CN102097492A - 异质结构场效应二极管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种异质结构场效应二极管及制造方法，该结构包括衬底及依次设于衬底上的绝缘高阻半导体与宽禁带异质结构势垒层，绝缘高阻半导体与宽禁带异质结构势垒层构成二维电子气的异质结构外延层，宽禁带异质结构势垒层及绝缘高阻半导体的顶部通过刻蚀形成一隔离台面，隔离台面上形成有绝缘介质层，绝缘介质层上分别形成有与宽禁带异质结构势垒层接触的阴极电极及阳极电极，其中，阳极电极一部分位于宽禁带异质结构势垒层上，另一部分位于绝缘介质层之上形成具有Schottky-MIS双结构电极的二极管阳极，且阳极电极为低功函数金属制得。本发明实现低正向导通电压、低反向漏电流、高反向阻断电压的特性。特别适用于功率型GaN基异质结构场效应二极管的制作。
Description
技术领域
本发明属于功率型半导体器件领域，尤其涉及一种异质结构场效应二极管及制造方法。
背景技术
功率型肖特基二极管作为稳压器、整流器、逆变器中不可或缺的组成部分，在日常生活中的应用越来越广泛，主要涉及高压供电、电能管理、工厂自动化和机动车能量分配管理等诸多领域。同时随着功率型肖特基二极管在电力电子领域的应用越来越广泛，对其性能也提出了越来越高的要求。
目前的功率型肖特基二极管主要采用Si基材料。但由于Si材料禁带宽度、电子迁移率等材料方面特性的限制，硅基功率器件的性能已经接近其理论极限，不能满足当今高温、高频、大功率方面的需求。为了提高器件性能，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。
以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体凭借其材料方面的优势，成为当前替代Si材料的研究热点。其中GaN作为新型III-V化合物半导体材料，具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特点，非常适合高温、高频、大功率等方面应用。同时基于GaN异质结构的大能带带阶以及压电极化和自发极化效应可产生高浓度的2DEG。如AlGaN/GaN异质结中的2DEG，二维电子气面密度可达1013cm－2数量级，比AlGaAs/GaAs异质结高出一个数量级。结合GaN材料高的临界击穿场强，使AlGaN/GaN异质结构材料非常适用于器件大功率方面的应用。
基于宽禁带半导体材料的以上优势，对于耐高温、高击穿电压、大功率肖特基二极管的研究具有广泛的应用前景。目前对于功率型肖特基二极管的研究不仅在于实现低反向漏电流、高反向击穿电压、大电流工作，同时要求具有低的开启电压。
为了实现上述目的，许多研究小组提出了新颖的器件结构模型。如Furukawa公司的S. Yoshida等人提出了一种具有导通电压低、恢复时间短、反向击穿电压高的场效应肖特基二极管（FESBD）。该研究小组对接触层采用选择区域生长的方法实现对Ohmic电极接触层部分的n型GaN生长，有利于进一步减小器件导通电阻。同时采用双重肖特基结构相结合的新颖结构，低肖特基势垒部分选用Ti/Al低功函数金属，高肖特基势垒部分选用Pt高功函数金属，实现了开启电压低于0.1V的，反向击穿电压高于400V。其工作原理为：当施加正向偏压时，利用AlGaN/GaN异质结面产生2DEG沟道，电流从低肖特基势垒电极流向Ohmic电极，由于采用Ti/Al低功函数金属，肖特基势垒高度很低，因此具有较低的开启电压特性；（2）当施加反向偏压时，利用高势垒肖特基电极对AlGaN/GaN异质结构的场效应作用，对沟道进行有效的关断。参见文献：S. Yoshida, et al., "AlGaN/GaN field effect Schottky barrier diode (FESBD)", phys. stat. sol. (c), vol.2, no.7, pp.2602-2606, 2005。
基于采用复合电极的相同思想，Sharp公司的Takatani等人提出了一种基于AlGaN/GaN异质的Schottky-Ohmic复合型电极场效应二极管（SOCFED）。 为了实现低导通电压，他们采用了氟离子处理阳极电极下方的AlGaN势垒层的方法。该方法通过对阳极电极下方AlGaN层的氟阴离子注入来实现对该部分AlGaN/GaN异质结二维电子气的完全耗尽，从而得到接近0V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 effect diode with fluoride-based plasma treatment", ELECTRONICS LETTERS, vol.44, no.4, 2008。
