CN113964181A - 一种pn结基极耦合的氮化镓肖特基二极管及制备方法 - Google Patents
一种pn结基极耦合的氮化镓肖特基二极管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管及制备方法，肖特基二极管包括衬底层、外延层、欧姆电极、阳极和阴极，其中，外延层位于衬底层上，外延层包括缓冲层、接触层、漂移层和再生长势垒层，缓冲层、接触层、漂移层依次层叠，再生长势垒层设置在漂移层的侧面和部分上表面，再生长势垒层与漂移层之间形成PN结；欧姆电极位于再生长势垒层上；阳极位于漂移层和再生长势垒层上，且覆盖欧姆电极；阴极位于接触层上。该肖特基二极管中再生长势垒层与漂移层之间形成PN结，可以耗尽N型材料中的侧壁电子，起到调制电场的作用，降低了肖特基金属淀积边缘电场强度，提高击穿电压和反向击穿电压，且对正向特性影响较小，具有较高正向电流。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管及制备方法。
背景技术
三族氮化物肖特基势垒二极管得益于其低正向压降和快速反向恢复优势，被认为适合低损耗和高频整流应用。然而，受限于氮化镓独立式衬底的小晶片尺寸和高成本，氮化镓自衬底肖特基二极管很难在不久的将来实现大规模商业应用。因此，在其他低成本和大尺寸衬底上的准垂直氮化镓二极管，在某种程度上具有垂直功率器件的优点和硅衬底的成本效益，对于大规模生产和应用非常有吸引力。
由于氮化镓和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数差异，在硅、蓝宝石、碳化硅等异质衬底上生长无裂纹的厚氮化镓漂移层具有很大的挑战性。同时，在肖特基二极管中，特定电场下的过量漏电流可能导致其过早击穿。为了抑制漏电流，一种有效的方法是在高反向偏压下将电场峰值从顶部肖特基接触处移动到体半导体中。边缘终端是抑制电极边缘电场拥挤和解决准垂直肖特基二极管过早击穿问题的有效方法，然而，在阳极的边缘终端影响器件的正向特性，增加导通电阻和降低了器件电流，另外也可能在氮化镓漂移层中诱发深能级陷阱，影响器件的可靠性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，包括衬底层、外延层、欧姆电极、阳极和阴极，其中，
所述外延层位于所述衬底层上，所述外延层包括缓冲层、接触层、漂移层和再生长势垒层，所述缓冲层、所述接触层、所述漂移层依次层叠，所述再生长势垒层设置在所述漂移层的侧面和部分上表面，所述再生长势垒层与所述漂移层之间形成PN结；
所述欧姆电极位于所述再生长势垒层上；
所述阳极位于所述漂移层和所述再生长势垒层上，且覆盖所述欧姆电极；
所述阴极位于所述接触层上。
在本发明的一个实施例中，所述衬底层的材料包括硅、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种，厚度为50-1500μm。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲层的材料包括氮化镓、铝镓氮、氮化铝中的一种或多种，厚度为0.5-2μm。
在本发明的一个实施例中，所述接触层的材料包括重掺杂N型三族氮化物中的一种或多种，掺杂浓度为1018-5×1020cm-3，厚度为0.1-1μm。
在本发明的一个实施例中，所述漂移层的材料包括轻掺杂N型三族氮化物中的一种或多种，掺杂杂质包括硅、锗中的一种或多种，掺杂浓度小于5×1016cm-3，厚度为0.1-4μm。
在本发明的一个实施例中，所述再生长势垒层的材料包括轻掺杂P型三族氮化物中的一种或多种，掺杂杂质为镁、锌中的一种或多种，掺杂浓度为1×1017-5×1019cm-3，厚度为50-500nm。
在本发明的一个实施例中，所述欧姆电极的材料包括Ni、Ti、ITO中的一种或多种。
本发明的另一个实施例提供了一种PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法，包括步骤：
S1、在衬底层上依次外延生长缓冲层、接触层和漂移层；
S2、在所述漂移层的侧面和部分上表面制备再生长势垒层；
S3、在所述漂移层的上表面制备阴极；
S4、在所述再生长势垒层上制备欧姆电极；
S5、在所述漂移层和所述再生长势垒层上制备阳极，使得所述阳极覆盖所述欧姆电极。
在本发明的一个实施例中，步骤S2包括：
S21、在所述漂移层上外延生长介质层；
S22、刻蚀所述介质层和所述漂移层的两端，露出所述漂移层的侧面和所述接触层两端的上表面；
S23、再次刻蚀所述介质层的两端，露出所述漂移层的部分上表面；
S24、在所述接触层两端的上表面、所述漂移层的侧面和部分上表面生长再生长势垒层材料；
S25、腐蚀掉所述介质层；
