CN101694833A - 一种复合结构AlGaN/GaN场效应二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，包括：A、依次在衬底上生长缓冲层、GaN外延层、第一AlGaN层；B、在第一AlGaN层上生成掩蔽膜；C、在未被掩蔽的第一AlGaN层上生长第二AlGaN层，去除掩蔽膜形成凹槽；D、形成两个Ohmic电极并合金形成欧姆接触；E、蒸镀与两个Ohmic电极之一相连的Schottky电极。其中，Schottky电极蒸镀窗口通过选择区域生长(SAG)的方法形成。本发明还公开了一种复合结构AlGaN/GaN场效应二极管，该二极管采用Schottky-Ohmic复合结构实现对导电沟道的控制。当施加反向偏压时，Schottky接触可以耗尽二维电子气，关闭导电沟道；当施加正向偏压时，二维电子气导电沟道打开，形成导电通路。本发明器件结构简单、性能稳定、工艺流程中材料损伤少、可实现低的开启电压。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基功率器件领域，尤其涉及一种Schottky-Ohmic复合结构AlGaN/GaN场效应二极管及其制作方法。
背景技术
现代社会中，电子电力技术不断发展，稳压器、整流器、逆变器等电子器件在日常生活中应用越来越广泛，涉及高压供电、电能管理、工厂自动化和机动车能量分配管理等诸多领域。二极管和开关器件是这些应用领域中不可或缺的组成部分。近年来，具有高频、大功率、低功耗特性的肖特基二极管与PN结二极管等器件相比，以其独特的性能优势越来越引人注目。
传统的功率型肖特基二极管主要采用Si材料制作。由于禁带宽度、电子迁移率等材料特性本身的限制，硅基功率器件的性能已经接近其理论极限，不能满足当今高频、高温及大功率的需求。为了突破Si材料的理论极限，人们已着手寻找具有更优性能的材料。
GaN材料作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和漂移速率高、热稳定性良好等特点。当AlGaN/GaN形成异质结时，由于大的能带带阶及压电极化和自发极化效应，可产生高达1013/cm2的二维电子气，远远超过了传统III-V族电子器件中二维电子气的浓度。基于GaN材料系的以上优势，耐高温、高频、大功率肖特基二极管(SBD)的研究方兴未艾，关键技术围绕着提高击穿电压、增大正向电流、减小正向压降和开启电压等方面不断创新发展。
Furukawa电子公司的Uemoto等人在研究高效逆变器(inverter)时，提出了一种场效应肖特基二极管(FESBD)。该二极管具有导通电压低、恢复时间短、反向击穿电压高等特点。该器件的Schottky电极采用双接触结构以获得低的开启电压，低肖特基势垒金属为Al/Ti合金；高肖特基势垒金属为Pt。Ohmic电极材料为Al/Ti/Au合金。实现了低于0.1V的开启电压，并且获得了高于400V的反向击穿电压。该FESBD工作原理如下：(1)当施加正向偏压时，在AlGaN/GaN异质结面产生二维电子气(2DEG)，正向电流从低肖特基势垒金属出发流向Ohmic电极，因此具有开启电压较低的特性；(2)当施加反向偏压时，从低肖特基势垒金属出发流向Ohmic电极的电流被关断，原因在于高肖特基势垒电极对AlGaN/GaN异质结的场效应作用。参见文献：S.Yoshida，et al.，″AlGaN/GaNfield effect Schottky barrier diode(FESBD)″，phys.stat.sol.(c)，vol.2，no.7，pp.2602 2606，2005。
Sharp公司的Takatani等人提出了另一种Schottky-Ohmic复合结构AlGaN/GaN场效应二极管(SOCFED)。该器件在结构上与通过栅极下氟化物等离子体注入实现的增强型场效应管类似，首先在高阻的Si衬底上生长GaN缓冲层，然后生长厚1μm的GaN外延层和30nm的AlGaN层，再通过RIE向AlGaN层中选择性注入氟化物等离子体，最后形成两个电极，其中一个为Schottky-Ohmic复合结构电极，另一个为Ohmic电极。复合结构电极中的Schottky电极位于氟化物等离子体的上方，并与结构中另一Ohmic电极相连。该方法利用了AlGaN层中的氟阴离子来实现Schottky电极对AlGaN/GaN异质结二维电子气的完全耗尽，最终获得了接近0伏的开启电压，以及高于200V的击穿电压。参见文献：K.Takatani，et al.，″AlGaN/GaN Schottky-ohmic combined anode field effectdiode with fluoride-based plasma treatment″，ELECTRONICS LETTERS，vol.44，no.4，2008。