CN101840938A - 氮化镓异质结肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
一种氮化镓半导体二极管，包括一个衬底、一个形成在衬底上的GaN层、一个形成在GaN层上的AlGaN层，其中GaN层和AlGaN层构成二极管的阴极区、一个形成的在AlGaN层上的金属层，一同构成一个肖特基结，金属层作为二极管的阳极电极，以及一个形成在AlGaN层的顶部表面中的高势垒区，并位于金属层的一个边缘下方。高势垒区的带隙能量高于AlGaN层，或高势垒区的电阻率比AlGaN层更大。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓异质结半导体器件，尤其是高反偏击穿电压的氮化镓(GaN)异质结肖特基二极管。
背景技术
肖特基二极管是通过让金属接触半导体层，而形成的一种半导体器件。金属和半导体层之间的结起到一个整流结的作用，相对于完全在半导体层中形成的p-n结二极管而言，其二极管的开关性能得到了改善。因此，肖特基二极管比p-n结二极管的开启电压更低，开关速度更快。在开关损耗占能量消耗的绝大部分的应用中，例如开关电源(SMPS)等，使用肖特基二极管是理想的选择。
由氮化物半导体材料组成的电子器件如今已广为人知。这种器件多由III族氮化物材料组成，因此常被称为III一氮化物半导体器件。由于氮的化合物半导体器件具有带隙较宽、击穿电压较高等特点，致使它们适用于高压高温器件，尤其是III-V族氮化镓(GaN)半导体肖特基二极管，其击穿电压很高、导通电阻很低。可使用III-氮半导体肖特基势垒二极管，来提升开关电源的工作效率。
使用异质结结构的氮化物半导体器件也已广为人知。例如，用AlGaN异质结制备的GaN肖特基二极管。在AlGaN异质结肖特基二极管中，要在GaN层上制备一个AlGaN层，以便形成肖特基二极管的阴极区。其中AlGaN层的带隙要比下面的GaN层的带隙宽，在异质结界面上会产生二维电子气。由于这个二维电子气形成的层中，电子迁移率很高，电阻很小。因此，AlGaN异质结肖特基二极管就比没有二维电子气层的器件的导通电阻小得多。
美国公开号为2007/0210335A1，由lkeda等人发明的的专利中，提出了一种GaN半导体器件，使用一个带有两种不同阳极金属的复合阳极，其中第一个阳极电极的肖特基势垒高度远小于第二阳极电极。图1为lkeda等人的发明中的图1，表示含有一个第一阳极电极17A和一个第二阳极电极17B的一个复合阳极电极17。lkeda等人还提出了一种GaN半导体器件，其中III-V氮化物半导体中的带隙能量小于周围的阳极材料，这种III-V氮化物半导体形成的层位于阳极的上层，与第一阳极电极接触。当施加反向偏压，并且阳极和阴极之间的电场浓度受到抑制时，lkeda等人提出的GaN半导体器件的导通电阻很低、漏电流很小。
找到一种适用于高压器件、带有高击穿电压的氮化物半导体肖特基二极管，是十分必要的。
发明内容
依据本发明的一个实施例，氮化镓半导体二极管包括一个衬底、一个形成在衬底上的GaN层、一个形成在GaN层上的AlGaN层(其中GaN层和AlGaN层形成二极管的阴极区)、一个形成在AlGaN层上的金属层形成肖特基结(其中金属层形成二极管的阳极电极)，以及一个形成在AlGaN层顶面中、位于金属层边缘下方的高势垒区。高势垒区的带隙能量比AlGaN层的带隙能量更高，或者说高势垒区的阻抗比AlGaN层的阻抗更高。
在一个实施例中，氮化镓半导体二极管还包括一个形成在AlGaN层上的介质层，其中介质层在形成阳极电极的金属层中有一个开口。在另一个实施例中，在介质层中形成一个场板结构，在金属层和AlGaN层的交界处包围着金属层。这个场板结构还含有减薄厚度的介质层的延伸部分，在金属层和AlGaN层的交界处延伸到金属层中。
阅读上述详细说明并参考附图之后，即可较好地掌握本发明。
附图说明
图1为美国专利公开号为2007/0210335A1的图1，表示一种使用复合阳极结构的GaN半导体器件。
图2表示依据本发明的第一实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。
图3表示依据本发明的第二实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。
