CN103003948B - 二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二极管，其具备半导体层叠层体(102)、在半导体层叠层体(102)之上彼此空出间隔而形成的阴极电极(103)及阳极电极(104)、以及覆盖半导体层叠层体(102)之上的保护膜(106)。半导体层叠层体(102)包含第1氮化物半导体层(121)以及带隙大于第1半导体层(121)的第2氮化物半导体层(122)，且具有沟道。阳极电极(104)具有：在半导体层叠层体(102)之上形成的p型的第3氮化物半导体层(143)、与第3氮化物半导体层(143)欧姆接触的第1金属层(141)、以及与第1金属层(141)接触且与沟道欧姆接触的第2金属层(142)。
Description
技术领域
本公开涉及使用了氮化物半导体的二极管，特别涉及能够适用于电源电路等中所使用的功率器件的二极管。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的氮化物半导体是宽带隙半导体，例如GaN及氮化铝(AlN)的室温中的带隙分别是3.4eV及6.2eV。氮化物半导体具有：绝缘击穿电场大这一特征、以及电子的饱和漂移速度比砷化镓(GaAs)等化合物半导体或者硅(Si)半导体等要大这一特征。在AlGaN/GaN异质构造中，在(0001)面上因自发极化及压电极化而在异质界面产生二维电子气(2DEG：2DimensionalElectronGas)。2DEG的薄层载流子浓度在未掺杂时也在1×1013cm-2以上，通过利用2DEG，能够实现电流密度大的二极管及异质结场效应晶体管(HFET：Hetero-junctionFieldEffectTransistor)。这样，利用了有利于高输出化及高耐压化的氮化物半导体的功率器件的研究开发目前正在活跃地进行。
作为功率器件而使用的二极管之一存在肖特基二极管。作为GaN系的二极管，正在开发使用了AlGaN/GaN异质构造的肖特基二极管。由于使用了AlGaN/GaN异质构造的肖特基二极管将在未掺杂AlGaN层和未掺杂GaN层之间的界面处产生的2DEG用作沟道，因此能够实现低电阻且大电流动作。
一般而言，虽然肖特基二极管具有开关特性优异的优点，但是却具有反向泄漏电流大的缺点。为了降低肖特基二极管的反向泄漏电流，提出了如下的方法(例如参照专利文献1。)。阳极电极使用肖特基势垒高度彼此不同的2种金属，并以肖特基势垒高度高的金属覆盖肖特基势垒高度低的金属。如果采用这种结构，则由于在正向上在肖特基势垒高度低的金属中流过电流，因此能够维持低的启动电压，能够降低二极管的导通损耗。由于在反向上能够通过肖特基势垒高度高的金属使二极管处于截止状态，因此还能够期待降低反向泄漏电流。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-317843号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，在上述方法中，本申请发明者发现在形成了钝化膜的情况下存在着无法充分地降低反向泄漏电流的这一问题。在采用了AlGaN/GaN异质构造的肖特基二极管中，为了防止杂质侵入器件，形成覆盖器件表面的钝化膜。钝化膜还具有抑制表面能级的形成并减少被称为电流崩塌的正向电流下降现象的效果。钝化膜在采用了AlGaN/GaN异质构造的肖特基二极管中在实用上是不可缺少的。但是，本申请发明者发现如果形成钝化膜则二极管的反向泄漏电流大幅增加。考虑二极管的反向泄漏电流增加的原因为在钝化膜和未掺杂AlGaN层之间的界面处形成了泄漏路径。即便采用了使用2种金属的阳极电极，也无法充分地抑制因钝化膜而产生的反向泄漏电流。此外，虽然要求进一步降低二极管的启动电压从而减少导通损耗，但是由于肖特基势垒高度低的金属也形成肖特基势垒，因此正向启动电压的降低是有界限的。