S26、刻蚀掉所述漂移层两端上表面的所述再生长势垒层材料，形成所述再生长势垒层。
在本发明的一个实施例中，所述再生长势垒层的材料包括轻掺杂P型氮化镓材料，掺杂杂质为镁、锌中的一种或多种，掺杂浓度为1×1017-5×1019cm-3，厚度为50-500nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的肖特基二极管中，再生长势垒层与漂移层之间形成PN结，可以耗尽N型材料中的侧壁电子，起到调制电场的作用，降低了肖特基金属淀积边缘电场强度，提高准垂直肖特基二极管的击穿电压和反向击穿电压，且对正向特性影响较小，具有较高正向电流，保证了器件的可靠性。
2、本发明的PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法与现有常规工艺兼容，制作工艺简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管的结构示意图；
图2a-图2j为本发明实施例提供的一种PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管的结构示意图。该PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管为耐高压肖特基二极管，包括衬底层10、外延层20、欧姆电极30、阳极40和阴极50。
其中，外延层20位于衬底层10上。外延层20为三族氮化物外延层，包括缓冲层201、接触层202、漂移层203和再生长势垒层204，缓冲层201、接触层202、漂移层203自下而上依次层叠，再生长势垒层204设置在漂移层203的侧面和部分上表面，再生长势垒层204与漂移层203之间形成PN结；欧姆电极30位于再生长势垒层204上；阳极40位于漂移层203和再生长势垒层204上，且覆盖欧姆电极30；阴极50位于接触层202上。
具体的，漂移层203位于接触层202的中间部分，且形成岛状结构；在该岛状结构的两个侧面以及岛状结构两端的上表面上均形成有再生长势垒层204；欧姆电极30位于再生长势垒层204的部分上表面；阳极40位于漂移层203和再生长势垒层204上，且覆盖欧姆电极30，将欧姆电极30包裹住；阴极50位于接触层202两端的未被漂移层203覆盖的区域，且阴极50与再生长势垒层204之间不接触，相距有一定距离。
在一个具体实施例中，衬底层10的材料包括硅、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种，厚度为50-1500μm。可选的，衬底层10的材料为P型硅，其厚度为675μm，电阻率为0.01Ωcm，晶向为<111>。
在一个具体实施例中，缓冲层201的材料包括氮化镓、铝镓氮、氮化铝中的一种或多种，厚度为0.5-2μm。可选的，缓冲层201的材料渐变铝镓氮材料，其厚度为750nm。
在一个具体实施例中，接触层202的材料包括重掺杂N型三族氮化物中的一种或多种，例如接触层202的材料包括重掺杂N型氮化镓、重掺杂N型铝镓氮、重掺杂N型铟镓氮、重掺杂N型氮化铝材料中的一种或多种，掺杂元素包括Si，掺杂浓度为1018-5×1020cm-3，厚度为0.1-1μm。可选的，接触层202的材料为重掺杂N型氮化镓，其厚度为500nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
在一个具体实施例中，漂移层203的材料包括轻掺杂N型三族氮化物中的一种或多种，掺杂杂质包括硅、锗中的一种或多种，掺杂浓度小于5×1016cm-3，厚度为0.1-4μm。可选的，漂移层203的材料为轻掺杂N型氮化镓材料，其厚度为4μm，掺杂浓度为1×1016cm-3。
在一个具体实施例中，再生长势垒层204的材料包括轻掺杂P型三族氮化物中的一种或多种，掺杂杂质为镁、锌中的一种或多种，掺杂浓度为1×1017-5×1019cm-3，厚度为50-500nm。可选的，再生长势垒层204的材料为轻掺杂P型氮化镓材料，其厚度为500nm；掺杂杂质为镁，掺杂浓度为1×1019cm-3。
本实施例中，再生长势垒层204的材料为轻掺杂P型三族氮化物，P型三族氮化物的设置需使得电子从N型漂移层203中流通，因此，将再生长势垒层204的厚度设置为50-500nm，以保证电子从N型材料中流通；而再生长势垒层204的厚度太厚或者太薄，都无法保证电子从N型材料中流通，影响器件的性能。
在一个具体实施例中，欧姆电极30的材料包括Ni、Ti、ITO中的一种或多种。可选的，欧姆电极30的材料为镍/金叠层金属，厚度为5/10nm。
在一个具体实施例中，阳极40的材料包括钛、铝、镍、金中的一种或多种。可选的，阳极40的材料为钛/铝/镍/金叠层金属，厚度为220nm。