图4表示依据本发明的第三实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。
图5表示依据本发明的第四实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。
图6表示依据本发明的一个实施例，制备如图2所示的GaN异质结肖特基二极管的制作流程图。
图7表示依据本发明的一个实施例，在图3和图5所示的GaN异质结肖特基二极管中，形成场板结构的制作流程图。
图8表示依据本发明的一个实施例，在图4和图5所示的GaN异质结肖特基二极管中，形成到导电衬底中的通孔结构的制作流程图。
图9为在制备的中间过程中的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，用来表示依据本发明的第一实施例，高势垒区的形成过程。
图10在制备的中间过程中的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，用来表示依据本发明的第二实施例，高势垒区的形成过程。
图11为带有高势垒区的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，依据本发明的一个实施例，使用如图10所示的阳极金属结构形成高势垒区。
图12在制备的中间过程中的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，用来表示依据本发明的第三实施例，高势垒区的形成过程。
图13为带有高势垒区的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，依据本发明的一个实施例，使用如图12所示的沟道和填充方法形成高势垒区。
具体实施方式
依照本发明提出的理论，氮化物半导体异质结肖特基二极管(“氮化物肖特基二极管”)含有许多高势垒区，形成在阳极边缘周围的复合半导体阴极区中。形成高势垒区使用的材料，具有较高的肖特基势垒高度或较大的带隙能量，或者比阴极区的氮化物半导体材料更大的电阻。在这种情况下，通过重新分布区域中的电场，来抑制在阳极边缘处的电场拥挤，并提升肖特基二极管器件的击穿电压。在另一个典型实施例中，在阳极接触开口处形成的电介质场板结构，用于扩散阳极边缘处的电场，从而降低了阳极边缘处的电场浓度。
当氮化物半导体肖特基二极管含有高势垒区或电介质场板结构时，形成的肖特基二极管，能够在反向偏压下正向传导和高击穿电压的情况中，获得较低的导通电阻。氮化物肖特基二极管在开关电源等高压器件中应用广泛，便于限制开关损耗，以及提高开关电源的工作效率。
在下文中，使用氮化镓(GaN)和铝镓氮(AlGaN)异质结以及肖特基二极管，形成的氮化物半导体异质结肖特基二极管，常被称为“GaN肖特基二极管”。但是，使用GaN和AlGaN作为氮化物半导体异质结，仅作为举例说明，并且本发明所述的氮化物半导体异质结肖特基二极管，也可以使用其他已知或未知的III-V化合物半导体材料制备。
图2表示依据本发明的第一实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。参见图2，GaN肖特基二极管100形成在绝缘衬底102上。制备绝缘衬底102的材料可以选用蓝宝石、ZnO、AlN、GaN、半绝缘的SiC或玻璃。GaN肖特基二极管100含有具有不同带隙能量的III-氮化物半导体的至少一个异质结，这些III-氮化物半导体形成GaN肖特基二极管的阴极区。在本实施例中，GaN层104位于绝缘衬底102上，AlGaN层106位于GaN层104上。AlGaN层106的带隙宽度大于它下面的GaN层104，会在异质结表面产生二维电子气(120区)。二维电子气形成一个高电子迁移率层，因此其电阻很小。
为了形成阴极电极，要在肖特基二极管100的阴极区形成欧姆接触112，欧姆接触112足够深，可以与二维电子气区120形成电接触。然后，在GaN/AlGaN异质结上覆盖一层介电层108，介电层108带有一个阴极电极116的开口，以及一个阳极电极的开口。在阳极电极中形成的肖特基金属层110，在介电层108中有开口，以便使肖特基金属层110与AlGaN层106接触。在肖特基金属层110和AlGaN层106之间的交界面上，会形成一个肖特基结。因此，如图2中的虚线圆所示，在肖特基金属层110的边缘处，之所以会发生电场拥挤就不难理解了。
