TWI602308B - 蕭特基二極體元件 - Google Patents

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Description

蕭特基二極體元件
本發明係有關於蕭特基二極體元件，特別係有關於具有低導通電壓卻不犧牲崩潰電壓之蕭特基二極體元件。
近年來，蕭特基二極體常用於切換式電源供應器。在較高的切換頻率下，為了能夠提昇切換式電源供應器的效率，必須改善所使用元件，例如是蕭特基二極體的導通損失。因此，蕭特基二極體著重在兩部份，其一是導通電壓，其二是崩潰電壓。具體來說，由於傳統的AlGaN/GaN蕭特基二極體有較高的導通電壓(例如是1至1.5伏特)，因此將導致嚴重的導通損失。為了解決上述問題，必須對蕭特基二極體之結構進一步改善。
關於蕭特基二極體之結構，一般而言，蕭特基二極體具有陽極及陰極，作為陽極的金屬與蕭特基二極體之阻障層之接面形成蕭特基接觸，作為陰極的金屬與蕭特基二極體之阻障層之接面形成歐姆接觸。傳統的蕭特基二極體常使用氮化鎵元件，然而氮化鎵元件具有一些缺點，例如，在歐姆接觸的附近會發生金屬突入現象(metal spiking)，使得局部區域具有極高的電場，其將導致氮化鎵蕭特基二極體元件提早崩潰。除此之外，由於氮化鎵的材料屬於寬能隙半導體，因此歐姆電阻的製作相對困難，良好的歐姆特性較難以實現。最後，也因為由於氮化鎵的材料屬 於寬能隙半導體，因此氮化鎵元件之導通電壓通常都較高(約1~2伏特)，其將使得電力系統之整體效率變差。
有鑑於此，有需要提出一種新的蕭特基二極體元件來解決傳統之蕭特基二極體降低導通電壓卻會犧牲崩潰電壓的問題。
為了解決傳統之蕭特基二極體之問題，本發明提出一種蕭特基二極體元件，包括一基板。該蕭特基二極體元件更包括一緩衝層，形成於該基板上。該蕭特基二極體元件更包括一通道層，形成於該緩衝層上。該蕭特基二極體元件更包括一阻障層，形成於該通道層上。該蕭特基二極體元件更包括一第一電極層，形成於該阻障層上，作為該蕭特基二極體元件之陽極。該蕭特基二極體元件更包括一第二電極層，設於該阻障層上，作為該蕭特基二極體元件之陰極。該蕭特基二極體元件更包括一第一n型參雜區，形成於該第一電極層之邊緣內側下方的該阻障層中，且與該第一電極層接觸；其中，該第一n型參雜區的邊緣與該第一電極層的邊緣，於該第一電極層面向該第二電極層的一第一方向上，係相隔一第一既定距離。
本發明上述所提出之蕭特基二極體具有低導通電壓卻不犧牲崩潰電壓之優點。
10‧‧‧蕭特基二極體元件
102‧‧‧基板
104‧‧‧緩衝層
108‧‧‧上層
108a‧‧‧通道層
108b‧‧‧阻障層
110a‧‧‧第一電極層
110b‧‧‧第二電極層
112‧‧‧鈍化層
A1‧‧‧第一n型參雜區
A2‧‧‧第二n型參雜區
e1、e2、e3、e4‧‧‧邊緣
c1、c2‧‧‧接面
aa-ab‧‧‧第一方向
d‧‧‧第一既定距離
Lext‧‧‧第二既定距離
Ldrift‧‧‧第三既定距離
L1、L2‧‧‧曲線
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體元件之結構示意圖。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體元件之結構示意圖。
第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之蕭特基二極體元件之結構示意圖。
第4A-4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體之順向電流-電壓之特性圖。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體之反向偏壓-漏電流之特性圖。
以下將詳細討論本發明各種實施例之製造及使用方法。然而值得注意的是，本發明所提供之許多可行的發明概念可實施在各種特定範圍中。這些特定實施例僅用於舉例說明本發明之製造及使用方法，但非用於限定本發明之範圍。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體元件之結構示意圖。一蕭特基二極體元件10包括一基板102、一緩衝層104、一上層108、一第一電極層110a、一第二電極層110b、一鈍化層112、一第一n型參雜區A1以及一第二n型參雜區A2。
