CN101694842B - 一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管，从下到上依次包括低电阻n型Si衬底层、缓冲层、GaN层、AlGaN层以及设置于该AlGaN层之上的栅极，该GaN层和AlGaN层之间形成了异质结二维电子气导电沟道，还包括上欧姆接触层、下欧姆接触层和设置在该AlGaN层表面的沉孔结构。本发明利用该沉孔结构实现横向AlGaN/GaN肖特基二极管中电流的纵向运输；本发明同时提供了一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的制作方法。本发明提供了一种横向导电结构和纵向导电结构相结合的混合结构，既具有横向二维电子气导电沟道高浓度、高电子迁移率的特点，又实现了电流的纵向输运，便于实现多个器件单元的并联封装，以获得正向大电流特性。

Description

一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种肖特基二极管及其制作方法，尤其涉及一种功率型AlGaN/GaN肖特基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的应用非常广泛，涉及高压供电、电能管理、整流、工厂自动化和机动车能量分配管理等诸多领域，性能要求也越来越高。功率型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，具有耐高压、大电流、低功耗特性的肖特基二极管以其独特的性能优势越来越引人注目。

肖特基二极管是一种利用金属和半导体接触的整流特性进行工作的多数载流子器件。与PN结、p-i-n等二极管相比，具有开启电压低、反向恢复电流小、开关速度快、功耗低等特点。发展至今，Si基肖特基二极管已经接近理论极限。实现高效、耐热、耐压和大功率特性，需要新一代的宽禁带半导体材料来支撑。

GaN属于宽禁带半导体材料，它具有优异的物理和化学性质，如禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高及抗辐照性能强、热导率和介电常数大，化学特性稳定等，特别适合制作高压、高温、高频、高功率、强辐照环境下使用的半导体器件。具体而言，GaN的禁带宽度比Si材料大，本征载流子浓度比Si低，由此决定了GaN基器件的极限工作温度比Si基器件高。从热稳定性方面考虑，III-V族化合物的键能比Si材料大，在高温下有更高的稳定性。同时，GaN材料的BFOM因子(Baliga Figure Of Merit，V² _BR/R_on)比Si材料高，这意味着同等条件下GaN肖特基二极管比Si肖特基二极管具有更高的击穿电压和更低的通态电阻。更为重要的是，AlGaN/GaN界面处可以形成电子浓度高、电子迁移率大的二维电子气导电沟道，这对降低肖特基二极管的导通电阻很有帮助。GaN基肖特基二极管得益于这些材料特性，在性能方面表现越来越突出。

具有代表性的是美国VELOX公司在2005年报道的具有高性能低成本的GaN基肖特基二极管，反向耐压高达600V，开启电压低于1V，反向存储电荷在9nC量级。参见文献：Isaac Cohen，Ting Gang Zhu，et al.Novel 600V GaN Schottkydiode delivering SiC performance without the SiC price，2005，VELOXSemiconductor Corporation。

GaN基肖特基二极管衬底材料的选择对器件性能有较大的影响。总体而言，影响器件衬底选择的主要因素有以下几个方面：1)晶格失配和热失配；2)热导、散热问题；3)器件结构选择问题；4)晶片尺寸；5)衬底成本；6)大规模集成问题。衬底材料的选择应该充分考虑这几个因素，根据实际需要在性能和成本之间做出均衡选择。目前，GaN基肖特基二极管的衬底一般选用Sapphire、Si和GaN。各种衬底在材料特性、制作工艺、成本、质量等方面都存在区别。蓝宝石和氮化镓之间有较大的晶格失配和热失配，而且热导率低。另外，蓝宝石的导电性能差，不支持肖特基二极管的纵向导电结构。从晶格匹配和热匹配方面考虑，GaN作为同质外延衬底无疑是最理想的。但是，目前GaN单晶生长较为困难，难以获得高质量、大尺寸、低成本的GaN单晶。相比而言，Si通过拉单晶的方法，可以获得高质量、大尺寸、低成本的硅单晶。这一优势在商用领域大规模生产方面极其明显。同时，硅导电性较好，作为氮化镓肖特基二极管的衬底，可以支持纵向导电结构。另一方面，硅与氮化镓的晶格失配和热失配可以在两者之间生长缓冲层来缓解。因此，硅衬底氮化镓基肖特基二极管的应用前景是非常诱人的。

从器件结构方面考虑，肖特基二极管在最早的点接触结构基础上不断改进，新结构不断被提出。从电流输运方向来划分，器件结构可分为横向导电结构和纵向导电结构。

横向导电结构肖特基二极管在正向导通时，电流沿着与器件外延平面平行的方向从肖特基接触流向欧姆接触；在反向截止时，耗尽区也在该方向承受反向电压。横向导电结构是利用AlGaN/GaN异质结二维电子气导电沟道来输运电流的，二维电子气高电子浓度和高电子迁移率，可以有效地降低器件的导通电阻。但是，从封装角度考虑，横向导电结构不便于实现多个器件单元的并联封装，同时也不便于器件的散热。