依据本发明的一个实施例，GaN肖特基二极管100含有一个或多个高势垒区114，形成在肖特基二极管阴极区的顶面中，位于阳极电极的边缘处。高势垒区114是由一种可以承受高电场的材料组成的。它在阳极电极中的位置，通常是有高浓度电场的地方，以便抑制电场拥挤。在本实施例中，高势垒区114就位于肖特基二极管100的AlGaN层106的顶面中。
在一个实施例中，高势垒区114是由宽带隙材料组成的，其带隙宽度比周围阴极区里的化合物半导体材料的带隙还要宽。也就是说，形成高势垒区114的材料的带隙宽度比AlGaN半导体层的带隙宽度还要宽。因此，当与肖特基金属层110接触时，高势垒区114会形成较高的肖特基势垒。在这种情况下，阳极电极边缘处的电场拥挤就会受到抑制。在另一个实施例中，高势垒区114是由比周围阴极区里的化合物半导体材料的电阻还要高的材料组成的。这种高电阻率的高势垒区114，会降低阳极电极边缘处的电场浓度。可以通过离子植入、扩散、沟道以及再填充/再生长等方法，形成高势垒区114，下文还将详细介绍。
在肖特基金属层110中的区域110a为肖特基金属层，它与肖特基金属层110相同或不同。形成区域110a是为了方便地通过自对准的方法制备高势垒区114，下文还将详细介绍。若要使用不同于肖特基金属层110的肖特基金属，来制备区域110a，典型的区域110a，典型的方法是使用肖特基势垒高度低于肖特基金属层110的肖特基金属。无论是用单一金属，还是用复合结构制备阳极电极的结构，对于本发明的实施都不是至关重要的。当使用其他制备方法时，可以选用也可以省去区域110a。
图3为依据本发明的第二实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。它表示在GaN肖特基二极管的阳极电极边缘处，使用高势垒区以及场板结构，来抑制电场拥挤的另一种方法。参见图3，使用与GaN肖特基二极管100相同的方法，制备GaN肖特基二极管200，参考数据等相关信息都已给出，在此不再详述。使用带图案的、含有场板结构208a的介质层208制备GaN肖特基二极管200。场板结构208a是介质层的延伸部分，形成图案，以使其比介质层208更薄，延伸到肖特基金属与AlGaN层之间的交界面中。场板结构208a用于扩散在阳极电极边缘附近聚集的电场。通过这个场板结构208a，阳极电极边缘处的电场拥挤得到了抑制。
如上所述，参见图2，在肖特基金属层110中形成区域110a是为了方便地通过自对准的方法制备高势垒区114，下文还将详细介绍。当使用其他制备方法时，可以选用也可以省去区域110a。
在如图2和图3所示的实施例中，GaN肖特基二极管形成在绝缘衬底上。在其他实施例中，GaN肖特基二极管形成在硅或SiC等导电衬底上。图4表示依据本发明的第三实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。从图4可知，使用与GaN肖特基二极管100相同的方法，制备GaN肖特基二极管300，参考数据等相关信息都已给出，在此不再详述。在本实施例中，GaN肖特基二极管300形成在导电衬底303上。一旦使用了导电衬底，就要形成一个通孔结构312，以便与导电衬底303建立欧姆接触。GaN肖特基二极管300含有高势垒区114，用于抑制在阳极电极边缘处的电场拥挤。
图5表示依据本发明的第四实施例，一种GaN肖特基二极管的横截面视图。从图5可知，使用与GaN肖特基二极管200相同的方法，制备GaN肖特基二极管400，参考数据等相关信息都已给出，在此不再详述。GaN肖特基二极管400形成在导电衬底403上。一旦使用了导电衬底，就要形成一个通孔结构412，以便与导电衬底403建立欧姆接触。GaN肖特基二极管400含有高势垒区114以及场板结构208a，用于抑制在阳极电极边缘处的电场拥挤。
图6表示依据本发明的一个实施例，制备如图2所示的GaN异质结肖特基二极管的制作流程图。从图6和图2可知，制备方法500从制备绝缘衬底102(工序502)开始。然后，在绝缘衬底上，通过外延生长(工序504)等方法，形成III-V化合物半导体异质结。在本实施例中，GaN层104和AlGaN层106是外延生长在绝缘衬底102上。然后，在GaN层和AlGaN层中定义阴极接触开口(工序506)。并在阴极接触开口中，进行金属沉积，形成阴极欧姆接触112(工序508)。