參照第1圖，該緩衝層104形成於該基板102上，該上層108形成於該緩衝層104上。該第一電極層110a形成於該上層108上，作為該蕭特基二極體元件10之陽極，其中該第一電極層110a可以是高功函數金屬，例如是鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)，或是能與該上層108形成蕭特基接面的金屬。該第二電極層110b，設於該上 層108上，作為該蕭特基二極體元件10之陰極，其中該第二電極層110b可以是低功函數金屬，例如是鈦/鋁/鎳/金等複合式合金結構，或是能與該上層108形成歐姆接面的金屬。該第一電極層110a與該第二電極層110b，於一第一方向aa-ab上(即，第1圖中，aa指向ab之方向)，相距一第三既定距離Ldrift。
本發明之特點為在蕭特基二極體元件之陽極及陰極下方進行選擇性的N型參雜，以達到降低導通電壓而不犧牲崩潰電壓的功效。以下將對蕭特基二極體元件之陽極及陰極結構進一步詳細的描述。
蕭特基二極體元件之陽極
該第一n型參雜區A1，形成於該第一電極層110a之邊緣內側下方的該上層108中，且與該第一電極層110a接觸，其中，該第一n型參雜區A1的邊緣e2與該第一電極層110a的邊緣e1，於該第一電極層110a面向該第二電極層110b的該第一方向aa-ab上，係相隔一第一既定距離d。
相較於傳統之蕭特基二極體，本發明之蕭特基二極體元件10更在該第一電極層110a下方進行選擇性的n型參雜，以形成該第一n型參雜區A1於該第一電極層110a內側下方之該上層108中。在本發明之一特定之實施例中，參照第1圖，該第一n型參雜區A1，具體來說，係透過離子佈植或擴散的方式，將例如是矽離子參雜進該上層108中。需注意的是，參照第1圖，僅部份之該第一電極層110a與參雜了例如是矽離子之該上層108接觸，其接面為C1，其餘部份之該第一電極層110a與未參雜之該上層108接 觸，其接面為C2。該接面C1具有較低之蕭特基能障，因此導通電壓較低。該接面C2具有較高之蕭特基能障，因此導通電壓較高。簡單來說，由於該第一電極層110a與該上層108之間具有兩種不同蕭特基能障之接面C1及C2，因此相較於僅具有一種蕭特基能障之接面的傳統蕭特基二極體元件，本發明之該蕭特基二極體元件10透過該第一n型參雜區A1之作用，具有低導通電壓卻不會犧牲過多崩潰電壓(低於10%)。
蕭特基二極體元件之陰極
由於在製作蕭特基二極體陰極金屬的過程中，需高溫退火，以形成合金式歐姆接觸，然而上述製程將使得歐姆接觸附近發生金屬突入(metal spiking)現象，其將會在陰極金屬邊緣產生高電場，使得蕭特基二極體之崩潰電壓降低。
有鑑於此，參照第1圖，在本發明之另一實施例中，該蕭特基二極體元件10更包括一第二n型參雜區A2。該第二n型參雜區A2，形成於該第二電極層110b下方的該上層108中，且與該第二電極層110b接觸，其中，該第二n型參雜區A2的邊緣e4，更自該第二電極層110b的邊緣e3外側，平行於該第一方向aa-ab，向該第一電極層110a延伸一第二既定距離Lext(即邊緣e3與邊緣e4相距該第二既定距離Lext)，該第二n型參雜區A2不接觸該第一電極層110a，換言之，該第二n型參雜區A2並不會延伸至該第一電極層110a下方。
相較於傳統之蕭特基二極體，本發明之蕭特基二極 體元件10更在該第二電極層110b下方進行選擇性的n型參雜，以形成該第二n型參雜區A2於該第二電極層110b下方之該上層108中。在本發明之一特定之實施例中，參照第1圖，該第二n型參雜區A2，具體來說，係透過離子佈植或擴散的方式，將例如是矽離子參雜進該上層108中。透過延伸該第二既定距離Lext，能重新分配歐姆接觸附近的電場，進而提昇崩潰電壓。除此之外，還能降低該上層108與該第二電極層110b之接面的歐姆能障。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體元件之結構示意圖。第2圖與第1圖大致上相同，差異在於，該上層108更包括一通道層108a及一阻障層108b。該通道層108a設於該緩衝層104上，該阻障層108b設於該通道層108a上，該第一n型參雜區A1形成於該第一電極層110a之邊緣內側下方的該阻障層108b中，以及第二n型參雜區A2形成於該第二電極層110b下方的該阻障層108b中。該第一n型參雜區A1及該第二n型參雜區A2也可延伸進入該通道層108a中(如第2圖所示)，但並非限定於此。在一特定之實施例中，該通道層108a為金屬氮化物層，該金屬氮化物層之金屬包括鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)或前述金屬之任意組合，組合例如是氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)。在一特定之實施例中，該阻障層108b為金屬氮化物層，該金屬氮化物層之金屬包括鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)或前述金屬之任意組合，組合例如是氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁銦(AlInN)。