纵向导电结构肖特基二极管的欧姆接触电极位于衬底底部，电流沿垂直方向输运，耗尽层也在垂直方向承受反向电压。同条件下与横向导电结构相比，纵向导电结构可以实现更高的击穿电压。参见文献：A.P.Zhang，J.W.Johnson，et al.Vertical and lateral GaN rectifiers on free-standing GaNsubstrates，Applied Physics Letters，2001.9，vol.79，No.10，Page：1555-1557。更为重要的是，纵向导电结构便于实现多个器件单元的并联封装、提高散热性能，实现大电流。

由此可见，横向导电结构可以利用二维电子气导电沟道的优势，但不便于实现多个器件单元的并联封装以及散热；而纵向导电结构便于实现多个器件单元的并联，却难以加入横向的二维电子气导电沟道。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种具有沉孔结构的AlGaN/GaN肖特基二极管，它既提供横向的导电结构，又具有纵向的导电结构，既具有横向二维电子气导电沟道高浓度、高电子迁移率的特点，又实现了电流的纵向输运，便于实现多个器件单元的并联封装。同时本发明也提供了此种具有沉孔结构的AlGaN/GaN肖特基二极管制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管，包括：低电阻n型Si衬底层、设置于该衬底层之上的缓冲层、设置于该缓冲层之上的GaN层、设置于该GaN层之上的AlGaN层以及设置于该AlGaN层之上的栅极，所述GaN层和其上的AlGaN层之间形成了异质结二维电子气导电沟道，还包括设置在该AlGaN层表面的沉孔结构以及由覆盖在AlGaN层上表面、沉孔结构的内壁和底面的上欧姆接触层，以及设置在低电阻n型Si衬底层底部的下欧姆接触层形成的阴极，设置在该AlGaN层上表面的上欧姆接触层和该栅极保持一定的距离。沉孔结构将横向导电结构和传统的纵向导电结构结合起来，既利用了横向的二维电子气导电沟道，又实现了纵向导电通路。电流的纵向输运易于实现多个器件单元的并联封装、提高散热性能，实现正向大电流特性。此外，采用低电阻n型Si衬底的原因主要是利用了其导电性良好这一特性，而且Si衬底晶圆尺寸大、成本低、质量高。

该沉孔结构从该AlGaN层表面延伸至该Si衬底层表面或者到Si衬底层内部任意位置。它提供了从二维电子气导电沟道到低电阻n型Si衬底层底部的下欧姆接触层的电流通路，即主要是用来在纵向引导电流，使其流向阴极。

还包括设置在栅极和AlGaN层接触边缘之间的钝化层，该钝化层材质为SiOx或Al₂O₃或Si₃N₄。这样是为了抑制电场集边效应，提高击穿电压。

所述上欧姆接触层、下欧姆接触层的材质是能够与AlGaN、GaN以及n型Si衬底形成欧姆接触的金属或者合金。该低电阻n型Si衬底的电阻率小于0.02Ω·cm，这样能够进一步减小二极管的导通电阻。

本发明的另一种技术方案是：提供一种如前所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的制作方法，包括以下步骤：

A、将已经覆盖有所述缓冲层、GaN层以及AlGaN层的低电阻n型Si衬底清洗干净，为后续工序做准备。

B、在所述AlGaN层上表面涂覆光刻胶层，并通过光刻形成刻蚀窗口，刻蚀未被光刻胶覆盖部分，形成所述沉孔结构，并剥离光刻胶层，这样在形成栅极底座的同时能够提供从二维电子气导电沟道到衬底底部电极的电流通路。

C、在所述AlGaN层上表面中部涂覆光刻胶层，并通过光刻形成上欧姆接触层蒸镀窗口，然后进行带胶蒸发，蒸发能够与AlGaN、GaN形成欧姆接触的金属或者合金，然后将光刻胶层剥离，再进行合金，形成上欧姆接触层，这样在二极管工作过程中，沉孔结构中涂覆的上欧姆接触层能够引导电流流向低电阻n型Si衬底；

D、在所述上欧姆接触层以及所述AlGaN层的上表面除去将要设置栅极的区域内涂覆光刻胶层，形成形成栅极蒸镀窗口，这样便于栅极金属蒸镀过程中的准确定位。

E、利用电子束蒸发的方法依次蒸镀栅极金属，然后剥离光刻胶层，形成栅极，即形成了二极管的阳极。

F、在低电阻n型Si衬底底部依次蒸镀Sb、Au，形成下欧姆接触层，合金后形成阴极。这样的结构易于实现多个器件单元的并联封装。

所述步骤B中，该刻蚀深度由该AlGaN层上表面延伸至该低电阻n型Si衬底层表面或者到低电阻n型Si衬底层内部任意位置，以尽量减小导通电阻。采用ICP设备刻蚀未被光刻胶覆盖部分。