本公开的目的在于解决上述问题，能够实现由即便在形成了钝化膜的情况下也可充分降低反向泄漏电流的氮化物半导体构成的二极管。
用于解决技术问题的技术方案
为了实现上述目的，本公开的二极管构成为：阳极电极具有p型的氮化物半导体层、与p型的氮化物半导体层欧姆接触的第1金属层、以及与第1金属层连接且与沟道欧姆接触的第2金属层。
具体而言，例示的二极管具备：半导体层叠层体，包含在基板的主面之上形成的第1氮化物半导体层、以及在第1氮化物半导体层之上形成且带隙大于第1氮化物半导体层的第2氮化物半导体层，并具有电子在与基板的主面平行的方向上转移的沟道；阴极电极及阳极电极，在半导体层叠层体之上彼此空出间隔而形成；和保护膜，在阴极电极与阳极电极之间覆盖半导体层叠层体之上，阳极电极具有：p型的第3氮化物半导体层，形成在半导体层叠层体之上；第1金属层，形成在第3氮化物半导体层之上且与第3氮化物半导体层欧姆接触；和第2金属层，与第1金属层接触、且在隔着第3氮化物半导体层而与阴极电极相反侧的位置处与沟道欧姆接触。
例示的二极管的阳极电极具有：p型的第3氮化物半导体层，形成在半导体层叠层体之上；第1金属层，形成在第3氮化物半导体层之上且与第3氮化物半导体层欧姆接触；和第2金属层，与第1金属层接触、且在隔着第3氮化物半导体层而与阴极电极相反侧的位置处与沟道欧姆接触。因此，在被施加了正向偏压的情况下，由与沟道欧姆接触的第2金属层能够实现非常小的导通电阻。此外，在被施加了反向偏压的情况下，由从第3氮化物半导体层扩展的耗尽层能够切断从阴极电极流向阳极电极的电流。此外，因为由第3氮化物半导体层能够切断在保护膜与半导体层叠层体之间的界面处产生的电流路径，所以即便在形成了保护膜的情况下也能够将反向泄漏电流抑制得较小。进而，通过调整第3氮化物半导体层与沟道之间的间隔，从而可以调整启动电压。
在例示的二极管中，也可：第1氮化物半导体层为多个，第2氮化物半导体层为多个，第1氮化物半导体层和第2氮化物半导体层交替形成。
在该情况下，也可半导体层叠层体具有凹部，该凹部尚未达到多个第1氮化物半导体层之中的最下层的第1氮化物半导体层与多个第2氮化物半导体层之中的最下层的第2氮化物半导体层之间的界面，第3氮化物半导体层以掩埋凹部的方式形成。
进而，也可凹部达到最下层的第2氮化物半导体层。
在例示的二极管中，也可：半导体层叠层体具有阳极凹槽，该阳极凹槽贯通第2氮化物半导体层、且较之第1氮化物半导体层与第2氮化物半导体层之间的界面更靠近下侧，第2金属层与沟道直接接触。
在该情况下，也可第2金属层与沟道接触的位置、和第3氮化物半导体层的与阴极电极相反侧的端部的位置实质上对齐。
在例示的二极管中，也可第2氮化物半导体层具有尚未达到第1氮化物半导体层的凹部，第3氮化物半导体层以掩埋凹部的方式形成。
在例示的二极管中，第3氮化物半导体层采用AlxGa1-xN(0≤x＜1)即可。
在例示的二极管中，采用下述构成即可，即：第1金属层由含有镍或者钯的材料构成，第2金属层由含有铝或者钛的材料构成。
发明效果
根据本公开涉及的二极管，能够实现即便在形成了钝化膜的情况下也可充分降低反向泄漏电流的二极管。
附图说明
图1是表示一实施方式涉及的二极管的断面图。
图2是表示一实施方式涉及的二极管的变形例的断面图。
图3是表示一实施方式涉及的二极管的变形例的断面图。
图4是表示一实施方式涉及的二极管的变形例的断面图。
图5是表示一实施方式涉及的二极管的变形例的断面图。
图6是表示一实施方式涉及的二极管的变形例的断面图。
图7是表示一实施方式涉及的二极管的变形例的断面图。
具体实施方式
以下，将作为3元混晶的AlxGa1-xN(0≤x≤1)简记为AlGaN。其他的多元混晶也简记为各自的构成元素记号的排列、例如AlInN、GaInN等。例如，AlxGa1-x-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)简记为AlGaInN。
