一種金剛石肖特基勢壘二極管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件領(lǐng)域，具體為一種金剛石肖特基勢皇二極管及其制備方法，其是一種(110)取向金剛石肖特基勢皇二極管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導體器件作為功率電路系統(tǒng)的核心部分，其決定著系統(tǒng)的效率、尺寸、適用范圍和可靠性。目前，大部分功率半導體器件是由硅材料制作而成，然而隨著硅工藝的發(fā)展，其器件性能已逼近硅材料的極限值。為了滿足高溫、高壓和大功率的應(yīng)用要求，需要選擇更為合適的替換材料，如寬帶隙半導體材料。
[0003]與傳統(tǒng)的寬帶隙半導體材料(如碳化硅、氮化鎵等)相比，金剛石具有更大的帶隙寬度(?5.5eV)，高的飽和載流子迀移率(3800cm2/V.s (空穴)和4500cm2/V.s (電子))，大的擊穿電壓，高的熱導率以及極高的化學惰性和硬度等特點。因此，金剛石是替代硅材料的理想材料之一。
[0004]肖特基勢皇二極管(SBD)的勢皇高度小于PN結(jié)勢皇，其開啟電壓和導通壓降均較PiN 二極管小，可降低電路中的功率損耗。此外，肖特基勢皇二極管作為多數(shù)載流子器件，其不存在少數(shù)載流子的注入和存儲，反應(yīng)恢復時間短，開關(guān)速度快，同時由于結(jié)電容較低，可廣泛應(yīng)用于電動汽車、混合動力車等需進行功率轉(zhuǎn)換的逆變器、轉(zhuǎn)換器、PFC電路，以及太陽能、風能等新能源中得整流、逆變等領(lǐng)域。
[0005]P型同質(zhì)外延單晶金剛石薄膜由于硼原子的受主能級較淺(Ea= 0.37eV)，易于大范圍內(nèi)控制其電阻率和載流子迀移率等參數(shù)，因此，當前金剛石結(jié)型器件的研宄主要集中在基于P型同質(zhì)外延單晶金剛石的金屬肖特基勢皇二極管。然而，同質(zhì)外延所采用的HPHT單晶金剛石襯底價格昂貴，且尺寸較小(通常僅為3X3X0.5_)，不利于以P型同質(zhì)外延單晶金剛石薄膜肖特基勢皇二極管的大規(guī)模廣泛使用。
[0006]近年來，大量研宄表明:異質(zhì)外延沉積的高度織構(gòu)化取向的多晶金剛石薄膜的諸多物理性質(zhì)與同質(zhì)外延單晶金剛石非常接近。而與同質(zhì)外延沉積技術(shù)相比，異質(zhì)外延沉積技術(shù)具有經(jīng)濟、通用、能大面積制備的特點，這將為以高度織構(gòu)化取向的P型異質(zhì)外延金剛石肖特基勢皇二極管的廣泛應(yīng)用提供可靠的技術(shù)保障。
[0007]然而，盡管具有高度織構(gòu)化的多晶金剛石薄膜的物理性質(zhì)類似于單晶金剛石薄膜，但與單晶金剛石薄膜相比，由于多晶金剛石薄膜仍不可避免地存在大量晶界和位錯等缺陷，而這些缺陷勢必導致肖特基勢皇二極管的綜合性能下降。
[0008]因此，迫切需要一種新的器件，以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為此，申請人對基于高度織構(gòu)化的摻硼多晶金剛石薄膜的肖特基勢皇二極管的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，將多晶金剛石薄膜中的晶界等缺陷對其性能的影響降低到最小化，有效提升其綜合性能。
[0010]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對目前現(xiàn)有的高度織構(gòu)化的摻硼多晶金剛石薄膜的肖特基勢皇二極管，由于多晶金剛石薄膜仍不可避免地存在大量晶界和位錯等缺陷，而陷勢必導致肖特基勢皇二極管的綜合性能下降的問題，提供一種金剛石肖特基勢皇二極管及其制備方法。本發(fā)明首先提出一種交叉“指”狀的平面型肖特基勢皇二極管及其制備方法，該二極管具有低開啟電壓、低反向漏電流和較高的整流比，能夠?qū)⒍嗑Ы饎偸∧ぶ械木Ы绲热毕輰Χ壒苄阅艿挠绊懡档偷阶钚』?，具有顯著的進步意義。同時，本發(fā)明具有制作工藝簡單、制作成本低的優(yōu)點，能夠有效降低其制造成本，滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、應(yīng)用的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種金剛石肖特基勢皇二極管，包括單晶硅基片、硼摻雜的(110)取向金剛石外延層、交叉指狀電極，所述硼摻雜的(110)取向金剛石外延層設(shè)置在單晶硅基片上，所述交叉指狀電極設(shè)置在硼摻雜的(110)取向金剛石外延層表面上；
[0013]所述交叉指狀電極包括肖特基接觸電極、歐姆接觸電極，所述肖特基接觸電極、歐姆接觸電極分別位于硼摻雜的(110)取向金剛石外延層表面，所述肖特基接觸電極與歐姆接觸電極之間呈交叉指狀分布。
[0014]該二極管的反向漏電流能低至1X10_8A，開啟電壓能低至3V，整流比達104。
[0015]還包括與肖特基接觸電極相連的第一引線、與歐姆接觸電極相連的第二引線，所述肖特基接觸電極包括第一主電極、若干個與第一主電極相連的第一指電極，所述歐姆接觸電極包括第二主電極、若干個與第二主電極相連的第二指電極，所述第一指電極與第二指電極之間呈水平交叉指狀分布，所述第一主電極與第一引線相連，所述第二主電極與第二引線相連。
