一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管及其制备方法

摘要

本发明公开一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管及其制备方法，包括：包含金刚石衬底；金刚石衬底的一面设有金刚石外延层，另一面设有欧姆接触电极；金刚石外延层的表面形成有凸梁与沟道相间的微观结构；凸梁的表面形成有氧终端表面；氧终端表面上设有低势垒肖特基区域金属；金刚石外延层的微观结构中除凸梁表面的区域设有氟终端；低势垒肖特基区域金属和氟终端的表面形成一层高势垒肖特基区域金属。与现有技术相比，通过本发明，能够获得同时具有正向开启电压小、电流密度大、反向漏电流小、击穿电压高的肖特基二极管。

权利要求

1.一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管，其特征在于，包括：包含金刚石衬底(1)；

金刚石衬底(1)的一面设有金刚石外延层(2)，另一面设有欧姆接触电极(5)；

金刚石外延层(2)的表面形成有凸梁(3)与沟道(4)相间的微观结构；

凸梁(3)的表面形成有第一终端；第一终端表面上设有低势垒肖特基区域金属(7)；

金刚石外延层(2)的微观结构中除凸梁(3)表面的区域设有第二终端；

低势垒肖特基区域金属(7)和第二终端的表面形成一层高势垒肖特基区域金属(9)；

第一终端为氧终端；第二终端为氟终端。

2.根据权利要求1所述的一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管，其特征在于，高势垒肖特基区域金属(9)和金刚石衬底(1)的沟道第二终端表面形成的接触势垒比和金刚石凸梁上表面第一终端表面形成接触势垒要高。

3.根据权利要求1所述的一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管，其特征在于，所述金刚石衬底(1)为p型金刚石。

4.一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括：(1)将p型金刚石衬底清洗干净，并在其表面生长一层金刚石外延层；

(2)在金刚石外延层上，刻蚀出条形沟道，形成周期性沟道与凸梁相间的微观结构；

(3)在p型金刚石衬底背面制作欧姆接触电极；

(4)将步骤(2)中得到的带有周期性沟道与凸梁相间的微观结构的金刚石外延层采用反应离子刻蚀技术表面处理，将凸梁上表面处理成一种表面终端；

(5)将步骤(4)中得到的金刚石外延层面利用光刻技术，并结合电子束蒸发或是磁控溅射方法在凸梁的上表面沉积金属，形成低势垒肖特基区域金属；

(6)将步骤(5)中得到的周期性沟道与凸梁相间的微观结构的沟道部分，再次采用反应离子刻蚀的方法利用不同的气体等离子体，将金刚石表面处理成另一种表面终端；

(7)将步骤(6)中得到的金刚石再次镀上步骤(5)中的金属，形成高势垒肖特基区域金属，完成p型金刚石高低势垒肖特基二极管的制备；高势垒肖特基区域金属和步骤(6)中的金刚石沟道表面终端形成的接触势垒比和步骤(5)中表面终端的接触势垒要高；

在步骤(4)中采用氧气等离子体处理金刚石沟道微观结构的凸梁上表面，形成氧终端；

在步骤(6)中采用四氟化碳等离子体处理除金刚石微观结构凸梁上表面以外的表面，形成氟终端。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)采用MPCVD方法在p型金刚石衬底生长出一层厚度为0.5-60微米的金刚石外延层。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中采用干法刻蚀出的沟道深度为0.2-10微米，该深度小于金刚石外延层厚度。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中采用蒸发或是溅射方法沉积的金属为金，钯或铜。

说明书

一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金刚石半导体电力电子技术领域，涉及一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着国民经济的高速发展，电力能源的需求与日俱增。电力能源的产生、运输、消费以及在这些过程中电力能源的有效转换技术和控制技术，已经成为节省能源和社会持续发展两兼顾不可欠的关键技术。在电力能源控制技术和利用效率的提高中，起关键作用的就是功率电子器件及包含功率电子器件的电力转换器。作为功率电子器件的一部分，肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成肖特基势垒具有整流特性而制成的，具有正向压降低、开关速度快等优点，适合于高频、大电流、高功率等。在实际的应用场合中，要求肖特基二极管具有小的导通电阻、大的电流密度、极大的关断电阻和高的击穿场强。同时，为了实现电力转换模组的小型化和轻量化，需要功率电子器件具有高速开关及高温动作的特性，这就对器件材料提出了非常苛刻的要求。在此情况下，具有优良特性的金刚石半导体进入了科学家的视野。与Si、GaAs、SiC以及GaN等半导体相比较，金刚石具有高热导率、高击穿场强、高迁移率、低介电常数、高的功率器件因子等优秀特性，是研发高温、高耐压、超大功率肖特基二极管的首选材料之一。