上述介绍的一些异质结构场效应二极管实现方法都是利用阳极电极对异质结界面二维电子气导电沟道的场效应特性。现有的肖特基二极管主要是通过肖特基势垒来实现整流特性，若增大肖特基势垒，则正向导通电压增大，反向偏压时漏电流减小，耐压增大。正向导通电压与反向漏电流之间为相互矛盾的关系。故用传统方法很难同时实现低导通电压、低反向漏电流特性。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种异质结构场效应二极管及制造方法，本发明实现低正向导通电压、低反向漏电流、高反向阻断电压的特性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种异质结构场效应二极管，其包括衬底及依次设于衬底上的绝缘高阻半导体与宽禁带异质结构势垒层，绝缘高阻半导体与宽禁带异质结构势垒层构成二维电子气的异质结构外延层，宽禁带异质结构势垒层及绝缘高阻半导体的顶部通过刻蚀形成一隔离台面，隔离台面上形成有绝缘介质层，绝缘介质层上分别形成有与宽禁带异质结构势垒层接触的阴极电极及阳极电极，其中，阳极电极一部分位于宽禁带异质结构势垒层上，另一部分位于绝缘介质层之上形成具有Schottky-MIS双结构电极的二极管阳极，且阳极电极为低功函数金属制得。
该阳极电极为以下金属中的一种或多种的组合：钛、铝、镁、银、铅、铟、钯、钽、锆、钴。
该二维电子气的异质结构外延层材料为以下中的一种：AlGaAs/GaAs、InAlGaAs/GaAS、InP/InGaAs 、InP/GaAs、InAlAs/InGaAs 、AlGaN/GaN、InAlN/GaN、InAlGaN/GaN。
绝缘介质层至少具有一层高介电常数的绝缘材料，是由以下一层或者多层不同绝缘材料的组合：SiO2、Al2O3、AlN、Si3N4、SiNx、SiOxNy、MgO、ZnO、GaO、HfO2、TiO2或其多元组合。
该绝缘介质层采用两层绝缘介质材料结构，其中接近宽禁带异质结构势垒层的一层的介电常数较远离宽禁带异质结构势垒层的一层的介电常数高。
该绝缘介质层的厚度介于1纳米至2微米之间，绝缘介质层厚度可以是均匀的或不均匀的。
该阳极电极位于绝缘介质层上的MIS结构部分的长度在0.01-100微米之间。
该衬底材料是蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓或砷化镓；该阴极电极为以下金属中的一种或多种的组合：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨。
同时，本发明还提供了一种异质结构场效应二极管的制造方法，其包括以下步骤：
A、依次形成衬底、绝缘高阻半导体、宽禁带异质结构势垒层；
B、通过光刻方法在宽禁带异质结构势垒层上形成有源区图形后，用刻蚀方法刻蚀至绝缘高阻半导体上部，形成一隔离台面，实现有源区电隔离；
C、在所述隔离台面上淀积一层或多层绝缘介质层；
D、在隔离台面上通过光刻的方法，先光刻出电极图形，然后通过干法或湿法腐蚀的方法，腐蚀绝缘介质层形成电极蒸镀的窗口，以便下一步蒸镀金属形成电极；
E、用电子束蒸发的方法制备多层金属形成阴极电极；
F、再次用光刻方法光刻出阳极图形，用电子束蒸发的方法蒸镀阳极电极，其中一部分金属蒸镀在宽禁带异质结构势垒层上，一部分在绝缘介质层之上，形成具有Schottky-MIS双结构电极的二极管阳极。
步骤E中，将阴极电极蒸镀后样片取出完成金属剥离，最后通过高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆合金；退火温度在500-900℃之间，退火时间在10-120秒之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中的异质结构场效应二极管由于阳极电极选择低功函数的金属，与半导体形成低势垒肖特基接触。当器件处于正偏状态时，电流由低势垒金属经由异质结二维电子气沟道流向阴极。由于势垒较低，故其正向开启电压很小，导通电阻低。当器件处于反向偏压状态时，反向电压较低时由阳极肖特基势垒实现器件关断特性；当反向偏压较大时，利用阳极MIS结构对异质结2DEG沟道进行场效应控制，耗尽沟道中的2DEG，从而使沟道截止，实现高反向偏压下的低漏极电流。本发明中的具有二维电子气异质结构场效应二极管其另外一个特征还在于其延伸于介质层上方的阳极电极同时具有场板功能。
