本发明属于太赫兹高频器件和集成电路制备领域，公开了一种GaN基SBD变频电路，包括基于衬底的电路和基于垂直电极的GaN基SBD器件，所述基于衬底的电路依次包括衬底及第一层金属，所述基于垂直电极的GaN基SBD器件从下至上依次包括第二层金属、第一层介质层、GaN缓冲层、n+GaN层、n‑GaN层、第三层金属、第二层介质层及第四层金属；还公开了GaN基SBD变频电路的制作方法，本发明通过结构和技术创新让第三代宽禁带半导体GaN和金刚石材料的优势得到充分利用和整合，用于实现高功率、高温度可靠性的高性能变频电路。
1.一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：包括基于衬底的电路和基于垂直电极的GaN基SBD器件，所述基于衬底的电路依次包括衬底及第一层金属，所述基于垂直电极的GaN基SBD器件从下至上依次包括第二层金属、第一层介质层、GaN缓冲层、n+GaN层、n-GaN层、第三层金属、第二层介质层及第四层金属，所述第一层金属与所述第二层金属之间通过金属-金属直接键合的方式连接和/或所述第一层金属与所述第四层金属之间通过金属-金属键合pad点做直接的金属-金属键合。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述衬底为以金刚石、Si或蓝宝石为支撑的衬底，所述衬底的上层为金刚石单晶、多晶或非晶薄膜，所述衬底的厚度大于1nm。
3.根据权利要求2所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述第一层金属制作在所述衬底上，用于实现倍频和混频电路中的电路功能，所述第一层金属还用作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的键合金属pad点，所述第一层金属的厚度50nm-50μm，所述第一层金属、所述第二层金属及所述第四层金属的材质均为Ti、Al、Ni、Cr、Pt、Cu、Ag和Au中的一种或多种的堆叠。
4.根据权利要求3所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述第二层金属为所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，其厚度为50nm-50μm。
5.根据权利要求4所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述第一层介质层与所述第二层介质层的材质均为SiN、SiO2、HfO2、ZrO2、Y2O3、AlN和Al2O3中的一种或多种，所述第一层介质层与所述第二层介质层的厚度均为0-10μm。
6.根据权利要求5所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述GaN缓冲层为半绝缘的GaN缓冲层，其厚度0-10μm，所述n+GaN层为n型掺杂的GaN层，其掺杂浓度大于8×1017/cm3，所述n+GaN层的厚度为100nm-10μm，所述n-GaN层的掺杂浓度为1×1016/cm3-2×1018/cm3，所述n-GaN层的厚度为50nm-3μm。
7.根据权利要求6所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述第三层金属为所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极，其厚度为50nm-50μm，所述第三层金属的材质为Ni、Ti、Cr、Pt、Ag和Au中的一种或多种的堆叠。
8.根据权利要求7所述的一种GaN基SBD变频电路，其特征在于：所述第四层金属为加厚金属，所述第四层金属用作电极PAD，将所述肖特基阳极和或阴极欧姆电极引到所述电极PAD，同时实现电极PAD的加厚，所述第四层金属的厚度为300nm-20μm。
9.权利要求1-8任一项权利要求所述的一种GaN基SBD变频电路的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在外延衬底上依次外延生长所述GaN缓冲层、所述n+GaN层及所述n-GaN层，形成外延生长结构；
(2)在衬底上依据设计版图制作对应金属图形和金属-金属键合pad点，在所述衬底上完成了第一层金属的制作；