几乎同时，香港科技大学的Chen等人提出了一种AlGaN/GaN横向型场效应整流器(L-FER)，同时复合了AlGaN/GaN增强场效应管的结构。该L-FER与Takatani等人提出的AlGaN/GaN SOCFED结构上完全一致。在制作工艺上，AlGaN/GaN L-FER与AlGaN/GaN增强型场效应管相似，并且都获得了低的开启电压，为GaN功率集成电路提供了一种低损耗的解决方案。该L-FER的正向开启电压为0.63V，此时电流密度为100A/cm2；器件展示了390V的反向击穿电压(BV)，此时电流为1mA/mm，比导通电阻(Ron，sp)为1.4mΩcm2，品质因子(BV2/Ron，sp)为108MV/cm2。参见文献：Wanjun Chen，et al.，″High-performance AlGaN/GaNlateral field-effect rectifiers compatible with high electron mobilitytransistors″，Appl.Phys.Lett.，vol.92，253501，2008。
上述两种GaN基场效应二极管实现方法的相同点是都利用了Schottky电极对AlGaN/GaN异质结面二维电子气导电沟道的控制作用。与传统的GaN基功率型Schottky二极管相比，上述两种二极管具有更低的开启电压。但在器件制作上，采用双肖特基势垒电极时工艺过程较复杂，而采用氟化物等离子体注入时会造成材料的损伤以及性能的不稳定。由此可见，在实现低开启电压的同时，如何简化制作工艺，保护半导体表面形貌，是一个值得探讨的问题。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种器件结构简单、无离子注入或刻蚀造成的材料损伤、性能稳定、可获得低开启电压的Schottky-Ohmic复合结构AlGaN/GaN场效应二极管及其制作方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，包括以下步骤：
A、依次在衬底上生长缓冲层、GaN外延层、第一AlGaN层；本发明中的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管，其开启电压可以通过第一层AlGaN层的厚度进行调节，很方便实现低的开启电压。
B、在所述第一AlGaN层上淀积一层介质掩蔽膜，并通过光刻的方法保留形成Schottky区域之上的掩蔽膜；
C、在未被掩蔽的第一AlGaN层上选择区域生长(SAG)和第一AlGaN层同样Al组分的第二AlGaN层，并腐蚀去除介质掩蔽膜，形成凹槽；这样采用选择区域生长(SAG)的方法二次生长形成的Schottky电极蒸镀窗口，即所述凹槽结构，与氟离子注入或等离子刻蚀方法相比提高了器件工作的可靠性。
D、光刻图形后在第二AlGaN层上形成两个Ohmic电极，并合金形成欧姆接触；
E、再次光刻图形后，蒸镀Schottky电极，所述Schottky电极填充至所述凹槽内，并与两个Ohmic电极之一相连。这样就形成了Schottky-Ohmic的复合结构。
步骤D中，通过蒸镀并合金形成的两个欧姆电极，它们材质为Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au，且分别位于凹槽的两侧，以此形成互不接触的两极。
步骤E中，所述Schottky电极为Ni/Au或Pt/Au。
步骤A、B中，采用MOCVD方法在1100℃的温度下依次在衬底上生长缓冲层、GaN外延层、第一AlGaN层，所述衬底为蓝宝石或Si或SiC或GaN；所述掩蔽膜为SiO2或SiN；GaN外延层3的厚度为1～10μm，第一AlGaN层的厚度为5～10nm。
步骤C中，用MOCVD法在1100℃下生长，所述第二AlGaN层(6)的厚度为15～30nm。所述第一AlGaN层及第二AlGaN层的Al组分相同，分别为20％～30％。
本发明同时也提供一种复合结构的AlGaN/GaN场效应二极管，由下至上依次包括：衬底、缓冲层、GaN外延层、第一AlGaN层、第二AlGaN层，在所述第二AlGaN层还设有延伸至第一AlGaN层的凹槽，还包括设置于第二AlGaN层上表面的两个欧姆电极，以及和两个欧姆电极之一连接的Schottky电极，所述Schottky电极填充至所述凹槽内。所述两个欧姆电极分别位于凹槽的两侧。所形成的Schottky-Ohmic接触复合结构中，Schottky接触用来实现对AlGaN/GaN异质结二维电子气的控制。
