CN106784022A - Sbd器件及其制备方法 - Google Patents

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金荣善
李东键
骆薇薇
孙在亨
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Abstract

本发明公开了一种SBD器件及其制备方法，该SBD器件，包括：金属层；设置在所述金属层上的缓冲层；设置在所述缓冲层上的重掺杂n‑GaN层；设置在所述重掺杂n‑GaN层上的微量掺杂n‑GaN层；设置在微量掺杂n‑GaN层上的肖特基阻挡金属层。上述SBD器件设计垂直原子构造，能防止横向器件构造中发生的热逃逸现象。

Description

SBD器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种SBD器件及其制备方法。
背景技术
以往电力半导体市场以硅的功率器件为主，过去20年，硅功率器件每隔十年提高5-6倍的电力密度，但已经达到理论极限，很难期待接下来的性能方面的改进。
相比硅或砷化镓(GaAs)，氮化镓(GaN)半导体具有能隙(Eg＝3.4eV)宽，高温中稳定等优点。另外，相对硅电力半导体，GaN电力半导体具有低温抵抗特性，这具有随着电力半导体而产生的转换损失最少化及***消费电力最少化等优点。GaN半导体器件通过小型化，高电压，高速率转换来实现低损失，是高效率的新一代电力器件，主要在产业网，电力网，信息与通讯技术(ICT)等领域需求不断增加。
已有肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode,以下为SBD)，以利用硅或GaAs的SBD为主,近年来开发利用GaN的SBD为主。利用GaN的SBD来说，主要以氮化铝镓(AlGaN)和利用GaN界面发生二维电子气体(2-dimensional electron gas，2DEG)的横向SBD为主。
相对PN结型二极管，一般SBD的顺向电压(VF)特性低，转换特性快的优点。但是漏电流(IR)大,对热设计有误，会发生热逃逸等缺点。利用GaN的SBD，以利用发生在AlGaN和GaN界面的2DEG的横向器件为主,在此种结构中很难有效进行热发射，对热逃逸也有缺点。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种垂直构造的SBD器件。
具体的技术方案如下：
一种SBD器件，包括：
金属层(metal layer)；
设置在所述金属层上的缓冲层(buffer layer)；
设置在所述缓冲层上上的重掺杂n-GaN层(heavily doped n-GaN layer)；
设置在所述重掺杂n-GaN层上的微量掺杂n-GaN层(lightly doped n-GaNlayer)；
设置在所述微量掺杂n-GaN层上的肖特基阻挡金属层(barrier metal layer)。
在其中一些实施例中，所述金属层设有突起区域和非突起区域，所述金属层与重掺杂n-GaN层接触。
在其中一些实施例中，所述非凸起区域与所述缓冲层之间设有基板层。
在其中一些实施例中，所述基板层的材料为硅。
在其中一些实施例中，所述微量掺杂n-GaN层的掺杂量为1×1018/cm3-1×1019/cm3，厚度为0.1μm-0.5μm。
在其中一些实施例中，所述重掺杂n-GaN层的掺杂量为5×1018/cm3-5×1019/cm3，厚度为0.1μm-0.5μm。
在其中一些实施例中，所述重掺杂n-GaN层包含多层的应变控制层和多层的掩蔽层，所述应变控制层的层数≥0；所述掩蔽层的层数≥0。
在其中一些实施例中，所述缓冲层的材料为氮化镓、氮化铝或氮化镓铝。
在其中一些实施例中，所述肖特基阻挡金属层的材料为W、Ti/W、TiN、Ni或Au；所述金属层的材料为Ni/Au、Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au。
本发明的另一目的是提供上述SBD器件的制备方法。
具体的技术方案如下：
一种SBD器件的制备方法，包括如下步骤：
提供基板层；
在所述基板层上形成缓冲层(buffer layer)；
在所述缓冲层上形成重掺杂n-GaN层(heavily doped n-GaN layer)；
在所述重掺杂n-GaN层上形成微量掺杂n-GaN层(lightly doped n-GaN layer)；
在所述微量掺杂n-GaN层上形成肖特基阻挡金属层(barrier metal layer)；
去除所述基板层形成金属层，或通过所述基板层上的通孔形成金属层。
上述SBD器件设计垂直原子构造，能防止2DEG(利用III-Nitride，使用在schottkybarrier diode的)(2-dimensional electron gas)横向器件构造中发生的热逃逸现象。
一般来说，SBD(Schottky barrier diode)比一般PN二极管顺方向电压特性低，转换速度快是它的优点，但相对来说漏电较大。
同时顺方向有较大的电流会发生元件发热，发热元件的漏电特性会增加，器件的温度及周围温度也会随之上升。若防热设计跟不上会达不到热平衡状态，温度会持续上升，同时漏电也会持续上升最终导致元件的破坏。