本实施例中，由于阳极40与再生长势垒层的P型三族氮化物之间的势垒较高，形不成良好的欧姆接触，实现不了良好的电流输出，因此，在阳极40与再生长势垒层204之间设置欧姆电极30，一方面可以降低接触电阻，另一方面可以让p型三族氮化物与阳极等电势，实现良好的电流传输作用。
在一个具体实施例中，阴极50的材料包括镍、金中的一种或多种。可选的，阴极50的材料为镍/金叠层金属，厚度为50/300nm。
本实施例的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管中，再生长势垒层采用轻掺杂P型三族氮化物，漂移层采用掺杂N型三族氮化物，P型的再生长势垒层与N型的漂移层之间形成PN结电荷耦合，将带P型三族氮化物形成的PN结应用到准垂直结构的肖特基二极管中，可以耗尽N型材料中即漂移层中的侧面附近的电子，起到调制电场的作用，降低了肖特基金属淀积边缘电场强度，降低了阳极终端的电力线拥挤和电场尖峰，提高准垂直肖特基二极管的击穿电压和反向击穿电压，且对正向特性影响较小，具有较高正向电流，保证了器件的可靠性。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图2a-图2j，图2a-图2j为本发明实施例提供的一种PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法的过程示意图。该制备方法包括步骤：
S1、在衬底层10上依次外延生长缓冲层201、接触层202和漂移层203，请参见图2a。
本实施例中，缓冲层201为氮化铝/氮化镓超晶格缓冲层，其厚度为750nm；接触层202为重掺杂N型接触层，其厚度为1μm，掺杂浓度为1×1019cm-3；漂移层203为轻掺杂N型漂移层，厚度为2.2μm，掺杂浓度2×1019cm-3。
S2、在漂移层203的侧面和部分上表面制备再生长势垒层204。具体包括步骤：
S21、在漂移层203上外延生长介质层1a，请参见图2b。
具体的，介质层1a的材料可以为SiO2、SiN中的一种或多种，厚度为20-200nm。本实施例中，介质层1a的材料为SiO2，厚度为100nm。
S22、刻蚀介质层1a和漂移层203的两端，露出漂移层203的侧面和接触层202两端的上表面，请参见图2c。
具体的，在SiO2介质层1a表面旋涂光刻胶，使用光刻机对刻蚀区域进行曝光和显影，对SiO2介质层1a和轻掺杂N型漂移层203的两端区域进行刻蚀，从而露出漂移层203的侧面和接触层202两端的上表面。
S23、再次刻蚀介质层1a的两端，露出漂移层203的部分上表面，请参见图2d。
具体的，对SiO2介质层1a和轻掺杂N型漂移层203刻蚀后的结构表面旋涂光刻胶，使用光刻机对刻蚀区域进行曝光和显影，对SiO2介质层1a的两端区域再次进行刻蚀，露出漂移层203的部分上表面即露出漂移层203的两端的上表面。
S24、在接触层202两端的上表面、漂移层203的侧面和部分上表面生长再生长势垒层材料，请参见图2e。
具体的，在包含SiO2介质层1a结构的表面外延再生长势垒层材料，再生长势垒层204的材料包括轻掺杂P型氮化镓材料，掺杂杂质为镁、锌中的一种或多种，掺杂浓度为1×1017-5×1019cm-3，厚度为50-500nm。本实施例中，再生长势垒层204的材料为轻掺杂P型氮化镓，厚度为500nm。
S25、腐蚀掉介质层1a，请参见图2f。
具体的，使用HF对包含SiO2介质层1a、轻掺杂P型氮化镓势垒层材料的结构进行腐蚀，腐蚀掉SiO2介质层1a。
S26、刻蚀掉漂移层203两端上表面的再生长势垒层材料，形成再生长势垒层204，请参见图2g。
具体的，在包含再生长势垒层材料即轻掺杂P型氮化镓的结构表面旋涂光刻胶，使用光刻机曝光和显影，对轻掺杂P型氮化镓进行刻蚀，刻蚀掉接触层202两端上表面的轻掺杂P型氮化镓，形成再生长势垒层204。
S3、在漂移层203的上表面制备阴极50，请参见2h。
具体的，在再生长势垒层204的表面旋涂光刻胶，使用光刻机曝光和显影，在导通层部分区域即漂移层203上淀积Ti/Al/Ni/Au欧姆金属，厚度为20/140/50/40nm，获得阴极50。
然后，在N2氛围中进行退火，退火温度为700-900℃，时间为20-60s。本实施例中，在N2氛围下使用快速退火工艺(Rapid Thermal Processing，RTP)进行退火，退火温度为750℃，退火时间为30s。
S4、在再生长势垒层204上制备欧姆电极30，请参见图2i。
具体的，在阴极50退火后的结构表面旋涂光刻胶，使用光刻机曝光和显影，在轻掺杂P型氮化镓上淀积欧姆金属，材料可以为Ni/Au，厚度为15/20nm，获得欧姆电极30。
S5、在漂移层203和再生长势垒层204上制备阳极40，使得阳极40覆盖欧姆电极30，请参见图2j。