所述步骤C中，该带胶蒸发是利用电子束蒸发的方法，采用lift-off制程将光胶层剥离，所述能够与AlGaN、GaN形成欧姆接触的金属或者合金为Ti、Al、Ni、Au或者Sb、Au。

所述步骤E中，该栅极金属为Pt、Ti、Au或者Ag、Co、Ni。

与现有技术相比，本发明提供的AlGaN/GaN肖特基二极管采用沉孔结构的混合型导电结构综合了传统的横向导电结构和纵向导电结构的优势，既利用了横向二维电子气导电沟道高浓度、高电子迁移率的特点，又实现了电流的纵向输运，电流的纵向输运便于实现多个器件单元的并联封装，增大有效面积，获得正向大电流，提高散热性能。

附图说明

图1为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的结构示意图；

图2为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的再一种结构示意图；

图3为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的另一种结构示意图；

图4为本发明的多个功率型AlGaN/GaN肖特基二极管器件单元并联封装的俯视示意图；

图5为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的制作方法的工艺流程示意图。

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1

如附图1所示，显示了本发明中的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的结构，这里只表示出了相邻的两个器件单元的结构，它包括：从下到上依次为，低电阻n型Si衬底层6、由AlN单层结构或者由AlGaN和AlN形成的多层结构构成的缓冲层5、GaN层4、AlGaN层3以及设置于该AlGaN层3之上的栅极1；所述GaN层4和其上的AlGaN层3之间形成了异质结二维电子气导电沟道11，该功率型AlGaN/GaN肖特基二极管利用AlGaN/GaN异质结二维电子气导电沟道来输运电流，二维电子气高电子浓度和高电子迁移率，可以有效地降低器件的导通电阻。

此外，还包括设置在该AlGaN层3表面的沉孔结构9以及由覆盖在AlGaN层3上表面、沉孔结构9的内壁和底面的上欧姆接触层7，以及设置在低电阻n型Si衬底层6底部的下欧姆接触层14形成的阴极10，设置在该AlGaN层3上表面的上欧姆接触层7和该栅极1保持一定的距离，该沉孔结构9从该AlGaN层3表面延伸至该Si衬底层6表面。所述上欧姆接触层7、下欧姆接触层14的材质是能够与AlGaN、GaN以及n型Si衬底形成欧姆接触的金属或者合金。该低电阻n型Si衬底6的电阻率小于0.02Ω·cm。

所述功率型AlGaN/GaN肖特基二极管在正向偏压下，正向电流从栅极1出发，流经AlGaN/GaN异质结界面二维电子气导电沟道11，然后由沉孔结构内的上欧姆接触层7引导流向低电阻n型Si衬底6，最后由该Si衬底6底部的下欧姆接触电极14流出。相反的，在反向偏压下，二维电子气导电沟道11耗尽，耗尽区在与所述功率型AlGaN/GaN肖特基二极管外延平面平行的方向承受反向电压。

实施例2

如附图2所示，为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的再一种结构示意图，本实施例中的结构和实施例1基本相同，不同之处在于：所述沉孔结构9从该AlGaN层3表面延伸至该Si衬底层6内部的位置以用来尽量减小导通电阻。

实施例3

如附图3所示，为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的另一种结构示意图，本实施例中的结构和实施例1基本相同，不同之处在于：在栅极1和AlGaN层3接触边缘之间还设有钝化层8，该钝化层材质为SiOx或Al₂O₃或Si₃N₄。以用来抑制电场集边效应，提高击穿电压。

实施例4

如附图4所示，由于本发明中的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的兼容了横向和纵向结构的特殊构造，便于多个功率型AlGaN/GaN肖特基二极管器件单元并联封装。

实施例5

附图5为本发明的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管的制作方法的工艺流程示意图，图中只表示出了相邻的两个器件单元的加工工艺，其工艺流程如下：

A、如图5(a)所示，将已经覆盖有所述缓冲层5、GaN层4以及AlGaN层3的低电阻n型Si衬底6清洗干净；

B、如图5(b)、5(c)所示在所述AlGaN层3上表面涂覆光刻胶层，并通过光刻形成刻蚀窗口，采用ICP设备刻蚀未被光刻胶覆盖部分，形成所述沉孔结构9，该刻蚀深度由该AlGaN层3上表面延伸至该低电阻n型Si衬底层6表面或者到低电阻n型Si衬底层6内部任意位置，并剥离光刻胶层。