[0003] 金刚石肖特基二极管的研发于1990年前后开展。由于当时金刚石的合成、器件工艺、评价技术还未成熟，器件性能好坏主要以整流特性作为评判标准。器件结构主要在p-/Si、p-/Ib基础上开发出来的，击穿电压只有5-100V，正向导通电流密度只有1A/cm2，性能低下。经过数十年的发展，单晶金刚石薄膜生长工艺得到极大的改善，金刚石肖特基二极管的结构也得到了优化，使得器件性能大幅度提升。法国科学家A.Traoré等人实现了击穿场强约7.7MV/cm，击穿电压大于1000V，正向电流密度约1000A/cm2的功率肖特基二极管。

[0004] 目前业界多采用场板结构和刻蚀技术等器件结构来改善肖特基二极管的电学特性。具体步骤为采用氧化铝、二氧化硅作为介质层改善肖特基二极管的电场分布，以此来提高肖特基二极管的击穿电压。但是此种办法没有办法同时兼顾正向开启电压小、电流密度大、反向漏电流小、击穿电压高的电学特性。众所周知，低势垒肖特基接触金属制备的肖特基二极管在施加较小的正向偏置电压使可得到较大的正向电流，而若持续增加反向偏压时也会产生较大的反向漏电流；高势垒肖特基接触金属制备的肖特基二极管在施加较大的正向偏置电压时才能产生较大的正向电流，因此，此种肖特基二极管具有反向漏电流较小和击穿电压大的电学特性。结合高低势垒制备金刚石肖特基二极管，则可以兼顾两者优点，获得正向开启电压小、电流密度大、反向漏电流小、击穿电压高的肖特基二极管。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管及其制备方法，克服传统肖特基二极管正向开启电压与正向电流密度和反向漏电流与击穿电压之间的矛盾问题；本发明利用金属在金刚石两种表面终端形成的肖特基接触势垒高度不同从而形成高低势垒肖特基二极管。在正向偏置电压下，低势垒肖特基接触区域优先导通，此时可获得较小的正向偏置电压和较大的正向电流密度，在反向偏置电压下，高势垒肖特基接触区域形成的电场线夹断低势垒肖特基接触形成的电场线，因此漏电流较小且击穿电压大。这种方法得到的肖特基二极管具有正向开启电压小、电流密度大、反向漏电流小、击穿电压高的优点。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管，包括：包含金刚石衬底；金刚石衬底的一面设有金刚石外延层，另一面设有欧姆接触电极；金刚石外延层的表面形成有凸梁与沟道相间的微观结构；凸梁的表面形成有第一终端表面；第一终端表面上设有低势垒肖特基区域金属；金刚石外延层的微观结构中除凸梁表面的区域设有第二终端；低势垒肖特基区域金属和第二终端的表面形成一层高势垒肖特基区域金属；高势垒肖特基区域金属和金刚石衬底的沟道第二终端表面形成的接触势垒比和金刚石凸梁上表面第一终端表面形成接触势垒要高。

[0008] 进一步的，所述金刚石衬底为p型金刚石。

[0009] 进一步的，第一终端为氧终端；第二终端为氟终端。

[0010] 一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管的制备方法，包括：

[0011] (1)将p型金刚石衬底清洗干净，并在其表面生长一层金刚石外延层；

[0012] (2)在金刚石外延层上，刻蚀出条形沟道，形成周期性沟道与凸梁相间的微观结构；

[0013] (3)在p型金刚石衬底背面制作欧姆接触电极；

[0014] (4)将步骤(2)中得到的带有周期性沟道与凸梁相间的微观结构的金刚石外延层采用反应离子刻蚀技术表面处理，将凸梁上表面处理成一种表面终端；

[0015] (5)将步骤(4)中得到的金刚石外延层面利用光刻技术，并结合电子束蒸发或是磁控溅射方法在凸梁的上表面沉积金属，形成低势垒肖特基区域金属；

[0016] (6)将步骤(5)中得到的周期性沟道与凸梁相间的微观结构的沟道部分，再次采用反应离子刻蚀的方法利用不同的气体等离子体，将金刚石表面处理成另一种表面终端；