所述的AlGaN/GaN场效应二极管，由于复合结构中位于Schottky电极之下的第一AlGaN层很薄，导致该部分AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气浓度与其他位置相比较低，并且Schottky电极能够完全耗尽二维电子气导电沟道，从而使得该二极管具有稍大于零伏的开启电压。利用复合结构中的Schottky来实现对AlGaN/GaN异质结导电沟道的控制，在理论上与凹栅结构实现AlGaN/GaN增强型场效应管相同。当施加在复合结构中Schottky电极上的电压为反向偏压时，二极管处于截止状态；当施加在复合结构Schottky电极上的电压为大于开启电压的正向电压时，二极管导通，并且开启电压接近零伏。
与传统结构的GaN基功率型Schottky二极管相比，本发明具有开启电压低的显著优势；与现有场效应二极管技术相比，采用选择区域生长的方法来获得凹槽型AlGaN/GaN异质结构，避免了氟化物等离子体注入方法引起的材料损伤，提高了器件工作的可靠性，同时获得了低的开启电压。此外，本发明提供的器件结构相对简单，有利于工艺过程的实现。
附图说明
图1为本发明的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制造方法示意图；
图2为本发明的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的结构示意图。
1为蓝宝石衬底，2为AlN缓冲层，3为GaN外延层，4为第一AlGaN层，5为SiO2掩蔽膜，6为第二AlGaN层，7和8为Ohmic电极，9为Schottky电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例
如附图1所示，为本发明的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制造方法示意图，包含以下步骤：
A、如图1(a)所示，在蓝宝石衬底1上，利用MOCVD方法，在生长温度为1100℃的条件下，以H2和NH3作为保护气，首先生长一层20～30nm厚度的AlN缓冲层2，然后控制生长条件在其上生长2微米厚度的GaN外延层3，最后保持1100℃左右的生长温度，并控制反应室中通入的Al源和Ga源流量，生长5～10nm厚度的第一AlGaN层4，完成第一AlGaN层的生长。
B、如图1(b)所示，在所述第一AlGaN层4上，首先利用PECVD方法在250℃下淀积100nm厚度的SiO2掩蔽膜，然后在第一AlGaN层4上光刻图形后湿法腐蚀去除部分SiO2掩蔽膜，保留形成Schottky接触区域之上的SiO2掩蔽膜5。
C、如图1(c)、(d)所示，在第一AlGaN层4上SiO2掩蔽膜5之外的部分，利用选择区域生长的方法，使用MOCVD在1100℃下生长15～30nm厚度的和第一AlGaN层4同样Al组分的第二AlGaN层6。最后利用湿法腐蚀去除SiO2掩蔽膜5，形成凹槽10。
D、如图1(e)所示，通过蒸镀的方法，在二次生长的第二AlGaN层6上依次形成能与AlGaN/GaN形成欧姆接触的金属或合金，例如Ti/Al/Ni/Au欧姆电极7和8，并合金之后形成欧姆接触，且所述欧姆电极7和8分别位于凹槽10的两侧。
E、如图1(f)所示，选择性蒸镀与Ohmic电极7或8相连的的Schottky电极9，所述Schottky电极9的材质为能够与AlGaN/GaN形成良好肖特基接触的金属或者合金，例如Ni/Au或者Pt/Au，从而最终形成Schottky-Ohmic复合结构AlGaN/GaN场效应二极管。
步骤A中衬底也可选用Si、SiC、GaN等材料，缓冲层的生长根据衬底材料的不同而变化，GaN外延层的厚度范围为1-10μm。
步骤A、B中第一AlGaN层4和利用选择区域生长的方法二次生长的第二AlGaN层6，采用的Al组分相同，范围为20％～30％，其中优先采用30％Al组分比的AlGaN比作为势垒层，即Al0.3Ga0.7N。其中的掩蔽膜5可采用SiO2、SiN等介质材料。
步骤D中欧姆电极7和8也可选用Ti/Al/Pt/Au。
