一种横向氮化镓基变容器结构及其制备方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种横向氮化镓基变容器结构及其制备方法。

背景技术：

1、氮化镓(gan)凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度，以及化学性能稳定、耐高温和抗辐射等优异的物理和化学性质，在制备高性能微波器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。随着其在单片集成电路mmic中的发展应用，氮化镓基的有源无源器件越来约得到大众的关注。可变电容作为微波集成电路中的关键器件，决定了它在氮化镓基器件中的重要地位。通常基于gan基的可变电容器件主要为变容二极管，其最显著特性是电容值可以通过改变反向偏置电压来调整。这使得它在需要动态调整电容的电路中非常有用。变容二极管特别适用于高频电路，如无线通信和射频应用。它可以用于调谐射频信号，实现精确的频率控制，这对于无线电接收机和发射机等设备至关重要。

2、目前，gan基变容二极管器件中垂直型结构已多有报道，但gan的优势无法在垂直结构中体现，且gan垂直结构相较于横向结构的工艺难度较大。其次，因为变容二极管承担着在射频电路中调谐和调频的作用，所以它的容值变换范围十分重要。并且，随着芯片尺寸的压缩，对芯片的器件设计和版图设计也提出了更高要求，而为了简化设计，利用同一变容器件实现更大的变容范围也是射频器件领域研究的重点之一。

3、专利申请cn108198758a，提出了一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件制作方法，采用以下步骤：步骤一、提供衬底以及衬底上的外延层；步骤二、提供外延层表面进行图形化并刻蚀凹槽；步骤三、在凹槽之间的外延层表面淀积第一阳极金属；步骤四、在凹槽中和第一层阳极金属表面覆盖第二阳极金属；步骤五、在器件背面制作阴极。该发明能够提高器件的正向输出电流以及反向阻断电压，提高氮化镓功率二极管的器件性能；但是，由于gan的禁带宽度大，临界击穿电场强和化学性能稳定等优势无法在垂直结构中体现，其具有变容范围小的缺点。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种横向氮化镓基变容器结构及其制备方法，通过设置若干个p型区，使其与二维电子气形成横向pn结，能实现加压变容；本发明中设置若干个阳电极和若干个阴电极，在加压时，若干个阳电极共同加压，实现多个二极管并联，提升可变电容器的变容范围；同时本发明可实现与其他氮化镓射频器件工艺兼容，便于制备。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种横向氮化镓基变容器结构，自下而上依次包括衬底层1、复合缓冲层2、复合沟道层3和势垒层4；所述复合沟道层3与势垒层4之间形成异质结，异质结极化在复合沟道层3一侧形成二维电子气；在势垒层4和部分复合沟道层3上设置有若干个凹槽，凹槽底端穿透势垒层4和二维电子气，至复合沟道层3中上部；部分凹槽内设置有阴电极6，其余凹槽内设置阳电极7，设置阳电极7的凹槽中靠近阳电极一侧设置有p型注入区8；p型注入区8分别与靠近阴电极6一侧的势垒层4和部分沟道层3构成pn结，pn结与阴电极6分别与阳电极7连接形成pn结二极管，pn结二极管加压电容变化，构成可变电容器。

4、所述凹槽的数量大于等于2个。

5、所述阳电极7的数量等于凹槽数量减1。

6、所述p型注入区8的数量等于凹槽数量减1。

7、所述凹槽形状为圆形、矩形或边数大于等于4的多边形。

8、所述凹槽之间依据形状而定分别有同心圆或互相平行的关系。

9、所述p型区8的掺杂材料为mg，掺杂浓度为1x1014-1x1020 cm-3。

10、所述阴电极6的金属材料最下面两层为ti/al、或ta/al、或mo/al；或有第三层及以上金属材料，第三层及以上金属材料为ni/au，或ti/au，或pt/au，或mo/au，或tin，总厚度为100-500nm；

11、所述阳电极7的金属材料最底层为ni、ti、w或mo，第二层及以上可以为al，或au，或tin，总厚度为100-1000nm。

12、所述阴电极6与阳电极7之间的势垒层4上方设置有钝化层5；

13、所述钝化层5的材料为si3n4、sio2、al2o3或hfo2中的任意一种或几种。

14、所述复合沟道层3和势垒层4的材料为三族氮化物半导体，包括gan、aln、inn中的一种或其中任意两种或多种任意比组成的化合物，厚度为30-300nm；

15、所述复合沟道层(3)包括沟道层(32)和插入层(31)。

16、所述衬底层1采用硅、碳化硅、蓝宝石和金刚石中的一种，厚度为100-1500μm。

17、所述复合缓冲层2自下向上依次设置有成核层21、过渡层22和缓冲层23；

18、所述成核层21采用aln，厚度为50-300nm；

19、所述过渡层22采用al组分渐变的algan，al的组分由0.75渐变到0.15，厚度为100nm-1μm；

20、所述缓冲层23采用gan或algan，厚度为100nm-10μm。

21、一种横向氮化镓基变容器的制备方法，具体包括以下步骤：

22、步骤s1、选取衬底层并清洗；

23、步骤s2、生长外延片：在步骤s1清洗后的衬底层1上依次生长成核层21、过渡层22、缓冲层23、复合沟道层3和势垒层4，制备形成外延片；

24、步骤s3、制备p型注入区8：对步骤s2所制备出的外延片的势垒层4的上表面进行光刻，形成若干个p型注入区8，在若干个p型注入区8中注入mg离子，注入mg离子的深度超过复合沟道层3和势垒层4之间的二维电子气所在位置，并利用高温退火或者低能电子束辐射(leebi)进行激活；

25、步骤s4、刻蚀凹槽：在步骤s3所制备出的势垒层4上表面的非刻蚀区域光刻制作掩膜，然后对势垒层4进行刻蚀，刻蚀至复合沟道层3中上部分，得到若干个相邻凹槽；

26、步骤s5、制备阴电极：在步骤s4中得到的凹槽中生长阴电极6的金属，然后对阴电极6的金属进行高温退火以形成欧姆接触；

27、步骤s6、制备阳电极：在步骤s5的基础上在其他凹槽中生长阳电极7的金属；

28、步骤s7、制备钝化层：在步骤s6的基础上利用等离子体化学气相淀积pecvd或等离子体原子层淀积peald的方法在阴电极6与若干个阳电极7之间的势垒层4上方和若干个阳电极7之间的势垒层4上方淀积钝化层5。

29、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

30、1.本发明利用p型注入区实现了氮化镓pn结二极管变容，同时利用线圈形结构实现了多个pn结二极管并联，在同一结构上实现了更大的变容范围。

31、2.本发明利用了氮化镓材料的二维电子气，其高电子迁移特性帮助实现了二极管的高电流密度，相较于其他材料，实现了二极管加压后更多的空间电荷变容。

32、3.本发明利用氮化镓基实现了横向的变容二极管，规避了垂直氮化镓二极管结构材料所带来的缺陷，同时与目前主流的其他氮化镓射频器件工艺兼容。

33、综上所述，与现有技术相比，本发明在gan基变容器中引入横向结构，能够实现在横向氮化镓基异质结结构上并联多个变容二极管，具有能够提升可变电容器的变容范围和便于制备的特点。