，且使两个肖特基阳极均处于隔离台面之上；
21.(s5)首先通过光刻工艺形成第一层电镀层光刻胶掩膜；随后通过金属溅射工艺溅射一层电镀的金属种子层；通过光刻工艺形成带有空气桥以及电平板形状的第二层电镀光刻胶掩膜，再经过电镀工艺形成电镀金属层；最后依次去除第二层电镀光刻胶掩膜、电镀种子层和第一层电镀光刻胶掩膜；最终得到两个空气桥以及两个加电平板，且每个空气桥的一端连接一个肖特基阳极、另一端连接一个加电平板。
22.进一步，所述步骤s2中，所述功函数高的金属为ni、au、pt、w或wn中的一种或几种组合；所述肖特基阳极的厚度均为0.3μm～1μm。
23.进一步，所述步骤s3中，所述肖特基阳极开孔应小于肖特基阳极的端面尺寸，确保阳极金属与al
x
ga
1-x
n势垒层接触的地方留有阳极保护介质层；所述阳极保护介质层的厚度为20nm～500nm。
24.进一步，所述步骤s4中，在肖特基阳极形成后，通过电镀将两个肖特基阳极分别通过空气桥连接到各自的加电平板上；空气桥距离al
x
ga
1-x
n势垒层表面的高度范围为0.5μm～3μm；空气桥的电镀层金属为au或cu，厚度为1μm～8μm。
25.本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、利用al
x
ga
1-x
n/gan形成的高迁移率二维电子气结和gan高掺n+层，能显著降低二极管的串联电阻；2、利用al
x
ga
1-x
n/gan的c-v强非线性特点提升二极管的变容比；3、与传统整流肖特基二极管相比，采用msm结构的肖特基双向变容二极管，能显著拓宽c-v非线性变化的电压区间，进而提高倍频输出功率；4、与传统整流肖特基二极管相比，采用msm结构的肖特基双向变容二极管，由于没有欧姆接触的存在，能避免欧姆接触引入的欧姆接触串联电阻；5、基于正反向都存在的c-v非线性变化的关系能降低倍频电路设计的复杂程度。
附图说明
26.图1为本发明的材料结构示意图；
27.图2为本发明制备完肖特基阳极后的示意图；
28.图3为本发明生长完阳极保护介质后的示意图；
29.图4为本发明刻蚀完阳极通孔处阳极保护介质后的示意图；
30.图5为本发明刻蚀完有源区隔离台面后的示意图；
31.图6为本发明电镀完空气桥和加电平板后的示意图；
32.图7为本发明制备完成后器件的俯视图；
33.图8为本发明的电路模型示意图；
34.图9(a)为肖特基整流二极管c-v关系图，
35.(b)为本发明msm结构的gan肖特基双向变容二极管的c-v关系图。
具体实施方式
36.下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
37.(一)双向变容二极管的结构
38.如图6所示为本发明的gan肖特基双向变容二极管的结构示意图，包括半绝缘衬底1、第一阳极21、第二阳极22、第一空气桥31、第二空气桥32、第一加电平板41、第二加电平板42和有源区隔离台8；有源区隔离台8设于半绝缘衬底材料1上，从下往上依次包括gan缓冲层2、gan高掺n+层3、gan低掺杂n-层4、al
x
ga
1-x
n表面势垒层5和阳极保护介质层6。阳极保护介质层6可以是sinx、sio2或al2o3中的一种或几种；第一阳极21和第二阳极22均设于al
x
ga
1-x
n表面势垒层5上；第一阳极21和第二阳极22的侧面和上端面均设有阳极保护介质层6，且上端面的阳极保护介质层6均设有通孔；第一加电平板41和第二加电平板42均设于半绝缘衬底材料1上，所述第一加电平板41通过第一空气桥31与第一阳极21连接，第二加电平板42通过第二空气桥32与第二阳极21连接。
39.如图1所示为本发明所使用的外延片结构示意图，包括半绝缘衬底1(可以是sic、蓝宝石、si或gan中的一种)、形成在半绝缘衬底1上的gan缓冲层2、形成在gan缓冲层2上的gan高掺n+层3、形成在gan高掺n+层3上面的gan低掺杂n-层4和形成在gan低掺杂n-层4上的al
x
ga
1-x
n表面势垒层5。
40.其中，在al
x
ga
1-x
n表面势垒层和gan低掺n-层之间，通过极化作用形成二维电子气(2deg)；gan缓冲层为非故意掺杂的gan层，厚度为0.1μm～2μm；gan高掺n+层为掺si、ge或者o(氧元素)的n型掺杂层，厚度为0.5μm～2μm；gan低掺杂n-层为掺si、ge或者o的n型掺杂层，
厚度为0.2μm～2μm；al
x
ga