伴随着AlGaN/GaN异质结的形成，在AlGaN层106的顶面上将形成高势垒区114(工序510)。可以通过不同的制备方法，制备高势垒区114。图9-13表示依据本发明的不同实施例，可用于制备高势垒区的三种不同方法。
从图9可知，在制备高势垒区的第一种方法中，在AlGaN/GaN异质结上沉积一个介质层850，作为掩膜，并形成图案，在高势垒区114形成的地方定义开口。然后，通过离子注入或扩散、或等离子暴露，将裸露的区域变成带有较高带隙能量或较高电阻率的区域。在一个实施例中，使用Mg、Cd、Ca或Zn等典型的II族金属，植入高势垒区114。在另一个实施例中，使用O、N、Ar或C等绝缘材料，植入高势垒区114。当形成高势垒区之后，除去介质掩膜层850，进行方法500中后续的处理工序。
参见图10，在制备高势垒区的第二种方法中，介质掩膜层852定义了高势垒区的外边界，然后通过沉积一个肖特基金属层并形成图案，所形成的肖特基金属区110a，定义高势垒区的内边界。肖特基金属区110a还形成了带有下面的AlGaN层106的肖特基结。形成肖特基金属区110a之后，对AlGaN层106的裸露区域进行离子注入、扩散或等离子暴露，以便将裸露的区域变成高势垒区114。
在图10所示的方法中，高势垒区114的边缘与肖特基金属区110a自对准。因此，将肖特基金属区110a用作掩埋，可以方便地进行高势垒区114的自对准。图11表示在肖特基金属区110a上方形成肖特基金属层110之后的后续处理过程。肖特基金属区110的边缘为阳极电极的边缘，位于高势垒区114之内，因此高势垒区可以抑制阳极电极边缘处的电场拥挤。
在一个实施例中，使用相同的肖特基金属材料制备肖特基金属区110a和肖特基金属110。因此，在最后阳极结构中，肖特基金属区110a会并入肖特基金属110。在另一个实施例中，使用不同的肖特基金属材料制备肖特基金属区110a和肖特基金属110。在这种情况下，使用一种肖特基势垒高度低于肖特基金属110的肖特基金属，来制备复合阳极电极以及肖特基金属区110a。
参见图12，在制备高势垒区的第三种方法中，采用带图案的掩膜854，用于定义要形成高势垒区的区域。然后，通过刻蚀过程，在裸露区域中形成沟道860。用沉积或再生长的方式重新填充沟道，形成高势垒区114(图13)。在一个典型实施例中，用一个氧化层填充沟道860，氧化层的带隙高于AlGaN层，因此非常适合作为电场抑制器使用。然后除去掩膜854，按照方法500中的后续工艺处AlGaN/GaN结构。图13中的点线框表示在后续工艺中形成的肖特基金属层110的位置。
再回到图6和图2，在AlGaN层中形成高势垒区之后(工序510)，方法500随后在AlGaN/GaN半导体结构上沉积一个介质层108(工序512)。将介质层108形成图案，定义阴极和阳极的开口(工序514)。在阳极电极开口中，沉积肖特基金属110，以便与下面的AlGaN层106形成肖特基结(工序516)。此后，在整个器件上方沉积一个钝化层，钝化最终的结构(工序518)。钝化层中的开口用于形成阳极和阴极电极的接合焊盘，以便与GaN肖特基二极管形成外部连接(工序520)。图2中并没有表示出钝化层和接合焊盘。
在使用高势垒区之外，还使用场板结构的情况下，比如在图3所示的GaN二极管200中，依据本发明的一个实施例，图7中的方法600可用于制备场板结构208a。当需要场板结构208a时，如上所述参照方法500，实施工序502至512。在工序512中，在GaN/AlGaN半导体结构上沉积一个介质层。方法600继续在介质层中定义阳极开口(工序630)。将介质层向下刻蚀到氮化物半导体层(工序632)。然后，用照相平板印刷的方法定义场板开口(工序634)。也就是说，在介质层和氮化物半导体衬底上，沉积一层光致抗蚀剂。将光致抗蚀剂形成图案，用于曝光场板开口。然后，通过刻蚀过程，腐蚀介质层，在阳极开口之外形成场板208a。
此后，在阳极电极开口中，沉积肖特基金属110，形成与下面的AlGaN层106的肖特基结(工序636)。然后在整个器件上方沉积一个钝化层，钝化最终结构(工序518)。钝化层中的开口用于形成阳极和阴极电极的接合焊盘，以便与GaN肖特基二极管形成外部连接(工序520)。图2中并没有表示出钝化层和接合焊盘。
因此，方法600用于制备带有高势垒区以及场板的GaN肖特基二极管，以便重新分布阳极电极边缘附近的电场。