[0016]所述硼摻雜的(110)取向金剛石外延層中，硼原子的摻雜濃度為50?500ppm，該外延層的厚度為5?15 μm。
[0017]所述第一主電極、第一指電極、第一引線、第二引線分別采用Au制備而成，所述歐姆接觸電極由Ti層、設(shè)置在Ti層上的Au層制備而成。
[0018]所述歐姆接觸電極中，Ti層的厚度為20?40nm，Au層的厚度為20?30nmo
[0019]所述第一主電極、第二主電極的寬度分別為0.1?0.3mm，第一指電極、第二指電極的寬度分別為0.008?0.1mm，相鄰第一指電極與第二指電極之間的間距為0.072?0.9mmο
[0020]所述硼摻雜的(110)取向金剛石外延層采用微波等離子體化學氣相沉積法制備而成，采用的反應(yīng)氣源為甲烷、氫氣、硼烷中的一種或多種。
[0021]前述二級管的制備方法，包括如下步驟:
[0022](I)在單晶硅基片上沉積硼摻雜的(110)取向金剛石外延層；
[0023](2)依次采用光刻法、電子束蒸發(fā)鍍膜法，在硼摻雜的(110)取向金剛石外延層表明制備歐姆接觸電極的Ti層；
[0024](3)經(jīng)步驟2后，依次采用光刻法、電子束蒸發(fā)鍍膜法，在硼摻雜的(110)取向金剛石外延層表明制備歐姆接觸電極的Au層、肖特基接觸電極，最終在硼摻雜的(110)取向金剛石外延層表面上形成肖特基接觸電極與歐姆接觸電極組成的交叉指狀電極；
[0025](4)在制備的肖特基接觸電極、歐姆接觸電極上分別對應(yīng)設(shè)置第一引線、第二引線，并進行封裝，即得二級管。
[0026]所述步驟I中，采用微波等離子體化學氣相沉積法在單晶硅基片上沉積硼摻雜的(I1)取向金剛石外延層，所述外延層的厚度為5?15 μ??，外延層中硼原子的摻雜濃度為50 ?500ppm。
[0027]所述步驟I中，微波功率為1400W?2400W，工作氣壓為10?14kPa，甲烷與氫氣流量比為1:99。
[0028]所述步驟2中，歐姆接觸電極的Ti層的制備過程如下:首先在掩模板的輔助下，在外延層的表面形成圖案化結(jié)構(gòu)；再采用電子束蒸發(fā)鍍金屬Ti層，Ti層的厚度為20?40nm ；金屬Ti層制備完成后，再在500?700°C，氮氣氣氛保護下，快速退火，即可。
[0029]在掩模板的輔助下，采用光刻、顯影或刻蝕在外延層的表面形成圖案化結(jié)構(gòu)。
[0030]所述步驟3中，在光刻掩膜板的輔助下，采用光刻法刻出歐姆接觸電極的Au層整體圖案、肖特基接觸電極整體圖案，所述歐姆接觸電極的Au層整體圖案位于歐姆接觸電極的Ti層上；再采用電子束蒸發(fā)鍍金屬Au膜，金屬Au膜制備完成后，再在300°C，氮氣氣氛保護下，快速退火，完成在硼摻雜的(110)取向金剛石外延層表明制備歐姆接觸電極的Au層、肖特基接觸電極的制備；其中，金屬Au膜的厚度為20?30nm。
[0031 ] 所述步驟4中，采用電焊分別在肖特基接觸電極上設(shè)置第一引線、歐姆接觸電極上設(shè)置第二引線。
[0032]針對前述問題，本發(fā)明提供一種金剛石肖特基勢皇二極管及其制備方法。本發(fā)明的二級管采用硼摻雜的(110)取向金剛石外延層，其與現(xiàn)有同質(zhì)外延的單晶金剛石層相比，該外延層的可利用制作二極管的面積更大(在當前的工藝條件下可以實現(xiàn)2英寸的均勻沉積，而同質(zhì)外延單晶金剛石層的尺寸約為3X3mm)，因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的肖特基勢皇二極管的制作。同時，本發(fā)明中，肖特基接觸電極與歐姆接觸電極之間呈交叉指狀分布，形成交叉指狀電極，采用該結(jié)構(gòu)，能有效地降低多晶金剛石外延層中的晶界等缺陷對二極管性能的影響。經(jīng)測定，本發(fā)明的金剛石肖特基勢皇二極管具有低導通電壓、低反向漏電流和較高整流比等優(yōu)點，相對現(xiàn)有技術(shù)，具有顯著的進步。
[0033]同時，本發(fā)明提供一種制備方法，該方法采用兩步簡單的光刻-鍍膜-刻蝕，即可完成二級管的制作，制作工藝簡單、快捷，能夠滿足工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0034]綜上所述，本發(fā)明金剛石肖特基勢皇二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活，制備工藝簡單，具有低開啟電壓、低反向漏電流和較高整流比的優(yōu)異電學特性。
【附圖說明】
[0035]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0036]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2為本發(fā)明二級管的主視圖。
[0038]圖3為圖2的俯視圖。
[0039]圖4為本發(fā)明提供的肖特基勢皇二極管的1-V特性圖。
[0040]圖中標記:1為單晶硅基片，2為硼摻雜的(110)取向金剛石外延層，3為第一主電極，4為第一指電極，5為第一主電極，6為第一指電極。
【具體實施方式】
[0041]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0042]本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。為了闡述簡單和清晰，附圖只是對一般性結(jié)構(gòu)進行說明，省略了部分眾所周知的細節(jié)說明，以避免不必要的模