因此在SBD中防热设计非常重要，横向器件的背部很难使用热导率较好的金属元件。利用垂直结构时元件内电流所流的距离较短进而较少发热，具备有利于防热设计的结构可防止热逸散现象。
附图说明
图1为现有技术的横向器件结构的SBD器件；
图2为一实施例的垂直器件结构的SBD器件；
图3为一实施例的垂直器件结构的SBD器件。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实施例一种SBD器件(如图2所示)，包括：
金属层；
设置在所述金属层上的缓冲层；
设置在所述缓冲层上的重掺杂n-GaN层；
设置在所述重掺杂n-GaN层上的微量掺杂n-GaN层；
设置在所述微量掺杂n-GaN层上的肖特基阻挡金属层。
可以理解的，所述金属层还设有突起区域和非突起区域(如图3所示)，所述突起区域的上边缘与所述重掺杂n-GaN层接触，所述非凸起区域与所述缓冲层之间设有基板层(可以理解的，衬底层的材料可选择为硅)。
所述重掺杂n-GaN层的掺杂量为1×1018/cm3-1×1019/cm3，厚度为0.1μm-0.5μm。
所述重掺杂n-GaN层包含多层的应变控制层和多层的掩蔽层，所述应变控制层的层数≥0；所述掩蔽层的层数≥0。
所述微量掺杂n-GaN层的掺杂量为5×1018/cm3-5×1019/cm3，厚度为0.1μm-0.5μm。
可以理解的，所述缓冲层的材料可选择为氮化镓、氮化铝或氮化镓铝。
可以理解的，所述金属层的材料可选择为W、Ti/W合金、TiN、Ni或Au；所述阻挡金属层的材料为Ni/Au合金、Ti/Al合金、Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Pt/Au合金。
上述SBD器件的制备方法，包括如下步骤：
提供基板层；
在所述基板层上形成缓冲层(buffer layer)；
在所述缓冲层上形成重掺杂n-GaN层(heavily doped n-GaN layer)；
在所述重掺杂n-GaN层上形成微量掺杂n-GaN层(lightly doped n-GaN layer)；
在所述微量掺杂n-GaN层上形成肖特基阻挡金属层(barrier metal layer)；
去除所述基板层形成金属层，或通过所述基板层上的通孔形成金属层。
上述SBD器件设计垂直原子构造，能防止2DEG(利用III-Nitride，使用在schottkybarrier diode的)(2-dimensional electron gas)横向器件构造(如图1所示)中发生的热逃逸现象。
上述SBD器件的垂直结构删除了AlGaN层，使得设备动作距离短，设备底部可适用接触金属进而易于热排出。图3所示的改进结构(金属层还设有突起区域和非突起区域)，其突起区域直接与EPI层接触，更利于热排出。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种SBD器件，其特征在于，包括：
金属层；
设置在所述金属层上的缓冲层；
设置在所述缓冲层上上的重掺杂n-GaN层；
设置在所述重掺杂n-GaN层上的微量掺杂n-GaN层；
设置在所述微量掺杂n-GaN层上的肖特基阻挡金属层。
2.根据权利要求1所述的SBD器件，其特征在于，所述金属层设有突起区域和非突起区域，所述金属层与重掺杂n-GaN层接触。
3.根据权利要求2所述的SBD器件，其特征在于，所述非凸起区域与所述缓冲层之间设有基板层。
4.根据权利要求3所述的SBD器件，其特征在于，所述基板层的材料为硅。
5.根据权利要求1-4任一项所述的SBD器件，其特征在于，所述微量掺杂n-GaN层的掺杂量为1×1018/cm3-1×1019/cm3，厚度为0.1μm-0.5μm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的SBD器件，其特征在于，所述重掺杂n-GaN层的掺杂量为5×1018/cm3-5×1019/cm3，厚度为0.1μm-0.5μm。
7.根据权利要求6所述的SBD器件，其特征在于，所述重掺杂n-GaN层包含多层的应变控制层和多层的掩蔽层，所述应变控制层的层数≥0；所述掩蔽层的层数≥0。
8.根据权利要求1-4任一项所述的SBD器件，其特征在于，所述缓冲层的材料为氮化镓、氮化铝或氮化镓铝。
9.根据权利要求1-4任一项所述的SBD器件，其特征在于，所述肖特基阻挡金属层的材料为W、Ti/W、TiN、Ni或Au；所述金属层的材料为Ni/Au、Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au。
10.一种SBD器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供基板层；
在所述基板层上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成重掺杂n-GaN层；
在所述重掺杂n-GaN层上形成微量掺杂n-GaN层；
在所述微量掺杂n-GaN层上形成肖特基阻挡金属层；
去除所述基板层形成金属层，或通过所述基板层上的通孔形成金属层。
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