所谓未掺杂是指不有意地添加杂质，例如未掺杂的AlGaN简记为i-AlGaN。
图1表示一实施方式涉及的使用了氮化物半导体的二极管的断面构成。如图1所示，本实施方式的二极管在基板101之上形成有半导体层叠层体102。基板101采用Si基板、蓝宝石基板、碳化硅(SiC)基板或者GaN基板等即可。半导体层叠层体102采用被依次形成的膜厚为2μm的缓冲层120、由膜厚为3μm的i-GaN构成的第1氮化物半导体层121及由膜厚为25nm的i-Al0.25Ga0.75N构成的第2氮化物半导体层122即可。在第1氮化物半导体层121和第2氮化物半导体层122之间的界面附近处形成有由2DEG构成的沟道。
在半导体层叠层体102之上，阴极电极103与阳极电极104彼此空出间隔而形成。半导体层叠层体102的阴极电极103与阳极电极104之间的部分被由氮化硅(SiN)等构成的保护膜(钝化膜)106覆盖。
阴极电极103形成于较之第1氮化物半导体层121与第2氮化物半导体层122之间的界面还靠下侧的阴极凹槽(recess)，且该阴极电极103与沟道欧姆接触。阴极电极103由容易与2DEG欧姆接触的、包含钛(Ti)或者铝(Al)等在内的材料来形成即可，例如可以采用Ti和Al的合金等。
阳极电极104具有：在第2氮化物半导体层122之上有选择地形成的第3氮化物半导体层143、在第3氮化物半导体层143之上形成的第1金属层141、以及与第1金属层141接触的第2金属层142。第3氮化物半导体层143采用例如载流子浓度为1×1018cm-3程度的p-AlGaN层即可。第1金属层141由与p型的第3氮化物半导体层143欧姆接触的、包含镍(Ni)、金(Au)或者钯(Pd)等在内的材料来形成即可，例如可以采用Ni和Pd的叠层体等。第2金属层142被形成于在隔着第3氮化物半导体层143而与阴极电极103相反侧形成的阳极凹槽，且该第2金属层142与沟道欧姆接触。第2金属层142可以采用Ti和Al的合金等。
本实施方式的二极管的阳极电极104具有：p型的第3氮化物半导体层143、与第3氮化物半导体层143欧姆接触的第1金属层141、以及与第1金属层141连接且与沟道欧姆接触的第2金属层142。由于第2金属层142与沟道欧姆接触，因此在向阳极电极104施加了正向偏压时，能够使得导通电阻非常小。另一方面，在向阳极电极104施加了反向偏压时，耗尽层从p型的第3氮化物半导体层143扩展至其正下方的半导体层叠层体102。由此，沟道变得狭窄，从阴极电极103至阳极电极104的电流被切断。此外，在保护膜106与半导体层叠层体102之间所产生的泄漏路径被p型的第3氮化物半导体层143切断。因此，能够使得在设置了钝化膜时的反向泄漏电流非常小。较之在AlGaN/GaN异质构造之上形成了作为肖特基电极的阳极电极和作为欧姆电极的阴极电极的通常的肖特基二极管，在形成了保护膜的情况下能够将泄漏电流降低4位数左右。此外，即便较之形成保护膜之前的肖特基二极管，也能够将反向泄漏电流抑制在比大致同等低一位数左右的值。
本实施方式的二极管的正向启动电压是由p型的第3氮化物半导体层143的杂质浓度以及第3氮化物半导体层143的正下方处的第2氮化物半导体层122的膜厚等来决定的。例如，如果使第3氮化物半导体层143的正下方处的第2氮化物半导体层122的膜厚变薄，则能够降低正向启动电压，如果使膜厚变厚则能够提高正向启动电压。因此，如图2所示，在第2氮化物半导体层122形成凹部，以掩埋凹部的方式形成第3氮化物半导体层143，由此能够实现降低了正向启动电压而减少了导通损耗的二极管。此外，通过调整凹部的深度，从而可以调整正向启动电压。
本实施方式的二极管能够在使施加于阳极的电压比从p型的第3氮化物半导体层143产生空穴注入的电压还低1.5V左右的状态下进行动作。在该情况下，在正向动作时，p型的第3氮化物半导体层143不参与二极管动作。因此，从正向偏压的状态切换至反向偏压的状态时的恢复时间变短，表现出优异的恢复特性。