在一特定之實施例中，該緩衝層104為金屬氮化物層，該金屬氮化物層之金屬包括鎵(Ga)、鋁(Al)或前述金屬之任 意組合，組合例如是氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)。在一特定之實施例中，基板之材料為碳化矽(SiC)、藍寶石(sapphire)、鑽石(diamond)、矽基板之一。在本發明一特定實施例中，該基板102為矽基板，該通道層108a之材料為氮化鎵(GaN)，以及該阻障層108b更包括一第一層及一第二層，該第一層形成在該通道層108a上，該第二層形成在該第一層上，該第一電極110a及該第二電極110b形成在該第二層上，其中該第一層之為材料為氮化鋁鎵(AlGaN)，該第二層之材料為氮化鎵覆蓋層(GaN cap)。
由於第2圖與第1圖有相似的結構，因此第2圖之蕭特基二極體元件與第1圖之蕭特基二極體元件具有相似的特性。簡單來說，由於該第一電極層110a與該阻障層108b之間具有兩種不同蕭特基能障之接面C1及C2，因此本發明之該蕭特基二極體元件10具有低導通電壓卻不會犧牲過多崩潰電壓(低於10%)。同樣的，透過延伸該第二既定距離Lext，能重新分配歐姆接觸附近的電場，進而提昇崩潰電壓。除此之外，還能降低該阻障層108b與該第二電極層110b之接面的歐姆能障。
第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之蕭特基二極體元件。第3圖與第2圖之差異在於，該第一電極層110a、該第二電極層110b及該阻障層108b形成於該通道層108a上，且該阻障層108b形成於該第一電極層110a及該第二電極層110b之間，該第一n型參雜區A1形成於該第一電極層110a之邊緣內側下方的該通道層108b中，以及第二n型參雜區A2形成於該第二電極層110b下方的該通道層108a中。具體而言，參照第2圖，在製作第一電極110a及第二電極110b之前，進一步將兩電極下方的阻障層108b蝕 刻，使得兩電極直接形成於該通道層108a上。由於第3圖之蕭特基二極體元件與第2圖之蕭特基元件具有相似的結構，因此具有相同的特性。簡單來說，由於該第一電極層110a與該通道層108a之間具有兩種不同蕭特基能障之接面C1及C2，因此本發明之該蕭特基二極體元件10具有低導通電壓卻不會犧牲過多崩潰電壓。同樣的，透過延伸該第二既定距離Lext，能重新分配歐姆接觸附近的電場，進而提昇崩潰電壓。除此之外，還能降低該通道層108a與該第二電極層110b之接面的歐姆能障。
第4A-4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體之順向電流-電壓之特性圖。曲線L1係顯示本發明之蕭特基二極體元件10之電流-電壓關係。曲線L2係顯示傳統之蕭特基二極體之電流-電壓關係。由於傳統之蕭特基二極體僅具有一種蕭特基能障的接面，因此傳統之蕭特基二極體的導通電壓較高，如第4A圖之曲線L2所示，傳統之蕭特基二極體之導通電壓大約為1.3伏特。相反地，參照第2圖，由於本發明之該第一電極層110a及該阻障層108b之間具有兩種蕭特基能障的接面C1及C2，因此本發明之蕭特基二極體元件10之導通電壓較低，如第4A圖之曲線L1所示，該蕭特基二極體元件10之導通電壓大約為1.0伏特。為了能更清楚區分兩者之導通電壓，第4B圖之圖示是對第4A圖之順向電流取對數後之局部電流-電壓特性曲線。顯然的，相較於傳統之蕭特基二極體，本發明之蕭特基二極體元件10具有較低的導通電壓。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之蕭特基二極體之漏電流-反向偏壓之特性圖。曲線L1係顯示本發明之蕭特基二極體元件10之漏電流-反向偏壓關係。曲線L2係顯示傳統之蕭特 基二極體之漏電流-反向偏壓關係。如圖所示，兩者之曲線本質上相等，意味著，兩者之崩潰電壓本質上相同，在一些特定的實施例中，該蕭特基二極體元件10之崩潰電壓可達到1500伏特，高於傳統的蕭特基二極體之崩潰電壓1250伏特。
在本發明之一較佳實施例中，在該第一電極層110a下方之該阻障層108b中進行選擇性的n型參雜，能降低該蕭特基二極體元件10之導通電壓，以及在該第二電極層110b下方之該阻障層108b中進行選擇性的n型參雜，能提昇該蕭特基二極體元件10之崩潰電壓。因此，本發明之該蕭特基二極體元件10具有低導通電壓卻不會犧牲崩潰電壓之特性。
以上所述之在陽極及陰極下方進行選擇性的n型參雜技術能廣泛應用於三族氮化物的蕭特基二極體元件，而蕭特基元件可用於功率電子、切換式電源供應器及高頻電路中的功率放大器中。
