本發(fā)明屬于半導(dǎo)體，具體涉及一種二維半金屬插入層鈍化的氧化鎵肖特基二極管及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，ga2o3作為一種新興超寬禁帶氧化物半導(dǎo)體得到了廣泛關(guān)注，其具有禁帶寬度大、熱穩(wěn)定性好、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、抗輻照性能好等優(yōu)點(diǎn)，是高頻大功率器件較為理想的候選材料。氧化鎵具有α、β、γ、δ和ε(κ)五種不同相的同分異構(gòu)體，其中，β-ga2o3是熱力學(xué)第一穩(wěn)定相，其他相均為亞穩(wěn)態(tài)，相較于gan、sic等第三代半導(dǎo)體材料，β-ga2o3具有超寬的準(zhǔn)直接帶隙(～4.8ev)、極高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)(8mv/cm)和電子飽和漂移速度(2×107cm/s)，其巴利加優(yōu)值(bfom)是氮化鎵的4倍和碳化硅的10倍，這些優(yōu)異的性能使得基于β-ga2o3的肖特基二極管(schottky?barrier?diode，sbd)逐漸成為功率器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，單斜晶系β-ga2o3具有較大的各向異性電學(xué)和光學(xué)特性，不同晶向的表面勢(shì)能不同，因此不同晶向β-ga2o3的金屬-半導(dǎo)體接觸具有明顯差異。同時(shí)，基于不同方向制備的肖特基器件電學(xué)和光電特性也會(huì)隨晶向發(fā)生改變，因此需要一種能夠調(diào)制表面勢(shì)能、從而實(shí)現(xiàn)不同晶向β-ga2o3肖特基器件的統(tǒng)一電學(xué)接觸調(diào)制方法。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，作為功率控制的關(guān)鍵單元，sbd中金屬半導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)特性決定了電荷的傳導(dǎo)機(jī)制，金屬與半導(dǎo)體接觸的優(yōu)劣對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高擊穿電壓和更低導(dǎo)通電阻的理想特性具有決定作用：其中，表面態(tài)或金屬誘導(dǎo)的間隙態(tài)在肖特基勢(shì)壘形成機(jī)制中起著關(guān)鍵作用，表面存在的缺陷態(tài)施主電離會(huì)導(dǎo)致開啟電壓漂移、擊穿電壓下降，造成功率器件的不穩(wěn)定性，同時(shí)，金半接觸界面的原子結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)波動(dòng)也會(huì)加劇肖特基勢(shì)壘(sbh)的不均勻性，從而引起輸運(yùn)性質(zhì)的改變。因此，如何有效改善金半界面的非理想表面態(tài)和間隙態(tài)一直是氧化鎵肖特基器件亟需突破的重要挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在寬禁帶半導(dǎo)體基sbd器件中，表面預(yù)處理可以降低ga2o3表面缺陷、調(diào)制表面能帶彎曲。其中，龍世兵教授課題組通過表面刻蝕和減少表面與空氣的接觸，降低了ga2o3表面雜質(zhì)氧成分及相關(guān)的o?2p雜化軌道密度，提升了表面功函數(shù)，制備的肖特基器件具有超過1gw/cm2的功率品質(zhì)因數(shù)(參見q.he，w.hao，x.zhou，y.li，k.zhou，c.chen，w.xiong，g.jian，g.xu，x.zhao，et?al.over1gw/cm2?vertical?ga2o3?schottky?barrier?diodes?without?edge?termination.ieeeelectron?device?letters，2022，43，264.)。葉建東教授課題組在ga2o3表面刻蝕后使用食人魚溶液和氧等離子體處理減少了與雙空位相關(guān)的陷阱密度，從而緩解了表面能帶彎曲、提高了界面輸運(yùn)特性(參見z.wang，x.yu，h.gong，t.hu，y.zhang，x.ji，f.ren，s.gu，y.zheng，r.zhang，a.y.kuznetsov，j.ye.identification?and?suppression?of?majoritysurface?states?in?the?dry-etchedβ-ga2o3.journal?of?physical?chemistry?letters，2022，13，7094.)。鄭雪峰教授課題組發(fā)現(xiàn)在蒸鍍ni陽(yáng)極后進(jìn)行低溫退火不僅能夠形成部分p型nio，還可降低ni-ga2o3界面的陷阱態(tài)密度和表面吸附碳，在降低開態(tài)電阻的同時(shí)提升擊穿電壓(參見y.hong，x.zheng，y.he，f.zhang，x.zhang，x.wang，j.li，d.wang，x.lu，h.han，x.ma，y.hao.the?optimized?interface?characteristics?ofβ-ga2o3?schottky?barrierdiode?with?low?temperature?annealing.applied?physics?letters，2021，119，132103.)?？梢姡琯a2o3與金屬間的界面特性顯著影響了表面能帶結(jié)構(gòu)，表面處理的物理化學(xué)過程能夠鈍化表面缺陷、提高界面有序性并減少環(huán)境吸附。