具体的，在制备得到制备欧姆电极30的结构表面旋涂光刻胶，使用光刻机曝光和显影，在漂移层203和再生长势垒层204上淀积金属，材料可以为Ni/Au，厚度为50/150nm，获得阳极40，阳极40将欧姆电极30覆盖住。
本实施例的PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法与现有常规工艺兼容，制作工艺简单，成本较低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，包括衬底层(10)、外延层(20)、欧姆电极(30)、阳极(40)和阴极(50)，其中，
所述外延层(20)位于所述衬底层(10)上，所述外延层(20)包括缓冲层(201)、接触层(202)、漂移层(203)和再生长势垒层(204)，所述缓冲层(201)、所述接触层(202)、所述漂移层(203)依次层叠，所述再生长势垒层(204)设置在所述漂移层(203)的侧面和部分上表面，所述再生长势垒层(204)与所述漂移层(203)之间形成PN结；
所述欧姆电极(30)位于所述再生长势垒层(204)上；
所述阳极(40)位于所述漂移层(203)和所述再生长势垒层(204)上，且覆盖所述欧姆电极(30)；
所述阴极(50)位于所述接触层(202)上。
2.根据权利要求1所述的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，所述衬底层(10)的材料包括硅、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种，厚度为50-1500μm。
3.根据权利要求1所述的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，所述缓冲层(201)的材料包括氮化镓、铝镓氮、氮化铝中的一种或多种，厚度为0.5-2μm。
4.根据权利要求1所述的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，所述接触层(202)的材料包括重掺杂N型三族氮化物中的一种或多种，掺杂浓度为1018-5×1020cm-3，厚度为0.1-1μm。
5.根据权利要求1所述的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，所述漂移层(203)的材料包括轻掺杂N型三族氮化物中的一种或多种，掺杂杂质包括硅、锗中的一种或多种，掺杂浓度小于5×1016cm-3，厚度为0.1-4μm。
6.根据权利要求1所述的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，所述再生长势垒层(204)的材料包括轻掺杂P型三族氮化物中的一种或多种，掺杂杂质为镁、锌中的一种或多种，掺杂浓度为1×1017-5×1019cm-3，厚度为50-500nm。
7.根据权利要求1所述的PN结基极耦合的氮化镓肖特基二极管，其特征在于，所述欧姆电极(30)的材料包括Ni、Ti、ITO中的一种或多种。
8.一种PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在衬底层(10)上依次外延生长缓冲层(201)、接触层(202)和漂移层(203)；
S2、在所述漂移层(203)的侧面和部分上表面制备再生长势垒层(204)；
S3、在所述漂移层(203)的上表面制备阴极(50)；
S4、在所述再生长势垒层(204)上制备欧姆电极(30)；
S5、在所述漂移层(203)和所述再生长势垒层(204)上制备阳极(40)，使得所述阳极(40)覆盖所述欧姆电极(30)。
9.根据权利要求8所述的PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、在所述漂移层(203)上外延生长介质层(1a)；
S22、刻蚀所述介质层(1a)和所述漂移层(203)的两端，露出所述漂移层(203)的侧面和所述接触层(202)两端的上表面；
S23、再次刻蚀所述介质层(1a)的两端，露出所述漂移层(203)的部分上表面；
S24、在所述接触层(202)两端的上表面、所述漂移层(203)的侧面和部分上表面生长再生长势垒层材料；
S25、腐蚀掉所述介质层(1a)；
S26、刻蚀掉所述漂移层(203)两端上表面的所述再生长势垒层材料，形成所述再生长势垒层(204)。
10.根据权利要求8所述的PN结基极耦合的耐高压氮化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述再生长势垒层(204)的材料包括轻掺杂P型氮化镓材料，掺杂杂质为镁、锌中的一种或多种，掺杂浓度为1×1017-5×1019cm-3，厚度为50-500nm。
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