1-x
n势垒层为非故意掺杂的algan层，x取值为0.01～1，厚度为5nm～40nm。
41.(二)双向变容二极管的制备过程
42.步骤一，使用去离子水对外延片进行清洗，随后生长一层几纳米到几十纳米不等的sin
x
表面保护介质，对材料表面进行保护，利用保护介质消除掉al
x
ga
1-x
n表面势垒层5表面的悬空共价键，使材料表面的缺陷态得到有效抑制。
43.步骤二，sin
x
表面保护介质生长后，通过光刻工艺曝光出阳极的图案，以光刻胶为掩膜，使用f基类气体刻蚀掉阳极区域的sin
x
表面保护介质。随后使用boe(buffered oxide etch缓冲刻蚀剂)和稀盐酸处理阳极区域裸露出的al
x
ga
1-x
n势垒层5，然后通过溅射工艺或蒸发工艺将ni、au、pt、w或wn等功函数高的金属制备到阳极区域，浸泡剥离后完成阳极金属的制备。最后，通过高温快速退火处理，使功函数高的阳极金属与al
x
ga
1-x
n势垒层5形成良好的肖特基接触。阳极制备后的结构如图2所示，第一阳极21和第二阳极22分别为msm结构的两个肖特基阳极。
44.步骤三，肖特基阳极制备完后，生长一层阳极保护介质将肖特基阳极覆盖，即阳极保护介质层6，生长完阳极保护介质后的结构如图3所示。生长完阳极保护介质层6后，通过光刻在阳极特定区域上方形成开孔，以光刻胶为掩膜刻蚀掉开孔处的阳极保护介质，使该特定区域的肖特基阳极金属露出，在阳极区域的阳极保护介质层6上形成阳极与空气桥连接的介质开孔，随后去除光刻胶掩膜，刻蚀出阳极连接开孔后的结构如图4所示。阳极连接开孔尺寸应小于阳极的尺寸，使阳极金属与al
x
ga
1-x
n势垒层5接触的地方仍然留有阳极保护介质层6，从而防止肖特基接触的界面受到其他物质的腐蚀。
45.步骤四，阳极所在的区域为有源区，以光刻胶为掩膜采用氯(cl)基干法刻蚀的方式使有源区与其他区域隔离开，形成有源区隔离台面8，防止其他区域的寄生电参量影响有源区的电特性。制备有源区隔离台面8步骤如下：在图4所示状态的基础上，通过光刻工艺形成刻蚀隔离台面的光刻胶掩膜；随后先用icp刻蚀的方法去除有源区隔离台面8以外区域的所有保护介质；接着使用氯(cl)基icp刻蚀的方法，去除有源区隔离台面8以外区域的al
x
ga
1-x
n层和gan外延层；最后去除光刻胶掩膜并通过打胶工艺去除残胶。形成有源区隔离台面8后的示意图如图5所示。
46.步骤五，通过电镀，在形成第一加电平板41和第二加电平板42的同时，将第一阳极21和第二阳极22引出，分别与第一加电平板41和第二加电平板42连接。该步骤工艺为：在图6所示状态的基础上，首先通过光刻工艺形成第一层电镀层光刻胶掩膜，该步骤目的是在空气桥下方形成光刻胶掩膜，并且在第一阳极21和第二阳极22的介质开孔处形成电镀连接所需的光刻胶掩膜开孔。随后通过金属溅射工艺溅射一层电镀的金属种子层,金属种子层覆盖有源区隔离台面8和半绝缘衬底1。金属种子层溅射完后，通过光刻工艺形成带有空气桥以及第一加电平板41和第二加电平板42形状的第二层电镀光刻胶掩膜，再经过电镀工艺形成电镀金属层，最后依次去除第二层电镀光刻胶掩膜、电镀种子层和第一层电镀光刻胶掩膜。电镀完后的示意图如图6所示，第一空气桥31连接第一阳极21和第一加电平板41，第二空气桥32连接第二阳极22和第二加电平板42。图7是电镀完后的俯视示意图，第一空气桥31和第二空气桥32的形状相同，第一空气桥31(第二空气桥32)在靠近第一阳极21(第二阳极22)的一端为竖直的柱状，形成在第一阳极21(第二阳极22)的介质开孔上方，部分与第一阳
极21(第二阳极22)的金属相连接，周围部分搭在第一阳极21(第二阳极22)的介质开孔周围的阳极保护介质上。第一空气桥31(第二空气桥32)在远离第一阳极21(第二阳极22)的一端直接与第一加电平板41(第二加电平板42)向连接，第一加电平板41和第二加电平板42形成在半绝缘衬底材料1上。
47.(三)双向变容二极管的工作原理
48.图8为本发明的原理示意图。图中al
x
ga
1-x
n势垒层5和gan低掺杂n-层4之间通过极化作用形成载流子迁移率较高的二维电子气2deg。肖特基接触类型的第一阳极21和第二阳极22与al
x
ga
1-x
n势垒层5接触形成两个肖特基结d1、d2,肖特基结d1、d2通过二维电子气2deg以及gan高掺n+层3相连接形成msm(金属-半导体-金属)的结构，msm结构可等效于两个二极管阴极相连。