本說明書中所提到的「一實施例」或「實施例」所提到的特定的特徵、結構或性質，可包括在本說明書的至少一實施例中。因此，在不同地方出現的語句「在一個實施例中」，可能不是都指同一個實施例。另外，此特定的特徵、結構或性質，也可以任何適合的方式與一個或一個以上的實施例結合。
本說明書所揭露之實施例，對於任何在本領域熟悉此技藝者，將很快可以理解上述之優點。在閱讀完說明書內容後，任何在本領域熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，可以廣義之方式作適當的更動和替換。因此，本說明書所揭露之實施例，是用以保護本發明之專利要求範圍，並非用以限定本發 明之範圍，此外，在不同實施例中，本發明可能會重複使用相同的索引標號和/或文字。使用這些索引標號和/或文字的目的是為了簡化和闡明本發明，但並非用以表示在不同實施例和/或所揭露之結構必須具有相同之特徵。
10‧‧‧蕭特基二極體元件
102‧‧‧基板
104‧‧‧緩衝層
108‧‧‧上層
108a‧‧‧通道層
108b‧‧‧阻障層
110a‧‧‧第一電極層
110b‧‧‧第二電極層
112‧‧‧鈍化層
A1‧‧‧第一n型參雜區
A2‧‧‧第二n型參雜區
e1、e2、e3、e4‧‧‧邊緣
c1、c2‧‧‧接面
aa-ab‧‧‧第一方向
d‧‧‧第一既定距離
Lext‧‧‧第二既定距離
Ldrift‧‧‧第三既定距離

Claims (9)

  1. 一種蕭特基二極體元件，包括：一基板；一緩衝層，形成於該基板上；一上層，形成於該緩衝層上；一第一電極層，形成於該上層上，作為該蕭特基二極體元件之陽極；以及一第二電極層，設於該上層上，作為該蕭特基二極體元件之陰極；一第一n型參雜區，形成於該第一電極層之邊緣內側下方的該上層中，且與該第一電極層接觸；其中，該第一n型參雜區的邊緣與該第一電極層的邊緣，於該第一電極層面向該第二電極層的一第一方向上，係相隔一第一既定距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體元件，更包括一第二n型參雜區，形成於該第二電極層下方的該上層中，且與該第二電極層接觸；其中，該第二n型參雜區的邊緣，更自該第二電極層的邊緣外側，平行該第一方向，向該第一電極層延伸一第二既定距離，該第二n型參雜區不接觸該第一電極層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體元件，其中該上層更包括一阻障層及一通道層，該通道層形成於該緩衝層上，該阻障層形成於該緩衝層上，該第一電極層及該第二 電極層形成於該阻障層上，該第一n型參雜區形成於該第一電極層之邊緣內側下方的該阻障層中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體元件，其中該上層更包括一阻障層及一通道層，該第一電極層、該第二電極層及該阻障層形成於該通道層上，且該阻障層形成於該第一電極層及該第二電極層之間，該第一n型參雜區形成於該第一電極層之邊緣內側下方的該通道層中。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之蕭特基二極體元件，更包括一第二n型參雜區，形成於該第二電極層下方的該阻障層中，且與該第二電極層接觸；其中，該第二n型參雜區的邊緣，更自該第二電極層的邊緣外側，平行該第一方向，向該第一電極層延伸一第二既定距離，該第二n型參雜區不接觸該第一電極層。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之蕭特基二極體元件，更包括一第二n型參雜區，形成於該第二電極層下方的該通道層中，且與該第二電極層接觸；其中，該第二n型參雜區的邊緣，更自該第二電極層的邊緣外側，平行該第一方向，向該第一電極層延伸一第二既定距離，該第二n型參雜區不接觸該第一電極層。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之蕭特基二極體元件，其中該第一電極層與該第二電極層，於該第一方向上，相距一第三既定距離。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之蕭特基二極體元件，其中該第一n型參雜區更向下延伸進入該通道層中。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之蕭特基二極體元件，其中該阻障層為金屬氮化物層，該金屬氮化物層之金屬包括Ga、In、Al或前述金屬之任意組合。
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