在使用了导电衬底，例如图4和图5中所示的GaN二极管300和400的情况下，要使用图8所示的方法700。参见图8，制备一个导电衬底(工序740)。然后，在导电衬底上通过外延生长等方法，制备GaN/AlGaN异质结(工序742)。并在AlGaN/GaN结构中，定义通孔开口，一直通向导电衬底403(工序744)。阴极接触开口也在AlGaN/GaN结构中定义(工序746)。然后用金属沉积的方法填充通孔开口和接触开口，形成阴极欧姆接触(工序748)。方法700再按照方法500的工序510或方法600，对GaN肖特基二极管进行剩余的后续处理过程(工序750)。
上述制备过程仅用于解释说明，本领域的技术人员应了解还有许多其他的制备方法，可用于制备本发明所述的带有高势垒区和/或介质场板结构的GaN肖特基二极管，以便抑制阳极电极边缘处的电场拥挤，从而提高GaN肖特基二极管的击穿电压。
在一个实施例中，为了不影响二维电子气层，高势垒区的厚度不应超过AlGaN层的厚度。典型的AlGaN层的厚度约为20nm，因此，高势垒区的厚度应小于20nm。
上述详细说明仅用于对本发明的典型实施例进行解释说明，但并不仅局限于此。可能还有多种变化和修正都在本发明的保护范围内。本发明的范围应由所附的权利要求书限定。
Claims (13)
1.一种氮化镓半导体二极管，包括：
一个衬底；
一个形成在衬底上的GaN层；
一个形成在GaN层上的AlGaN层，GaN层和AlGaN层构成二极管的阴极区；
一个形成的在AlGaN层上的金属层，一同构成一个肖特基结，金属层作为二极管的阳极电极；
一个形成在AlGaN层的顶部表面中的高势垒区，位于金属层的一个边缘下方，高势垒区的带隙能量高于AlGaN层，或高势垒区的电阻率比AlGaN层更大。
2.权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述的高势垒区由AlGaN层组成，所述的AlGaN层中植入Mg、Cd、Zn、Ca、N、O、C、Ar或一个二氧化硅层。
3.权利要求1所述的二极管，其特征在于，进一步包括一个形成在AlGaN层上的介质层，所述的介质层带有一个开口，金属层在开口中作为阳极电极。
4.权利要求3所述的二极管，其特征在于，所述的高势垒区从介质层下面延伸，穿过金属层边缘，部分延伸到阳极电极下方。
5.权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述的衬底是由绝缘衬底组成。
6.权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述的衬底是由导电衬底组成。
7.权利要求6所述的二极管，其特征在于，进一步包括：
GaN层和AlGaN层中形成的欧姆接触，这个欧姆接触作为阴极电极；
一个形成在GaN层和AlGaN层中的通孔，将此欧姆接触电连接到导电衬底上。
8.权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述的衬底是由绝缘衬底组成。
9.权利要求3所述的二极管，其特征在于，进一步包括：
一个形成在介质层中的场板结构，并且所述的场板结构在金属层和AlGaN层交界处包围着金属层，所述的场板结构还含有减薄厚度的介质层的延伸部分，在金属层和AlGaN层的交界处延伸到金属层中。
10.权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述的高势垒区含有第一高势垒区和第二高势垒区，分别位于金属层第一个边缘和第二个边缘下面，所述的金属层含有第一金属层，位于第一高势垒区的内边界和第二高势垒区的内边界之间，以及第二金属层，位于第一金属层上面，并包围着第一金属层。
11.权利要求10所述的二极管，其特征在于，所述的第一金属层和第二金属层都是由同种肖特基金属构成。
12.权利要求10所述的二极管，其特征在于，所述的第一金属层是由第一肖特基金属构成，所述的第二金属层是由第二肖特基金属构成，第一肖特基金属的肖特基势垒高度低于第二肖特基金属。
13.权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述的高势垒区是通过离子注入到AlGaN层、扩散进入AlGaN层，或等离子暴露的方法形成的。
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