当引入场板后，电极边缘的电场线集中分布得到缓解，减小了电极边缘的电场极值，从而有效提高了器件的反向击穿电压。本发明正是利用延伸于介质层上方的电极形成场板功能，调制AlGaN/GaN异质结2DEG沟道电场分布，调节高电压下电场分布，提高肖特基二极管的反向阻断电压。
附图说明
图1 为本发明异质结构场效应二极管实施例1的示意图；
图2 为本发明异质结构场效应二极管实施例2的示意图；
图3（a）～（f）为本发明异质结构场效应二极管的制造过程的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
图1为本发明第一个实施例AlGaN/GaN异质结场效应二极管的结构示意图。
如图1所示，其中衬底1可以是蓝宝石Sapphire、硅Si、碳化硅SiC、氮化镓GaN、砷化镓GaAs衬底等。位于衬底1之上为高阻GaN层2，高阻GaN层2可以是掺杂或者非掺杂的一层或多层的组合，厚度在200纳米至10微米之间。位于高阻GaN层2之上为AlGaN势垒层3，厚度在2-50纳米之间。AlGaN势垒层3与高阻GaN层2之间形成2DEG沟道，浓度在1010-1014/cm2之间。
位于AlGaN势垒层3上的绝缘介质层6，绝缘介质层6至少具有一层高介电常数的绝缘材料，厚度介于1纳米至2微米之间。本实施例中，绝缘介质层6采用Al2O3，厚度为5-20纳米。
位于AlGaN势垒层3的阴极电极4，在本实施例中阴极电极4采用Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au或Ti/Al/Pt/Au或Ti/Al/Ti/Au。最后通过高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆合金。退火温度在700-900℃之间，退火时间在10-120秒之间。
位于AlGaN势垒层3与绝缘介质层6之上的阳极电极5， 阳极金属选用低功函数金属，如Ti/Ni/Au或Ti/Mo/Au或Ti/Pt/Au。所述的阳极电极5一部分在AlGaN势垒层3上，一部分在绝缘介质层6上形成Schottky-MIS双结构电极。
实施例2
图2为本发明第二个实例AlGaN/GaN异质结场效应二极管的结构示意图。
本实施例中的结构和实施例1基本相同，不同之处在于：采用两层绝缘介质层6结构，其中6-1层为低介电常数材料，6-2层为采用较高介电常数材料。
绝缘介质层第一层采用低介电常数介质层6-1，本实施例中为SiO2，厚度在2-10纳米之间，目的是优化和提高绝缘介质层生长界面质量；第二层采用高介电常数介质层6-2，本实施例中选用Al2O3，厚度为5-20纳米。选用高介电常数介质层6-2目的是保证减小阳极反向漏电流的同时，尽可能减薄介质层厚度从而提高阳极对2DEG沟道的控制能力。
实施例3
本发明还提供了一种异质结构场效应二极管的制造方法，其包括以下步骤：
A、如图3（a）所示，依次为衬底1、绝缘高阻半导体2、宽禁带异质结构势垒层3。
B、如图3（b）所示，通过光刻方法形成有源区图形后，用刻蚀方法形成隔离台面，实现有源区电隔离。
C、如图3（c）所示，在所述隔离台面上淀积一层或多层绝缘介质层6，层数和各层厚度可以根据需要做适应的调整；
D、如图3（d）所示，在台面上通过光刻的方法，先光刻出电极图形，然后通过干法或湿法腐蚀的方法，腐蚀绝缘介质层6形成电极蒸镀的窗口，以便下一步蒸镀金属形成电极；
E、如图3（e）所示，用电子束蒸发的方法制备多层金属形成阴极电极4，阴极电极4可以为以下金属的组合：钛（Ti）、铝（Al）、镍（Ni）、金（Au）、铂（Pt）、铱（Ir）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）、钴（Co）、锆（Zr）、钨（W）等中的一种或多种合金。将金属蒸镀后样片取出完成金属剥离，最后通过高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆合金。退火温度在500-900℃之间，退火时间在10-120秒之间；
F、如图3（f）所示，再次用光刻方法光刻出阳极图形，用电子束蒸发的方法蒸镀阳极电极5，其中一部分金属蒸镀在宽禁带异质结构势垒层3上，一部分在绝缘介质层6之上，形成具有Schottky-MIS双结构电极的二极管阳极5。所述阳极电极5采用低功函数金属，可以为以下金属的的组合：如钛（Ti）、铝（Al）、镁（Mg）、银（Ag）、铅（Pb）、铟（In）、钯（Ba）、钽（Ta）、锆（Zr）、钴（Co） 等中的一种或多种合金。