第1金属层141也可以如图3所示那样形成为：不仅在第3氮化物半导体层143之上、而且还与第2氮化物半导体层122接触。如果将第1金属层141仅形成在第3氮化物半导体层143之上，则需要高精度地进行对位等，但是若如图3所示那样，就能够将形成第1金属层141时的富余量(margin)确保得较大。此外，还能够降低第2金属层142与第1金属层141之间的电阻。
第2金属层142只要与第1金属层141电连接、且在隔着第3氮化物半导体层143而与阴极电极103相反侧的位置处与沟道欧姆接触即可。第2金属层142与沟道接触的位置、和第3氮化物半导体层143的与阴极电极103相反侧的端部之间的间隔尽可能窄，则能够减小导通电阻，也能够使得二极管的大小较小。因此，如图4所示那样优选使得阳极凹槽和第3氮化物半导体层143的与阴极电极103相反侧的端部的位置对齐来形成，尽量减小第2金属层142与沟道接触的位置、和第3氮化物半导体层143的与阴极电极103相反侧的端部之间的间隔t。实际上，由于在形成阳极凹槽时会产生些许的锥度，因此间隔t无法完全为0，但是能够大致为0，就能够降低导通电阻。
在本实施方式中说明了如下的结构：通过形成较之第2氮化物半导体层122与第1氮化物半导体层121之间的界面更靠下侧的阳极凹槽，使得第2金属层142与沟道直接欧姆接触。但是，只要第2金属层142与沟道欧姆接即可，可以如图5所示那样将第2金属层142形成在第2氮化物半导体层122之上。此外，对于阴极电极103，也可以与第2金属层142同样地形成在第2氮化物半导体层122之上。在将第2金属层142或者阴极电极103形成在第2氮化物半导体层122之上的情况下，也可以在第2金属层142或者阴极电极103的正下方处，向半导体层叠层体102注入Si等的n型杂质。这样一来，能够提高第2金属层142或者阴极电极103与沟道之间的欧姆性。
为了进一步降低导通电阻，也可以如图6所示那样构成为：使半导体层叠层体102具有多沟道层125，其中该多沟道层125交替层叠了由i-GaN构成的第1氮化物半导体层121、和由i-AlGaN构成的第2氮化物半导体层122。在形成了多沟道层125的情况下，在各第1氮化物半导体层中的第1氮化物半导体层121与第2氮化物半导体层122之间的界面附近处分别产生成为沟道的2DEG。通过形成多个沟道，由此能够大幅降低导通电阻。
图6表示多沟道层125由2组的第1氮化物半导体层121和第2氮化物半导体层122来形成的例子，但是第1氮化物半导体层121和第2氮化物半导体层122的组数也可以是3组以上。第1氮化物半导体层121和第2氮化物半导体层122的组数越多则越能够降低导通电阻，但如果组数过多，则形成会比较困难。能够形成20组左右是没有问题的。第1氮化物半导体层121的膜厚除去最下层之后设定为20nm～80nm左右即可。第2氮化物半导体层122的膜厚设定为10nm～30nm左右即可。
在使用多沟道层125的情况下，也可以将第3氮化物半导体层143形成于凹部。此时，如图7所示，只要形成尚未达到最下层的第2氮化物半导体层122与最下层的第1氮化物半导体层121之间的界面处的凹部即可。凹部也未必一定要达到最下层的第2氮化物半导体层122，只要根据所需的正向启动电压来调整凹部的深度即可。
为了降低导通电阻，优选形成第2金属层142及阴极电极103的凹槽较之最下层的第2氮化物半导体层122与最下层的第1氮化物半导体层121之间的界面更靠下侧，但是也可以没有达到该界面。也可以将第2金属层142及阴极电极103形成在最上层的第2氮化物半导体层122之上。在该情况下，可以在第2金属层142及阴极电极103的下侧，向半导体层叠层体注入Si等的杂质以容易实现欧姆接触。