49.在串联电阻方面，通常而言整流肖特基二极管总串联电阻rs＝rt+rc，rt为阳极到阴极之间半导体通路贡献的串联电阻，与半导体材料的载流子迁移率和掺杂浓度有关；rc为欧姆接触电阻，与器件设计、接触区半导体掺杂浓度以及欧姆接触工艺状态相关。本发明的msm结构的gan肖特基双向变容二极管的第一阳极21和第二阳极22之间存在两条导通路径：第一条导通路径是横向通过二维电子气2deg导通，该部分等效电阻为r1；第二条导通路径是先垂直通过gan低掺n-层4然后横向通过gan高掺n+层3形成导通，该部分等效电阻为r2。因电阻r1和r2并联，其等效电阻为rt，rt＝r1*r2/(r1+r2)，由于r1和r2是并联，因此第一阳极21和第二阳极22之间的导通电阻相比于只有二维电子气2deg导通或是只有gan高掺n+层3导通的二极管的串联电阻更小。同时本发明的msm结构的gan肖特基双向变容二极管在任何偏置电压下总有一个二极管处于截止状态，相比于传统的整流类型的肖特基二极管而言不存在导通态，因此不需要欧姆接触的阴极，由此规避了欧姆接触工艺引入的欧姆接触电阻rc。对比如下：传统整流肖特基二极管串联电阻rs＝r1+rc(横向sbd)或r2+rc(表面沟道准垂直sbd)，本发明的串联电阻rs＝rt＝r1*r2/(r1+r2)，因此本发明的msm结构的gan肖特基双向变容二极管与传统的横向sbd或表面沟道准垂直sbd相比，具有更小的串联电阻。
50.在变容比方面，传统的整流肖特基二极管只有一个肖特基结，结电容cj＝a*(v
bi-vr)-0.5
，vr为二极管的反向偏置电压，v
bi
为二极管的内建电压，a(为电容极板的正对面积)与肖特基结面积以及势垒层gan的载流子浓度有关。零偏置时vr为0，此时c
j0
＝a*v
bi-0.5
，当vr由反向电压变为正向电压且大于v
bi
时cj为0。传统al
x
ga
1-x
n/gan材料制备的横向sbd，其下层gan为非故意掺杂结构，采用该种材料制备的整流肖特基二极管，在零偏置时，由于二维电子气2deg的存在而具有较大的结电容；在反向偏置时，非故意掺杂的gan层载流子快速耗尽而使结电容快速变小，因此该种二极管仅在很小的一段反向电压范围内存在c-v的非线性变化。此外，传统n-gan结合n+gan材料制备的表面沟道准垂直sbd，在倍频领域使用时，为了获得更小的串联电阻，通常要将n-gan层设计得尽可能薄，这会增大反向偏置时的结电容，从而使二极管的变容比降低，c-v非线性变弱。
51.本发明通过结合al
x
ga
1-x
n/gan和n型gan掺杂层的材料结构，规避了al
x
ga
1-x
n/gan材料的横向sbd c-v的非线性变化反向电压范围小、n-gan结合n+gan材料的表面沟道准垂直sbd变容比低以及c-v非线性弱的缺点。本发明的双向变容二极管为非整流形式的二极管，其存在两个肖特基结。因此在任何电压偏置范围内总有一个肖特基结处于截止状态而
另一个处于接近零偏置状态，总的结电容为两个肖特基结结电容串联的结果，即cj＝c
j1
*c
j2
/(c
j1
+c
j2
)，由此，本发明的二极管总结电容变小，零偏置时的结电容仅有单个肖特基结电容的一半；同时由于正反向都处于截止态，vr在正反向电压下都能使结电容c存在一定变化，而传统整流肖特基二极管的结电容c只在vr小于v
bi
时才存在一定变化。因此，本发明的双向变容二极管c-v非线性变化的电压区间的拓宽，有利于提高倍频效率和倍频输出功率，本发明的双向变容二极管与传统整流肖特基二极管的c-v变化关系对比如图9所示。
52.综上所述，本发明使用了al
x
ga
1-x
n/gan结合n型gan掺杂层的材料结构，利用al
x
ga
1-x
n/gan形成的高迁移率二维电子气(2deg)降低二极管的串联电阻；利用al
x
ga
1-x
n/gan结构的强非线性c-v特性提高二极管的变容比；利用n型gan掺杂层提高大偏置电压下的c-v非线性，以及进一步降低串联电阻。同时，本发明的msm(金属-半导体-金属)结构二极管拓宽了二极管c-v变化的电压区间，降低了二极管的串联电阻和总结电容，能有效提高倍频源的倍频效率和输出功率。本发明通过将传统肖特基整流二极管的欧姆接触阴极变为肖特基接触的阳极，进而实现了在正反向都存在c-v变化的双向变容二极管，因此，本发明的双向变容二极管具有c-v特性对称的特点，其倍频效率最高时即为零偏置状态，在倍频电路的设计中可不需要直流偏置电路，大大简化了倍频电路的设计负责度。