[发明专利]一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法

说明书

本发明公开了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件及其制备方法，首先在金刚石衬底表面自下而上依次外延生长重、轻掺杂的n型金刚石多层结构，并在多层结构上沉积过渡介质层；然后对过渡介质层进行光刻、显影、刻蚀等工艺处理，形成图形化的n型金刚石层台面；接着在露出的n型金刚石层表面依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构、p型氮化镓层、介质保护层和钝化层；最后通过光刻、显影、刻蚀、薄膜沉积等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型金属电极，从而得到n型金刚石‑p型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管器件。所得金刚石基氮化镓异质结二极管器件具有高浓度和高迁移率二维电子气，适合高温、高频、高功率器件应用。

技术领域

本发明涉及一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，属于半导体材料与器件技术领域。

背景技术

金刚石集电学、光学、力学、声学和热学等特性于一体，特别是其自身具备的宽禁带（5.5 eV）、高载流子迁移率（~10⁷ cm/s）、较低相对介电常数（5.7）和高击穿场强（10 MV/cm）等优异电学特性，以及高导热性能，被誉为最理想的超宽禁带半导体材料—终极半导体，在5G、6G、深紫外光电器件、高压大功率电子器件等领域具有显著的优势和巨大的发展潜力。但是作为半导体器件的基本单元，金刚石外延生长同质pn结器件的制造难度大、成本高，且很难获得高质量大尺寸掺杂金刚石，使其应用受到极大限制。

宽禁带氮化镓基半导体材料具有高电子漂移饱和速度、高击穿场强、化学稳定性高等优点，作为第三代半导体材料被广泛应用在照明、电子、通信、航空航天等领域，但随着氮化镓基器件的工作频率和功率越来越高，且在工作过程中产生大量热量，严重影响其高温高功率器件应用。中国发明专利 “一种金刚石异质结二极管器件的制备方法”（CN201811385900.7）中，结合GaN异质外延生长技术和横向外延生长技术，提出一种可获得高质量界面的金刚石异质结二极管器件的制备方法，预期解决金刚石n型掺杂困难和高质量异质结界面的问题。然而该方法实施过程中存在应力调节层、种子层、保护层、介质层等中间层的横、侧向的多次生长和去除步骤，一方面操作过程较复杂，造成工艺难控制和高成本，另一方面多次生长和去除过程会影响金刚石与氮化镓的表、界面态特性，产生过多缺陷，影响异质结的电气性能。

发明内容

本发明旨在提供一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，结合金刚石与氮化镓优异的半导体特性和高导热性等优势，通过合理设计和优化金刚石与氮化镓的半导体掺杂结构及其之间介质层结构和组成，有效减少热失配、晶格匹配以及界面热阻问题，从而获得具有高浓度和高迁移率二维电子气的金刚石基氮化镓异质结二极管，满足更高性能和环境的应用需求。

本发明基于氮化镓基二极管结构，充分利用氮化镓和金刚石在宽禁带、高载流子迁移率、高击穿场强等方面的优异半导体特性，在氮化镓基器件中优化设计金刚石半导体和钝化层，以及中间介质层和功能层（本征半导体层或量子阱层）的结构和组成，形成n型（p型）金刚石-p型（n型）氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。不仅可以利用金刚石高导热特性，降低界面热阻、提升氮化镓异质结高功率器件的散热效果，而且所得金刚石基氮化镓异质结二极管可具有高浓度和高迁移率二维电子气，同时可以减少氮化镓层表面或界面中的缺陷位错，降低氮化镓基二极管作为探测器器件的表面漏电流，对于提高氮化镓异质结二极管在高温、高频、高功率器件方面的应用有显著意义。

本发明提供了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，在金刚石衬底表面自下而上依次进行重、轻掺杂形成n型金刚石多层结构，并在多层结构上沉积过渡介质层；对过渡介质层进行光刻、显影、刻蚀等工艺处理形成图形化的n型金刚石层台面；在n型金刚石层表面依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层、p型氮化镓层、介质保护层和钝化层；分别在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型金属电极，从而得到n型金刚石-p型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。采用相同方法，通过改变掺杂类型同时可得到p型金刚石-n型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。

上述金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，具体包括以下步骤：