(3)从所述外延衬底上剥离步骤(1)中的外延生长结构，然后在所述GaN缓冲层上选择性沉积所述第一层介质层，再利用光刻工艺及刻蚀工艺中的一种或两种工艺去掉所述GaN缓冲层，暴露出所述n+GaN层，最后在所述n+GaN层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，即完成第二层金属的制作；
(4)在所述n-GaN层上选择性沉积所述第二层介质层，在所述第二层介质层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极；
或(4)在所述n-GaN层上选择性沉积所述第二层介质层，利用光刻工艺及刻蚀工艺中的一种或两种工艺去掉所述n-GaN层，暴露出所述n+GaN层，再在所述n+GaN层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，最后，在所述第二层介质层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极；
(5)通过光刻、蒸发、介质层刻蚀、GaN刻蚀和金属工艺中的一种或多种工艺完成第四层金属的制作；
(6)步骤(2)中的第一层金属与步骤(3)中的第二层金属之间和/或步骤(2)的第一层金属与步骤(5)中的第四层金属之间通过金属-金属键合pad点做直接的金属-金属键合；
(7)根据具体的工艺流程设计，对上述步骤(2)-(4)进行调换或组合，完成基于垂直电极键合衬底的GaN基SBD变频电路的制作。
一种GaN基SBD变频电路及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明属于太赫兹高频器件和集成电路制备领域，具体涉及一种GaN基SBD变频电路及其制作方法。
背景技术
[0002] 太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，介于微波和红外线之间，具有极其重要的学术价值和实用意义。在单片集成太赫兹倍频和混频电路方向，GaAs基SBD太赫兹器件及片上集成变频电路已经发展多年，已经有成熟和明确的技术路线，如Master技术和无衬底薄膜(membrance)技术。与GaAs相比，(GaN)基肖特基二极管(SBD)太赫兹器件及变频电路的研究尚属于起步阶段，尤其是片上集成GaN基SBD太赫兹变频电路方向，由于GaN材料特殊的六方晶系结构和抗腐蚀特性等原因，难以通过选择性湿法腐蚀工艺实现类似GaAs的无衬底薄膜(membrance)片上集成工艺。而在GaAs基SBD太赫兹片上集成变频电路中应有的Master技术，因为键合胶的存在，导致肖特基结和LO振荡器中产生的大量热量没办法快速导出，导致器件的可靠性和高功率应用受到限制，同时由于目前外延GaN中通常存在较大应力，难以通过减薄、抛光工艺，将氮化镓(GaN)材料减薄到30微米以下而不碎裂。因此，目前还没有一条明确的片上集成GaN基SBD太赫兹变频电路的技术方案。
发明内容
[0003] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种GaN基SBD变频电路及其制作方法，具体提供了一种基于垂直电极键合衬底的GaN基SBD太赫兹变频电路及其制作方法。
[0004] 本发明所采用的技术方案为：
[0005] 本发明的一种GaN基SBD变频电路，包括基于衬底的电路和基于垂直电极的GaN基SBD器件，所述基于衬底的电路依次包括衬底及第一层金属，所述基于垂直电极的GaN基SBD器件从下至上依次包括第二层金属、第一层介质层、GaN缓冲层、n+GaN层、n-GaN层、第三层金属、第二层介质层及第四层金属，所述第一层金属与所述第二层金属之间通过金属-金属直接键合的方式连接和/或所述第一层金属与所述第四层金属之间通过金属-金属键合pad点做直接的金属-金属键合。
[0006] 进一步地，所述衬底为以金刚石、Si或蓝宝石为支撑的衬底，所述衬底的上层为金刚石单晶、多晶或非晶薄膜，所述衬底的厚度大于1nm。
[0007] 进一步地，所述第一层金属制作在所述衬底上，用于实现倍频和混频电路中的电路功能，所述第一层金属还用作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的键合金属pad点，所述第一层金属的厚度50nm-50μm，所述第一层金属、所述第二层金属及所述第四层金属的材质均为Ti、Al、Ni、Cr、Pt、Cu、Ag和Au中的一种或多种的堆叠。
[0008] 进一步地，所述第二层金属为所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，其厚度为50nm-50μm。
