[发明专利]基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管及制作方法

说明书

本发明公开了一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管及其制作方法，主要解决现有GaN肖特基二极管掺杂迁移率低，串联电阻大，截止频率低的问题。包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层，辅体部分包括：(5)欧姆接触电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。其中：AlGaN/GaN异质结多沟道层采用AlGaN/GaN类超晶格结构，该类超晶格有2到6个周期，每个周期中GaN层和AlGaN层的厚度均为10‑20nm，且AlGaN层中的Al组分为30％。本发明能够避免传统的n型掺杂工艺，利用极化形成的多层二维电子气沟道来提高电子迁移率，减小串联电阻，提高截止频率，适用于太赫兹频段工作。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及宽带隙半导体GaN材料的肖特基二极管，可用于超高频、大功率器件制作。

技术背景

作为第三代半导体材料，GaN具有禁带宽度大、电子饱和速度大、临界击穿场强高、化学性质稳定等特点，是制造高频大功率器件的理想材料。在晶体三极管器件还未实现太赫兹频率功率输出性能突破的现状下，基于甚高频二极管电路技术在太赫兹信号源和太赫兹信号探测系统中仍然起着至关重要的作用。相比于单势垒变容二极管和异质结势垒变容二极管，肖特基势垒二极管(SBD)在太赫兹技术中发展更为迅速。

目前，基于GaAs化合物半导体材料的SBD已进入应用阶段，但是其微弱的功率信号处理能力仍是太赫兹系统应用中的技术瓶颈。与GaAs材料相比，GaN具有较大的带隙宽度、强击穿电场和高饱和电子迁移速度等优越的物理特性，非常适合制备大输出功率的肖特基倍频二极管。

目前，GaN基太赫兹SBD的研究刚刚起步，国际上的研究成果仅限于实验室阶段。目前的技术瓶颈在于：传统的SBD结构中，由于GaN材料的电子迁移率明显低于GaAs，故意掺杂使得电子迁移率更低，因此通过工艺降低SBD总串联电阻Rs的难度极大，造成GaN基SBD最高截止频率明显低于GaAs基SBD。但理论计算表明，GaN基SBD具备突出的大功率信号处理能力和较低的噪声系数，使其THz探测的功率处理能力大大提高。

发明内容

本发明针对传统SBD结构的不足，提供一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管及其制造方法。该器件通过构建AlGaN/GaN异质结沟道，使电子在异质结二维电子气沟道中流动，避免传统n型掺杂导致迁移率降低。同时采用多沟道结构，均匀沟道电子浓度，形成电子低阻通道，降低串联电阻，提高GaN肖特基二极管的截止频率。

本发明的技术方案如下：

一、基于类超晶格AlGaN/GaN异质结多沟道结构的肖特基二极管结构如图1所示，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层，辅体部分包括：(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。二极管阴极和阳极结构俯视图如图2所示。

所述AlGaN/GaN异质结多沟道层采用AlGaN/GaN类超晶格结构，如图3所示，该类超晶格设有2-6个周期，每个周期中的AlGaN层厚度为10-20nm，且AlGaN层中的Al组分为30％，GaN层厚度为10-20nm。

作为优选，所述半绝缘SiC衬底为4H-SiC型或6H-SiC型半绝缘型衬底，背面减薄至100～150μm。

作为优选，所述GaN缓冲层的厚度为2～3μm。

作为优选，所述GaN帽层的厚度为5～10nm，掺杂浓度为1～2×10¹⁸cm^-3。

二、制作上述GaN肖特基二极管的方法，包括如下步骤：