以上对本发明所提供的异质结构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)
1.一种异质结构场效应二极管，其特征在于，包括衬底（1）及依次设于衬底（1）上的绝缘高阻半导体（2）与宽禁带异质结构势垒层（3），绝缘高阻半导体（2）与宽禁带异质结构势垒层（3）构成二维电子气的异质结构外延层，宽禁带异质结构势垒层（3）及绝缘高阻半导体（2）的顶部通过刻蚀形成一隔离台面，隔离台面上形成有绝缘介质层（6），绝缘介质层（6）上分别形成有与宽禁带异质结构势垒层（3）接触的阴极电极（4）及阳极电极（5），其中，阳极电极（5）一部分位于宽禁带异质结构势垒层（3）上，另一部分位于绝缘介质层（6）之上形成具有Schottky-MIS双结构电极的二极管阳极，且阳极电极（5）为低功函数金属制得。
2.根据权利要求1所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，该阳极电极（5）为以下金属中的一种或多种的组合：钛、铝、镁、银、铅、铟、钯、钽、锆、钴。
3.根据权利要求1所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，该二维电子气的异质结构外延层材料为以下中的一种：AlGaAs/GaAs、InAlGaAs/GaAS、InP/InGaAs 、InP/GaAs、InAlAs/InGaAs 、AlGaN/GaN、InAlN/GaN、InAlGaN/GaN。
4.根据权利要求1所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，绝缘介质层（6）至少具有一层高介电常数的绝缘材料，是由以下一层或者多层不同绝缘材料的组合：SiO2、Al2O3、AlN、Si3N4、SiNx、SiOxNy、MgO、ZnO、GaO、HfO2、TiO2或其多元组合。
5.根据权利要求1所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，该绝缘介质层（6）采用两层绝缘介质材料结构，其中接近宽禁带异质结构势垒层（3）的一层的介电常数较远离宽禁带异质结构势垒层（3）的一层的介电常数高。
6.根据权利要求1所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，该绝缘介质层（6）的厚度介于1纳米至2微米之间。
7.根据权利要求1所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，该阳极电极（5）位于绝缘介质层上的MIS结构部分的长度在0.01-100微米之间。
8.根据权利要求1至7任一项所述的异质结构场效应二极管，其特征在于，该衬底（1）材料是蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓或砷化镓；该阴极电极（4）为以下金属中的一种或多种的组合：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨。
9.一种异质结构场效应二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、依次形成衬底（1）、绝缘高阻半导体（2）、宽禁带异质结构势垒层（3）；
B、通过光刻方法在宽禁带异质结构势垒层（3）上形成有源区图形后，用刻蚀方法刻蚀至绝缘高阻半导体（2）上部，形成一隔离台面，实现有源区电隔离；
C、在所述隔离台面上淀积一层或多层绝缘介质层（6）；
D、在隔离台面上通过光刻的方法，先光刻出电极图形，然后通过干法或湿法腐蚀的方法，腐蚀绝缘介质层（6）形成电极蒸镀的窗口，以便下一步蒸镀金属形成电极；
E、用电子束蒸发的方法制备多层金属形成阴极电极（4）；
F、再次用光刻方法光刻出阳极图形，用电子束蒸发的方法蒸镀阳极电极（5），其中一部分金属蒸镀在宽禁带异质结构势垒层（3）上，一部分在绝缘介质层（6）之上，形成具有Schottky-MIS双结构电极的二极管阳极（5）。
10.根据权利要求9所述的异质结构场效应二极管的制造方法，其特征在于，步骤E中，将阴极电极（4）蒸镀后样片取出完成金属剥离，最后通过高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆合金；退火温度在500-900℃之间，退火时间在10-120秒之间。
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