3、然而，對(duì)于sbd器件來說，界面的“紊亂”顯著影響了表面能帶結(jié)構(gòu)，金屬半導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)特性對(duì)于器件性能具有重要影響?，F(xiàn)有技術(shù)采用表面處理的物理化學(xué)過程鈍化表面缺陷，從而提高界面有序性并減少環(huán)境吸附。但是，sbd器件制備中難以避免長(zhǎng)時(shí)間的空氣接觸，蒸鍍工藝中金屬原子的局部擴(kuò)散與ga2o3表面反應(yīng)容易形成不均勻的間隙態(tài)，金屬沉積后陽(yáng)極邊緣與ga2o3表面的化學(xué)吸附狀態(tài)仍有可能發(fā)生改變，界面的氧離子吸附和解吸附能夠多次調(diào)整表面填充狀態(tài)，甚至增加氧空位陷阱從而導(dǎo)致費(fèi)米釘扎，這種粗糙的接觸界面和缺陷反復(fù)的可能性加劇了肖特基勢(shì)壘的不均勻性，使肖特基器件的輸出電流偏離理想的輸運(yùn)特性。同時(shí)傳統(tǒng)的金屬蒸鍍方式，無法從根源克服金屬與ga2o3的直接物理接觸，難以避免金半接觸受到的來自表面勢(shì)能的影響。因此，發(fā)展表面缺陷鈍化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量金半界面、提升氧化鎵功率器件可靠性的重要路徑。

4、值得注意的是，二維(2d)材料憑借固有的范德華(vdw)表面，能夠與寬禁帶材料通過生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移的方式組成具有原子級(jí)平整界面的混合維度異質(zhì)結(jié)，可為ga2o3表面的能帶調(diào)整、調(diào)制肖特基勢(shì)壘賦予極強(qiáng)的靈活性。junxue?ran等人在gan基sbd結(jié)構(gòu)中使用graphene插入層，證實(shí)了石墨烯插入層提高肖特基勢(shì)壘均勻性的作用(參見j.ran，r.he，l.wang，b.liu，x.ji，j.su，j.wang，j.li，t.wei.improved?barrier?homogeneity?in?pt/al0.75ga0.25n?schottky?barrier?diodes?by?graphene?interlayer.journal?ofphysics?d:applied?physics，2022，55，304001.)。yuji?zhao等人在ga2o3器件表面生長(zhǎng)了六方氮化硼(bn)插入層，鈍化了表面缺陷、減少了泄漏電流，在增大開啟電壓的情況下使sbd擊穿電壓提高至1035v(參見m.xu，a.biswas，t.li，z.he，s.luo，z.mei，j.zhou，c.chang，a.b.puthirath，r.vajtai，p.m.ajayan，y.zhao.verticalβ-ga2o3metal-insulator-semiconductor?diodes?with?an?ultrathin?boron?nitrideinterlayer.applied?physics?letters，2023，23，232107.)。chloe?leblanc等人使用二維p型材料研究其在ga2o3不同晶向表面的電學(xué)輸運(yùn)情況(vertical?van?der?waalsheterojunction?diodes?comprising?2d?semiconductors?on?3dβ-ga2o3，nanoscale，2023，15，9964)。然而，由于轉(zhuǎn)移材料的厚度較大，不同p型材料的帶隙、親合能差異較大，且該工作中僅將p型材料作為pn結(jié)構(gòu)中獨(dú)立的單元而不是插入修飾結(jié)構(gòu)，無法獲取調(diào)制表面勢(shì)能規(guī)律，并沒有探究二維半金屬材料的表面調(diào)控作用。因此，如何在ga2o3表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于提升sbd的性能、調(diào)制其表面勢(shì)能具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種二維半金屬插入層鈍化的氧化鎵肖特基二極管及其制備方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、第一方面，本發(fā)明提供一種二維半金屬插入層鈍化的氧化鎵肖特基二極管，包括：