[0009] 进一步地，所述第一层介质层与所述第二层介质层的材质均为SiN、SiO2、HfO2、ZrO2、Y2O3、AlN和Al2O3中的一种或多种，所述第一层介质层与所述第二层介质层的厚度均为0-10μm。
[0010] 进一步地，所述GaN缓冲层为半绝缘的GaN缓冲层，其厚度0-10μm，所述n+GaN层为n型掺杂的GaN层，其掺杂浓度大于8×1017/cm3，所述n+GaN层的厚度为100nm-10μm，所述n-GaN层的掺杂浓度为1×1016/cm3-2×1018/cm3，所述n-GaN层的厚度为50nm-3μm。
[0011] 进一步地，所述第三层金属为所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极，其厚度为50nm-50μm，所述第三层金属的材质为Ni、Ti、Cr、Pt、Ag和Au中的一种或多种的堆叠。
[0012] 进一步地，所述第四层金属为加厚金属，所述第四层金属用作电极PAD，将所述肖特基阳极和或阴极欧姆电极引到所述电极PAD，同时实现电极PAD的加厚，所述第四层金属的厚度为300nm-20μm。
[0013] 本发明还公开了一种GaN基SBD变频电路的制作方法，包括以下步骤：
[0014] (1)在外延衬底上依次外延生长所述GaN缓冲层、所述n+GaN层及所述n-GaN层，形成外延生长结构；
[0015] (2)在衬底上依据设计版图制作对应金属图形和金属-金属键合pad点，在所述衬底上完成了第一层金属的制作；
[0016] (3)从所述外延衬底上剥离步骤(1)中的外延生长结构，然后在所述GaN缓冲层上选择性沉积所述第一层介质层，再利用光刻工艺及刻蚀工艺中的一种或两种工艺去掉所述GaN缓冲层，暴露出所述n+GaN层，最后在所述n+GaN层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，即完成第二层金属的制作；
[0017] (4)在所述n-GaN层上选择性沉积所述第二层介质层，在所述第二层介质层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极；
[0018] 或(4)在所述n-GaN层上选择性沉积所述第二层介质层，利用光刻工艺及刻蚀工艺中的一种或两种工艺去掉所述n-GaN层，暴露出所述n+GaN层，再在所述n+GaN层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，最后，在所述第二层介质层上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极；
[0019] (5)通过光刻、蒸发、介质层刻蚀、GaN刻蚀和金属工艺中的一种或多种工艺完成第四层金属的制作；
[0020] (6)步骤(2)中的第一层金属与步骤(3)中的第二层金属之间和/或步骤(2)的第一层金属与步骤(5)中的第四层金属之间通过金属-金属键合pad点做直接的金属-金属键合；
[0021] (7)根据具体的工艺流程设计，对上述步骤(2)-(4)进行调换或组合，完成基于垂直电极键合衬底的GaN基SBD变频电路的制作。
[0022] 本发明的有益效果为：
[0023] 本发明通过结构和技术创新让第三代宽禁带半导体GaN和金刚石材料的优势得到充分利用和整合，用于实现高功率、高温度可靠性的高性能变频电路。基于垂直电极键合衬底的GaN基SBD变频电路，通过在衬底上制作电路，并和基于垂直电极的GaN基SBD器件做直接金属—金属键合，首先，电流可垂直地从肖特基阳极流经n-GaN、n+GaN，到达阴极欧姆电极，器件中电流得到了充分地扩展，避免了电流集边效益和电流拥堵现象；高频信号的传输也是垂直方向，降低了因趋肤效应对n+GaN层厚度的限制；更重要的是，电路和器件通过光刻精度的金属-金属键合，摒弃了常规键合技术中键合胶的使用，避免了胶的低散热性能和高损耗性能对电路模块的抑制，同时提高了变频电路的装配精度，降低了因装配误差带来的匹配损耗问题，提高了整个电路的温度稳定性，本发明特别适用于太赫兹波段的高功率GaN基肖特基单管器件和片上集成变频电路。
附图说明
[0024] 图1为本发明的实施例一的GaN基SBD变频电路的侧视图。
[0025] 图2-图5为本发明的一种GaN基SBD变频电路的制作方法的过程的结构示意图，具体如下：
[0026] 图2为本发明的实施例一的基于垂直电极的GaN基SBD器件完成外延衬底剥离，再转移到临时衬底上后的侧视图。
