本发明涉及一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法，属于半导体外延材料。
背景技术：
1、要实现太赫兹技术的具体应用，首先需研制出太赫兹功率源电路，目前实现太赫兹功率源电路的最可能途径是利用sbd倍频原理研制出600ghz以上的太赫兹电路。相对二代半导体砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)等，gan材料具备宽禁带、高击穿及电子饱和速度高等特性，因而gan sbd器件在高频段下能够获得更高的输出功率，被认为是实现太赫兹应用的理想方案之一。然而，现阶段研制的gan sbd器件由于串联电阻偏高，导致截止频率及工作效率均偏低，不能满足太赫兹应用的要求。
2、目前降低gan sbd器件串联电阻的方法主要有两种：一是引入异质结多沟道结构，利用多层异质结沟道提高二维电子气密度，从而降低串联电阻，但这种方法的不足在于结构复杂，工艺实现难度大，且多沟道的互耦合作用限制了器件性能的充分发挥；二是通过提高n+-gan重掺层、n++-gan欧姆高掺层的掺杂浓度，提升单位面积下的电子密度，降低gansbd外延材料的方块电阻，从而降低器件的串联电阻，增大隧穿电流。
3、由于硅烷具有成本低、并入效率高等特点，因而是gan材料中常用的n型掺杂源。然而，硅原子与镓原子半径尺寸差别较大，在gan材料中掺入高剂量的硅原子会引起明显的晶格失配、热失配应力，导致外延材料应力较高、晶体缺陷密度较大，且材料应力随着掺杂浓度和掺杂厚度的增加而增长到一定程度时会导致外延材料表面出现大量裂纹，严重影响材料质量。为保持gan sbd外延材料较低的应力和较高的质量，需要减小gan sbd外延材料的掺杂浓度和掺杂厚度，即增大外延材料的方块电阻，但会造成gan sbd器件串联电阻偏高而不能满足太赫兹功率源电路的研制要求。因此，在有效控制外延材料应力、保持较高材料质量的同时，显著降低gan sbd外延材料的方块电阻，从而大幅度降低gan sbd器件的串联电阻，对于太赫兹gan sbd功率源电路的实现及太赫兹应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、当前gan sbd技术受限于外延材料应力较高、材料质量偏低的问题导致方块电阻偏高、电子输运特性不佳，造成器件串联电阻偏高、截止频率和工作效率低下，不能满足太赫兹功率源电路的研制要求。
2、针对现有技术问题，本发明的目的在于提出了一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法，通过在aln成核层与uidgan缓冲层界面引入alxga1-xn下层应力调制层，降低衬底与gan sbd外延材料间的热失配应力；在uidgan缓冲层与n+-gan重掺层界面引入alyga1-yn上层应力调制层，降低uidgan缓冲层与n+-gan重掺层间晶格失配应力；在n++-gan欧姆高掺层与n--gan轻掺层间引入n-gan过渡层，并采用高温、低生长速率工艺生长n--gan轻掺层，提升n--gan轻掺层的材料质量及电子输运特性。本方法实现的gan sbd外延材料质量高、应力小、方块电阻低，有利于降低gan sbd器件的串联电阻，提高器件的截止频率和工作效率，实现gan太赫兹功率源电路的研制。
3、为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
4、一种氮化镓肖特基二极管的材料结构，所述材料结构由下而上依次为衬底、aln成核层、alxga1-xn下层应力调制层、uidgan缓冲层、alyga1-yn上层应力调制层、n+-gan重掺层、n++-gan欧姆高掺层、n-gan过渡层、n--gan轻掺层组成的。
5、作为改进的是，所述alxga1-xn下层应力调制层的厚度d1为10-40nm，x为10-40％，alyga1-yn上层应力调制层的厚度d2为5-30nm，y为10-35％。其中，x表示x,y为对应层中algan合金中al的合金百分比。引入alyga1-yn上层应力调制层，能改善uidgan缓冲层与n+-gan重掺层间晶格失配应力，降低材料翘曲。当alyga1-yn上层应力调制层较厚(d2＞30nm)、铝组分较高(y＞35％)时，alyga1-yn上层应力调制层的晶格常数要低于n+-gan重掺层的晶格常数，导致uidgan缓冲层与n+-gan重掺层间晶格失配应力增大，且不利于后续n+-gan重掺层高质量外延生长，因此上层应力调制层的d2范围为5-30nm，al组分y范围10-35％为宜。
6、作为改进的是，n-gan过渡层，其厚度d4范围3-15nm。