C、如图5(d)、5(e)所示在所述AlGaN层3上表面中部涂覆光刻胶层，并通过光刻形成欧姆接触层蒸镀窗口；然后进行带胶蒸发，蒸发能够与AlGaN、GaN形成欧姆接触的金属或者合金，然后将光刻胶层剥离，再进行合金，形成上欧姆接触层7；该带胶蒸发是利用电子束蒸发的方法，采用lift-off制程将光胶层剥离，所述能够与AlGaN、GaN形成欧姆接触的金属或者合金为Ti、Al、Ni、Au或者Sb、Au。

D、如图5(f)所示在所述上欧姆接触层7以及所述AlGaN层3的上表面除去将要设置栅极1的区域内涂覆光刻胶层15，形成形成栅极1蒸镀窗口；

E、如图5(g)所示利用电子束蒸发的方法依次蒸镀栅极金属Pt、Ti、Au或者Ag、Co、Ni，然后剥离光刻胶层15，形成栅极1；

F、如图5(h)所示在低电阻n型Si衬底底部依次蒸镀Sb、Au，形成上欧姆接触层14，合金后形成阴极10。

以上对本发明所提供的具有沉孔结构的AlGaN/GaN肖特基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 (8)

1.一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管，包括：低电阻n型Si衬底层(6)、设置于该衬底层(6)之上的缓冲层(5)、设置于该缓冲层(5)之上的GaN层(4)、设置于该GaN层(4)之上的AlGaN层(3)以及设置于该AlGaN层(3)之上的栅极(1)，所述GaN层(4)和其上的AlGaN层(3)之间形成了异质结二维电子气导电沟道(11)，其特征在于：还包括设置在该AlGaN层(3)表面的沉孔结构(9)以及覆盖在AlGaN层(3)上表面、沉孔结构(9)的内壁和底面的上欧姆接触层(7)，以及由设置在低电阻n型Si衬底层(6)底部的下欧姆接触层(14)形成的阴极(10)，设置在该AlGaN层(3)上表面的上欧姆接触层(7)和该栅极(1)保持一定的距离；

所述低电阻n型Si衬底(6)的电阻率小于0.02Ω·cm。

2.根据权利要求1所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管，其特征在于：该沉孔结构(9)从该AlGaN层(3)表面延伸至该Si衬底层(6)表面或者到Si衬底层(6)内部任意位置。

3.根据权利要求1所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管，其特征在于：还包括设置在栅极(1)和AlGaN层(3)接触边缘之间的钝化层(8)。

4.根据权利要求1所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管，其特征在于：所述上欧姆接触层(7)、下欧姆接触层(14)的材质是能够与AlGaN、GaN以及n型Si衬底形成欧姆接触的金属或者合金。

5.一种功率型AlGaN/GaN肖特基二极管制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、将已经覆盖有缓冲层(5)、GaN层(4)以及AlGaN层(3)的低电阻n型Si衬底(6)清洗干净；

B、在所述AlGaN层(3)上表面涂覆光刻胶层，并通过光刻形成刻蚀窗口，刻蚀未被光刻胶覆盖部分，形成沉孔结构(9)，并剥离光刻胶层(12)；

C、在所述AlGaN层(3)上表面涂覆光刻胶层，并通过光刻形成上欧姆接触层蒸镀窗口，然后进行带胶蒸发，蒸发能够与AlGaN、GaN形成欧姆接触的金属或者合金，然后将光刻胶层剥离，再进行合金，形成上欧姆接触层(7)；

D、在所述上欧姆接触层(7)以及所述AlGaN层(3)的上表面除去将要设置栅极(1)的区域内涂覆光刻胶层(15)，形成形成栅极(1)蒸镀窗口；

E、利用电子束蒸发的方法依次蒸镀栅极金属，然后剥离光刻胶层(15)，形成栅极(1)；

F、在低电阻n型Si衬底底部依次蒸镀Sb、Au，形成下欧姆接触层(14)，合金后形成阴极(10)；

在步骤A和F中所述的低电阻n型Si衬底(6)的电阻率小于0.02Ω·cm。

6.根据权利要求5所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管制作方法，其特征在于：所述步骤B中，该刻蚀深度由该AlGaN层(3)上表面延伸至该低电阻n型Si衬底层(6)表面或者到低电阻n型Si衬底层(6)内部任意位置，采用ICP设备刻蚀未被光刻胶覆盖部分。

7.根据权利要求5所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管制作方法，其特征在于：所述步骤C中，该带胶蒸发是利用电子束蒸发的方法，采用lift-off制程将光胶层剥离，所述能够与AlGaN、GaN形成欧姆接触的金属或合金，其中所述金属为Ti、Al、Ni或Au，所述合金为Sb、Au。

8.根据权利要求5所述的功率型AlGaN/GaN肖特基二极管制作方法，其特征在于：所述步骤E中，该栅极金属为Pt、Ti和Au，或者该栅极金属为Ag、Co和Ni。

Images