[0027] 图3为本发明的实施例一的GaN基SBD变频电路的衬底完成电路的金属沉积工艺后的侧视图。
[0028] 图4为本发明的实施例一的基于垂直电极的GaN基SBD器件和衬底完成直接金属-金属键合后的侧视图。
[0029] 图5为本发明的实施例一的GaN基SBD变频电路完成直接金属-金属键合后、制作第四层金属前的侧视图。
[0030] 图6为为本发明的实施例二的GaN基SBD变频电路的侧视图。
[0031] 图中：1-衬底；2-第一层金属；3-第二层金属；4-第一层介质层；5-GaN缓冲层；6-n+GaN层；7-n-GaN层；8-第三层金属；9-第二层介质层；10-第四层金属；101-临时衬底；11-衬底；12-第一层金属；13-第二层金属；14-第一层介质层；15-GaN缓冲层；16-n+GaN层；17-n-GaN层；18-第三层金属；19-第二层介质层；20-第四层金属。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
[0033] 实施例一：
[0034] 如图1所示，本实施例提供一种GaN基SBD变频电路，包括基于衬底的电路和基于垂直电极的GaN基SBD器件，所述基于衬底的电路依次包括衬底1及第一层金属2，所述基于垂直电极的GaN基SBD器件从下至上依次包括第二层金属3、第一层介质层4、GaN缓冲层5、n+GaN层6、n-GaN层7、第三层金属8、第二层介质层9及第四层金属10，所述第一层金属2与所述第二层金属3之间和/或第一层金属2与第四层金属10之间通过金属-金属直接键合的方式连接，使得所述第一层金属与所述第二层金属和/或所述第一层金属与所述第四层金属的连接点具有加载直流和交流信号的功能。电路和器件通过光刻精度的金属-金属键合，摒弃了常规键合技术中键合胶的使用，避免了胶的低散热性能和高损耗性能对电路模块的抑制，同时提高了装配精度，降低了因装配误差带来的匹配损耗问题，提高了整个电路的温度稳定性。
[0035] 其中，衬底1可以是以金刚石自支撑的衬底、也可以是以Si或蓝宝石为支撑的衬底，衬底的上层为金刚石单晶、多晶或非晶薄膜，衬底1的厚度大于1nm。
[0036] 第一层金属2制作在衬底(如金刚石衬底)上，用于实现倍频和混频电路中的电路功能，还用作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的键合金属pad点，其厚度为50nm-50μm。
[0037] 第二层金属3为基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，第二层金属3用于与第一层金属进行直接金属-金属键合，第二层金属3的厚度为50nm-50μm。
[0038] 第一层介质层4和第二层介质层9的材质均为SiN、SiO2、HfO2、ZrO2、Y2O3、AlN和Al2O3中的一种或多种，但并不仅限于以上几种材料，第一层介质层4和第二层介质层9的厚度均为0-10μm。
[0039] GaN缓冲层5为半绝缘的GaN缓冲层，其厚度为0-10μm，一般为2μm左右。
[0040] 所述n-GaN层7的掺杂浓度为1×1016/cm3-2×1018/cm3，所述n-GaN层7的厚度为50nm-3μm。
[0041] 所述n+GaN层6为n型掺杂的GaN层，其掺杂浓度大于8×1017/cm3，可以是均一掺杂的单层，也可以是多种掺杂组合的多层结构，n+GaN层6的厚度范围为100nm-10μm，通常为1.5μm。
[0042] n-GaN层7的掺杂浓度为1×1016/cm3-2×1018/cm3，其厚度范围为50nm-3μm，通常为200nm。
[0043] 第三层金属8为基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极，其厚度50nm-50μm，所述第三层金属的材质为Ni、Ti、Cr、Pt、Ag和Au中的一种或多种的堆叠，但不限于上述金属类型。
[0044] 第四层金属10为加厚金属，可用作阳极PAD，采用光刻、蒸发、介质层刻蚀、GaN刻蚀、金属工艺等步骤制作空气桥，将所述肖特基阳极和或阴极欧姆电极引到所述电极PAD，同时实现阳极PAD的加厚，第四层金属10的厚度为300nm-20μm。
[0045] 所述第一层金属2、所述第二层金属3及所述第四层金属10的材质均为Ti、Al、Ni、Cr、Pt、Cu、Ag和Au中的一种或多种的堆叠，但不限于上述金属类型。