本发明中的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的结构如图2所示，由下至上依次包括：蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、GaN外延层3、第一AlGaN层4、第二AlGaN层6，在所述第二AlGaN层6还设有凹槽10，还包括设置于第二AlGaN层6上表面的欧姆电极7和8，以及和欧姆电极7或8连接的Schottky电极9，所述Schottky电极9填充至所述凹槽10内，即和第一AlGaN层4层接触，且在第一AlGaN层4上除Schottky电极9区域外的其他部分覆盖有第二AlGaN层6，Ohmic电极7和与之相连的Schottky电极9一起形成Schottky-Ohmic复合结构的电极。所述欧姆电极7和8分别位于凹槽10的两侧，且所述凹槽10从第二AlGaN层6延伸至第一AlGaN层4。此外所述第一AlGaN层4厚度为5～10nm，第二AlGaN层6厚度为15～30nm，第一AlGaN层4与第二AlGaN层6的Al组分相同，范围为20％～30％。
以上对本发明所提供的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管及其制作方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，包括以下步骤：
A、依次在衬底(1)上生长缓冲层(2)、GaN外延层(3)、第一AlGaN层(4)；
B、在所述第一AlGaN层(4)上淀积一层介质掩蔽膜，并通过光刻的方法保留形成Schottky区域之上的掩蔽膜(5)；
C、在未被掩蔽的第一AlGaN层(4)上选择区域生长和第一AlGaN层(4)同样Al组分的第二AlGaN层(6)，并腐蚀去除介质掩蔽膜(5)，形成凹槽(10)；
其特征在于，还包括以下步骤：
D、光刻图形后在第二AlGaN层(6)上形成两个Ohmic电极(7)、(8)，并合金形成欧姆接触；
E、再次光刻图形后蒸镀Schottky电极(9)，所述Schottky电极(9)填充至所述凹槽(10)内，并与Ohmic电极(7)或(8)相连。
2.根据权利要求1所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，其特征在于：步骤D中，通过蒸镀形成欧姆电极(7)和(8)，它们材质为Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au，且分别位于凹槽(10)的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，其特征在于：步骤E中，所述Schottky电极(9)为Ni/Au或Pt/Au。
4.根据权利要求1所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，其特征在于：步骤A、B中，采用MOCVD方法在1100℃的温度下依次在衬底(1)上生长缓冲层(2)、GaN外延层(3)、第一AlGaN层(4)，所述衬底(1)为蓝宝石或Si或SiC或GaN；所述掩蔽膜(5)为SiO2或SiN；GaN外延层(3)的厚度为1～10μm，第一AlGaN层(4)的厚度为5～10nm。
5.根据权利要求1所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，其特征在于：步骤C中，用MOCVD法在1100℃下生长，所述第二AlGaN层(6)的厚度为15～30nm。
6.根据权利要求1所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管的制作方法，其特征在于：第一AlGaN层(4)及第二AlGaN层(6)的Al组分均为20％～30％。
7.一种复合结构AlGaN/GaN场效应二极管，由下至上依次包括：衬底(1)、缓冲层(2)、GaN外延层(3)、第一AlGaN层(4)、第二AlGaN层(6)，在所述第二AlGaN层(6)还设有延伸至第一AlGaN层(4)的凹槽(10)，其特征在于：还包括设置于第二AlGaN层(6)上表面的欧姆电极(7)和(8)，以及和欧姆电极(7)或(8)连接的Schottky电极(9)，所述Schottky电极(9)填充至所述凹槽(10)内。
8.根据权利要求7所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管，其特征在于：所述欧姆电极(7)和(8)分别位于凹槽(10)的两侧。
9.根据权利要求7所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管，其特征在于：所述第一AlGaN层(4)厚度为5～10nm，第二AlGaN层(6)厚度为15～30nm。
10.根据权利要求7至9任一项所述的复合结构AlGaN/GaN场效应二极管，其特征在于：第一AlGaN层(4)与第二AlGaN层(6)的Al组分相同，范围为20％～30％。
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