尽管示出了第1氮化物半导体层121是GaN层、第2氮化物半导体层是AlGaN层的例子，但是只要能够使第2氮化物半导体层122的带隙大于第1氮化物半导体层121的带隙，则能够组合使用由AlxGa1-x-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的任意组成的氮化物半导体层。此外，在形成多沟道层125的情况下，所有的第1氮化物半导体层不需要是同一组成，所有的第2氮化物半导体层也不需要是同一组成。第3氮化物半导体层只要是p型，则可以采用由AlxGa1-xN(0≤x＜1)表示的任意组成的氮化物半导体层。此外，第3氮化物半导体层中含有的p型杂质的浓度也可以适当变更。保护膜106也可以代替SiN膜而采用AlN膜等。
各图表示基本的阴极电极与阳极电极的配置。但并不限于此，也可以在阳极电极的两侧分别形成阴极电极，或者以包围阳极电极的周围的方式来形成阴极电极。例如，也可以将阳极电极形成为平面圆形状，而将阴极电极形成为包围阳极电极的平面环状。此外，也可以使阳极电极和阴极电极颠倒，而以包围阴极电极的周围的方式来配置阳极电极。
产业上的可利用性
本公开涉及的二极管能够实现由即便在形成了钝化膜的情况下也可充分降低反向泄漏电流的氮化物半导体构成的二极管，特别地作为能够用于包含电视机在内的民用设备的电源电路等中的功率器件是有用的。
符号说明
Claims (9)
1.一种二极管，具备：
半导体层叠层体，包含在基板的主面之上形成的第1氮化物半导体层、以及在该第1氮化物半导体层之上形成且带隙大于所述第1氮化物半导体层的第2氮化物半导体层，并具有电子在与所述基板的主面平行的方向上转移的由二维电子气构成的沟道；
阴极电极及阳极电极，在所述半导体层叠层体之上彼此空出间隔而形成；和
保护膜，覆盖所述半导体层叠层体之上的所述阴极电极与所述阳极电极之间的区域，
所述阳极电极具有：
p型的第3氮化物半导体层，形成在所述半导体层叠层体之上；
第1金属层，形成在所述第3氮化物半导体层之上且与所述第3氮化物半导体层欧姆接触；和
第2金属层，与所述第1金属层接触、且在隔着所述第3氮化物半导体层而与所述阴极电极相反侧的位置处与所述沟道欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的二极管，其中，
所述第1氮化物半导体层为多个，
所述第2氮化物半导体层为多个，
所述第1氮化物半导体层和所述第2氮化物半导体层交替形成。
3.根据权利要求2所述的二极管，其中，
所述半导体层叠层体具有凹部，该凹部尚未达到多个所述第1氮化物半导体层之中的最下层的第1氮化物半导体层与多个所述第2氮化物半导体层之中的最下层的第2氮化物半导体层之间的界面，
所述第3氮化物半导体层以掩埋所述凹部的方式形成。
4.根据权利要求3所述的二极管，其中，
所述凹部达到所述最下层的第2氮化物半导体层。
5.根据权利要求1所述的二极管，其中，
所述半导体层叠层体具有阳极凹槽，该阳极凹槽贯通所述第2氮化物半导体层、且较之所述第1氮化物半导体层与所述第2氮化物半导体层之间的界面更靠近下侧，
所述第2金属层与所述沟道直接接触。
6.根据权利要求5所述的二极管，其中，
所述第2金属层与所述沟道接触的位置、和所述第3氮化物半导体层的与所述阴极电极相反侧的端部的位置实质上对齐。
7.根据权利要求1所述的二极管，其中，
所述第2氮化物半导体层具有尚未达到所述第1氮化物半导体层的凹部，
所述第3氮化物半导体层以掩埋所述凹部的方式形成。
8.根据权利要求1所述的二极管，其中，
所述第3氮化物半导体层由AlxGa1-xN构成，其中0≤x＜1。
9.根据权利要求1所述的二极管，其中，
所述第1金属层由含有镍或者钯的材料构成，
所述第2金属层由含有铝或者钛的材料构成。
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