[0046] 在本实施例中，第一层金属2与第二层金属3和/或第一层金属2与第四层金属10的连接点具有加载直流和交流信号的功能。电流可垂直地从肖特基阳极流经n-GaN、n+GaN，到达阴极欧姆电极，器件中的电流得到了充分地扩展，避免了电流集边效益和电流拥堵现象。
[0047] 如图2-5所示，此实施例的制作方法如下：
[0048] (1)在外延衬底上依次外延生长所述GaN缓冲层5、所述n+GaN层6及所述n-GaN层7，形成外延生长结构；待用。
[0049] (2)在衬底1(如金刚石衬底)上依据设计版图制作对应金属图形和金属-金属键合pad点，该金属-金属键合pad点预留备用，以便后续步骤进行直接的金属-金属键合。这样就在所述衬底1上完成了第一层金属2的制作。
[0050] (3)可利用激光剥离设备，从外延衬底上剥离步骤(1)中的外延生长结构，然后在所述GaN缓冲层5上选择性沉积(可利用介质沉积设备进行沉积)所述第一层介质层4，再利用光刻工艺及刻蚀工艺中的一种或两种工艺去掉所述GaN缓冲层5，暴露出所述n+GaN层6，最后利用金属工艺和退火工艺在所述n+GaN层6上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极；这样第二层金属3作为基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极就制作完成了。图2为本实施例的基于垂直电极的GaN基SBD器件完成外延衬底剥离，再转移到临时衬底101上后的侧视图。
[0051] (4)在所述n-GaN层7上选择性沉积(可利用介质沉积设备进行沉积)所述第二层介质层9，通过光刻、蒸发、介质层刻蚀、GaN刻蚀和金属工艺中的一种或多种工艺在第二层介质层9上完成所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极的制作工艺；这样所述第三层金属8为所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极就制作完成了。
[0052] (5)通过光刻、蒸发、介质层刻蚀、GaN刻蚀和金属工艺中的一种或多种工艺完成第四层金属10的制作；进入样品流片状态。
[0053] (6)步骤(2)中的第一层金属与步骤(3)中的第二层金属之间和/或步骤(2)的第一层金属与步骤(5)中的第四层金属之间通过金属-金属键合pad点做直接的金属-金属键合；通过光刻精度的金属-金属键合，提高了基于垂直电极的GaN基SBD器件的装配精度。
[0054] (7)特别需要提出的是，根据具体的工艺流程设计，对上述步骤(2)、(3)和(4)进行调换或组合，完成基于垂直电极键合衬底的GaN基SBD变频电路的制作。
[0055] 实施例二：
[0056] 如图6所示，实施例二的部件的标号与实施例的部件的标号相对应。如实施例的衬底标号为1，实施例二的衬底标号为11，实施例一的第一层金属标号为2，实施例二的第一金属层标号为12，依此类推。实施例二的每一层材料和实施例一的每一层材料相同，第二实施例与第一实施例的主要差异在于步骤(4)。实施例二的步骤(4)具体如下：
[0057] 在所述n-GaN层17上选择性沉积(可利用介质沉积设备进行沉积)所述第二层介质层19，利用光刻工艺及刻蚀工艺中的一种或两种工艺去掉所述n-GaN层17，暴露出所述n+GaN层16，再利用金属工艺和退火工艺中的一种或两种工艺在所述n+GaN层16上制作所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的阴极欧姆电极，这样当完成了实施例二的步骤(3)和(4)后，由于第一层介质层14在n+GaN层16的下方且第二层介质层19在n+GaN层16的上方，就出现了在n+GaN层16的底部和顶部各制作一个阴极欧姆电极的情况，这两个阴极欧姆电极通过n+GaN层16可形成低电阻的电流通路。
[0058] 最后，通过光刻、蒸发、介质层刻蚀、GaN刻蚀和金属工艺的一种或多种工艺在第二层介质层19上完成所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极的制作工艺，这样所述第三层金属18为所述基于垂直电极的GaN基SBD器件的肖特基阳极就制作完成了。
[0059] 其他制作工艺与实施例一相同，此处不再赘述。
[0060] 综上所述，本发明是一种通过结构和技术创新，让第三代宽禁带半导体GaN和金刚石材料的优势得到充分利用和整合，用于实现高功率、高温度可靠性的高性能变频电路。
[0061] 本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