[0017] (7)将步骤(6)中得到的金刚石再次镀上步骤(5)中的金属，形成高势垒肖特基区域金属，完成p型金刚石高低势垒肖特基二极管的制备；高势垒肖特基区域金属和步骤(6)中的金刚石沟道表面终端形成的接触势垒比和步骤(5)中表面终端的接触势垒要高。

[0018] 进一步的，在步骤(1)采用MPCVD方法在p型金刚石衬底生长出一层厚度为0.5-60微米的金刚石外延层。

[0019] 进一步的，在步骤(2)中采用干法刻蚀出的沟道深度为0.2-10微米，该深度小于金刚石外延层厚度。

[0020] 进一步的，在步骤(4)中采用氧气等离子体处理金刚石沟道微观结构的凸梁上表面，形成氧终端。

[0021] 进一步的，在步骤(5)中采用蒸发或是溅射方法沉积的金属为金，钯或铜。

[0022] 进一步的，在步骤(6)中采用四氟化碳等离子体处理除金刚石微观结构凸梁上表面以外的表面，形成氟终端。

[0023] 进一步的，采用步骤(4)和(6)反应离子刻蚀中的等离子体为四氟化碳、氧气和氯气中的任一种。

[0024] 进一步的，采用步骤(4)和(6)中得到的终端覆盖率为10％-100％。

[0025] 本发明与现有的技术相比，具有以下优点：

[0026] 1、通过应用同种金属与不同的金刚石表面终端形成高低势垒肖特基接触的原理，制备出金刚石高低势垒肖特基二极管。在正向电压下，低势垒肖特基接触优先导通，在反向偏压下，高势垒肖特基接触夹断低势垒肖特基接触，抑制漏电流。利用该方法可以得到正向开启电压小、电流密度大、反向漏电流小、击穿电压高的肖特基二极管。

[0027] 2、该方法通过选择等离子体修饰金刚石表面，选择不同的等离子体及气体流量参数，可以更加精确地调控表面终端的覆盖率，以此来调控肖特基二极管的电学特性。

[0028] 3、该方法可制备出不同终端的金刚石表面，根据金属与不同终端覆盖率得到的接触势垒高度不同，在肖特基二极管等功率电子学领域具有很大的应用前景。

附图说明

[0029] 图1为金刚石高低势垒肖特基二极管正向工作原理图；

[0030] 图2为金刚石高低势垒肖特基二极管反向工作原理图；

[0031] 图3为金刚石高低势垒肖特基二极管的结构示意图；

[0032] 图4-1至图4-8为本发明金刚石高低势垒肖特基二极管的制备方法流程图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明详细说明。

[0034] 请参阅图3所示，本发明一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管，包含金刚石衬底1、金刚石外延层2、凸梁3、沟道4、欧姆接触电极5、氧终端表面6、低势垒肖特基区域金属7、氟终端表面8和高势垒肖特基区域金属9。

[0035] 金刚石衬底1的一面设有金刚石外延层2，另一面设有欧姆接触电极5；金刚石外延层2的表面形成有凸梁3与沟道4相间的微观结构；凸梁3的表面形成有氧终端表面6；氧终端表面6上设有低势垒肖特基区域金属7；金刚石外延层2的微观结构中除凸梁3表面的区域设有氟终端8；低势垒肖特基区域金属7和氟终端8的表面形成一层高势垒肖特基区域金属9。

[0036] 低势垒肖特基区域金属7和金刚石表面可形成接触势垒高度较低的肖特基接触；高势垒肖特基区域金属9和金刚石沟道氟终端表面形成的接触势垒比和金刚石凸梁上表面氧终端表面形成接触势垒要高。

[0037] 参阅图4-1至图4-8，本发明还提供了一种p型金刚石高低势垒肖特基二极管的制备方法，包括一下步骤：

[0038] (1)对p型金刚石衬底1进行酸碱处理，丙酮、酒精、去离子水清洗干净，用氮气吹干，如图4-1所示；

[0039] (2)利用微波等离子体化学气相沉积的方法在p型金刚石衬底1表面生长一层金刚石外延层2，如图4-2所示；

[0040] (3)在金刚石外延层2上，利用金属作为掩膜，采用干法刻蚀的方法刻蚀出条形沟道，形成周期性沟道4与凸梁3相间的微观结构，如图4-3所示；

[0041] (4)在p型金刚石衬底1背面制作欧姆接触电极5，如图4-4所示；

[0042] (5)将步骤(3)中得到的带有周期性沟道4与凸梁3相间的微观结构采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)技术利用氧气等离子体将凸梁3上表面处理成氧终端6，如图4-5所示；