7、作为改进的是，n+-gan重掺层，其掺杂厚度和掺杂浓度的乘积≥2.7*1015cm-2，对应方块电阻≤12ω/□。通过引入alxga1-xn下层应力调制层降低热失配应力、引入alyga1-yn上层应力调制层降低晶格失配应力，因此gan sbd外延材料应力控制在较低水平，即在保持较高的材料质量及较平整的表面形貌基础上，n+-gan重掺层掺杂厚度和掺杂浓度的乘积获得了提升，对应的方块电阻降低。为实现gan sbd器件较低的串联电阻，n+-gan重掺层掺杂厚度和掺杂浓度的乘积≥2.7*1015cm-2，对应方块电阻≤12ω/□。
8、作为改进的是，n++-gan欧姆高掺层的厚度d3范围为50-200nm，掺杂浓度≥5*1019cm-3，且在生长期间通入铟源。为降低gan sbd器件欧姆接触工艺难度、实现高质量欧姆接触特性，欧姆高掺层厚度d3≥50nm，掺杂浓度≥5*1019cm-3，同时为保持欧姆高掺层较好的表面形貌，为后续n--gan轻掺层生长提供较高质量的基板，欧姆高掺层厚度d3≤200nm。在n++-gan欧姆高掺层生长期间通入表面活性剂铟源，能够改善材料质量及表面形貌。
9、上述一种氮化镓肖特基二极管的材料结构的外延方法，包括以下步骤：
10、(1)选取衬底，并置于mocvd等气相外延生长的设备内基座上，在反应室内充入氢气，设定反应室压力为30-150torr，同时升温至1000-1100℃，确保衬底在氢气氛围下烘烤5-15分钟，去除衬底表面的沾污；
11、(2)在氨气氛围下，将反应室升温至1100-1250℃，设定压力为30-200torr，通入铝源，生长15-50nm厚的aln成核层，关闭铝源；
12、(3)在氨气氛围下设定反应室温度为980-1120℃，设定压力为50-250torr，通入镓源和铝源，生长厚度为d1的alxga1-xn下层应力调制层，其中x为合金algan的al组分，关闭镓源和铝源；引入alxga1-xn下层应力调制层，能改善衬底与gan sbd外延材料间的热失配应力，降低外延材料翘曲；当alxga1-xn下层应力调制层较厚(d1＞40nm)、铝组分较高(x＞40％)时，gan侧向外延生长模式被抑制，导致外延材料质量退化，且对热失配应力改善效果减小，因此下层应力调制层的厚度d1为10-40nm、al组分x范围10-40％。
13、(4)在氨气氛围下设定反应室温度为950-1100℃，设定压力为100-500torr，通入镓源，生长0.5-1.5μm厚的uidgan缓冲层，关闭镓源；
14、(5)在氨气氛围下设定反应室温度为950-1100℃，设定压力为50-250torr，通入镓源和铝源，生长厚度为d2的alyga1-yn上层应力调制层，其中y为合金algan的al组分，关闭镓源和铝源；
15、(6)在氨气氛围下设定反应室温度为950-1100℃，设定压力为100-500torr，通入镓源和硅烷，生长n+-gan重掺层，关闭镓源和硅烷；
16、(7)在氨气氛围下保持反应室温度、压力不变，通入镓源、铟源和硅烷，生长厚度为d3的n++-gan欧姆高掺层；
17、(8)保持生长条件不变，生长厚度为d4的n-gan过渡层,在生长n-gan过渡层的期间，硅烷流量逐渐减小至n++-gan欧姆高掺层的硅烷流量的1/100～1/10，随后关闭镓源、铟源和硅烷；
18、(9)在氨气氛围下保持反应室压力不变，在n-gan过渡层的基础上升温20-60℃，通入镓源和硅烷，在生长速率为v的条件下生长n--gan轻掺层，关闭镓源和硅烷；降至室温，取出外延片，其中采用高温、低速率的生长工艺能改善n--gan轻掺层的材料质量及电子迁移率，有利于提升gan sbd器件性能，即外延方法方法中从步骤(2)至反应结束均是在氨气气氛下完成。
19、作改进的是，步骤(1)中衬底为sic单晶衬底、硅衬底，或蓝宝石衬底。
20、作改进的是，步骤(9)中生长速率v范围0.3-1.5μm/小时。
21、有益效果：
22、与现有技术相比，本发明一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法，具有如下优势：
23、(1)通过在aln成核层与uidgan缓冲层界面引入alxga1-xn下层应力调制层，降低衬底与gan sbd外延材料间的热失配应力；在uidgan缓冲层与n+-gan重掺层界面引入alyga1-yn上层应力调制层，降低uidgan缓冲层与n+-gan重掺层间晶格失配应力，因此gan sbd外延材料应力得到显著改善，翘曲显著降低。得益于应力的改善，gan sbd外延材料在保持较高的材料质量及较平整的表面形貌基础上，n+-gan重掺层掺杂厚度和掺杂浓度的乘积获得了提升，有利于降低gan sbd器件较低的串联电阻，提升高频性能。
24、(2)在n++-gan欧姆高掺层与n--gan轻掺层间引入n-gan过渡层，并采用高温、低生长速率工艺生长n--gan轻掺层，提升n--gan轻掺层的材料质量及电子输运特性，进一步提升gan sbd器件性能。