3、襯底，襯底的材料包括不同晶向n型重?fù)诫sβ-ga2o3；

4、外延層，位于襯底上；其中，外延層的材料包括n型非故意摻雜β-ga2o3；

5、二維半金屬生長(zhǎng)插入層，位于外延層上；

6、保護(hù)層，位于二維半金屬生長(zhǎng)插入層上，沿垂直于襯底的方向，保護(hù)層與二維半金屬生長(zhǎng)插入層的正投影重疊；

7、終端結(jié)構(gòu)，位于外延層上，終端結(jié)構(gòu)呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且環(huán)繞二維半金屬生長(zhǎng)插入層和保護(hù)層設(shè)置；

8、陽(yáng)極，覆蓋在保護(hù)層上、以及部分終端結(jié)構(gòu)上；

9、陰極，位于襯底背離外延層的一側(cè)。

10、第二方面，本發(fā)明還提供一種二維半金屬插入層鈍化的氧化鎵肖特基二極管及其制備方法，包括：

11、提供一不同晶向的襯底；襯底的材料包括n型重?fù)诫sβ-ga2o3；

12、在襯底上生長(zhǎng)外延層；其中，外延層的材料為包括n型非故意摻雜β-ga2o3；

13、對(duì)外延層上表面進(jìn)行清洗，在清洗后的外延層上表面生長(zhǎng)二維半金屬生長(zhǎng)插入層；

14、在二維半金屬生長(zhǎng)插入層上通過轉(zhuǎn)移的方式制備保護(hù)層；

15、在襯底背離外延層的一側(cè)制備陰極；

16、對(duì)保護(hù)層和二維半金屬生長(zhǎng)插入層進(jìn)行圖案化處理，刻蝕掉層疊設(shè)置的保護(hù)層和二維半金屬生長(zhǎng)插入層的部分區(qū)域，使層疊設(shè)置的保護(hù)層和二維半金屬生長(zhǎng)插入層在襯底上的正投影為圓形；環(huán)繞層疊設(shè)置的保護(hù)層和二維半金屬生長(zhǎng)插入層制備終端結(jié)構(gòu)；

17、在保護(hù)層上、以及部分終端結(jié)構(gòu)上制備陽(yáng)極。

18、本發(fā)明的有益效果：

19、本發(fā)明提供的一種二維半金屬插入層鈍化的氧化鎵肖特基二極管及其制備方法，層疊設(shè)置有襯底、外延層、二維半金屬生長(zhǎng)插入層和保護(hù)層，外延層的材料為β-ga2o3，外延層上設(shè)置二維半金屬生長(zhǎng)插入層，二維半金屬生長(zhǎng)插入層上設(shè)置保護(hù)層，用于保護(hù)二維半金屬生長(zhǎng)插入層；其中，環(huán)繞二維半金屬生長(zhǎng)插入層和保護(hù)層的周圍設(shè)置有終端結(jié)構(gòu)，在保護(hù)層、終端結(jié)構(gòu)上設(shè)置有陽(yáng)極，在襯底背離外延層的一側(cè)設(shè)置有陰極。如此，針對(duì)目前研究者使用原位bn生長(zhǎng)鈍化ga2o3表面缺陷，在增大開啟電壓的前提下，實(shí)現(xiàn)sbd擊穿電壓的提升；而使用p型二維材料無法有效調(diào)制表面勢(shì)能，從而改變金半接觸特性。本實(shí)施例提供的β-ga2o3基sbd器件，2d材料憑借固有的范德華(vdw)表面，可為ga2o3表面的能帶調(diào)整、肖特基勢(shì)壘調(diào)制賦予極強(qiáng)的靈活性。具體為，在二維范德華外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程中，ga2o3表面會(huì)首先發(fā)生原子重構(gòu)，出現(xiàn)ga雙層等平整表面結(jié)構(gòu)從而補(bǔ)償表面懸掛鍵，外延生長(zhǎng)的二維半金屬在重構(gòu)表面及其緩沖層誘導(dǎo)下規(guī)則排布并橫向擴(kuò)展外延，因此，一方面，ga2o3材料自身的表面重構(gòu)減少了表面缺陷，減少了器件工作中的不必要電荷俘獲，與二維材料間的范德華間隙能夠避免金屬半導(dǎo)體的直接接觸，降低界面的無序性，提高金半界面均勻性和穩(wěn)定性，另一方面，范德華間隙不能傳播非極性勢(shì)能，可以屏蔽不同晶向ga2o3的表面勢(shì)能，從根源上降低金半接觸的各向異性，有助于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的電學(xué)調(diào)控。

20、以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。