[0043] (6)将步骤(5)中得到的外延层面利用光刻技术，并结合电子束蒸发(Electron beam Evaporation)或是磁控溅射(Magnetron Sputtering)方法在凸梁3的上表面沉积金属，形成低势垒肖特基区域金属7，且该金属和金刚石表面可形成接触势垒高度较低的肖特基接触，如图4-6所示；

[0044] (7)将步骤(6)中得到的周期性沟道4与凸梁3相间的微观结构的沟道部分，再次采用反应离子刻蚀的方法利用四氟化碳气体等离子体，将暴露出来的金刚石表面处理成氟终端8，如图4-7所示；

[0045] (8)将步骤(7)中得到的金刚石再次镀上步骤(6)中的金属，形成高势垒肖特基区域金属9；该金属和金刚石沟道氟终端表面形成的接触势垒比和金刚石凸梁上表面氧终端表面形成接触势垒要高。此时，p型金刚石高低势垒肖特基二极管制作完毕，如图4-8所示。

[0046] 以下所有实例都是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述实例。

[0047] 实施例1：

[0048] (1)使用标准的酸碱性洗工艺对金刚石衬底1进行清洗，除去表面的非金刚石相，然后使用丙酮、酒精、去离子水对金刚石衬底1进行清洗，并使用氮气吹干金刚石衬底1。

[0049] (2)利用微波等离子体化学气相沉积技术在金刚石衬底1上生长0.5-60微米厚的外延层2。

[0050] (3)利用光刻技术和磁控溅射技术将需要刻蚀的沟道裸露出来，采用金属做掩膜遮蔽无需刻蚀的地方。

[0051] (4)采用干法刻蚀将步骤(3)得到的金刚石外延层，刻蚀后得到凸梁3和沟道4相间的微观结构，其中沟道深度为0.2-10微米。

[0052] (5)在步骤(4)中得到金刚石外延层背面制作欧姆接触电极5。

[0053] (6)利用光刻技术将步骤(5)中的金刚石外延层除凸梁3以外的地方用光刻胶遮挡起来，采用反应离子刻蚀技术，使用氧气等离子体将凸梁上表面处理成氧终端6。

[0054] (7)采用电子束蒸发的方式在步骤(6)得到的金刚石外延层凸梁上表面沉积金属形成低势垒肖特基接触。

[0055] (8)再次采用反应离子刻蚀技术，利用四氟化碳等离子体将步骤(7)中除凸梁上表面以外的区域处理成氟终端表面8。

[0056] (9)利用光刻技术将步骤(8)中得到的金刚石外延层光刻出高势垒肖特基接触图形，采用电子束蒸发的方式再次沉积步骤(7)中沉积的金属。

[0057] (10)金刚石高低势垒肖特基二极管制备完毕。

[0058] 实施例2

[0059] (1)使用标准的酸碱性洗工艺对金刚石衬底1进行清洗，除去表面的非金刚石相，然后使用丙酮、酒精、去离子水对金刚石衬底1进行清洗，并使用氮气吹干金刚石衬底1。

[0060] (2)利用微波等离子体化学气相沉积技术在金刚石衬底1上生长0.5-60微米厚的外延层2。

[0061] (3)在步骤(2)中得到金刚石外延层背面制作欧姆接触电极5。

[0062] (4)利用光刻技术和磁控溅射技术将需要刻蚀的沟道裸露出来，无需刻蚀的地方采用金属做掩膜。

[0063] (5)采用干法刻蚀技术刻蚀步骤(4)中的金刚石外延层，刻蚀出凸梁3和沟道4相间的微观结构，其中沟道深度为0.2-10微米。

[0064] (6)采用反应离子刻蚀技术刻蚀步骤(5)中的金刚石外延层，使用氧气等离子体将金刚石表面处理成氧终端6。

[0065] (7)采用电子束蒸发的方式在步骤(6)得到的金刚石外延层凸梁上表面沉积金属形成低势垒肖特基接触。

[0066] (8)再次采用反应离子刻蚀技术，利用四氟化碳等离子体将步骤(7)中的金刚石外延层除凸梁上表面以外的区域处理成氟终端表面8。

[0067] (9)利用光刻技术将步骤(8)中得到的金刚石外延层光刻出高势垒肖特基接触图形，采用电子束蒸发的方式再次沉积步骤(7)中沉积的金属。

[0068] (10)金刚石高低势垒肖特基二极管制备完毕。

[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。