CN103346083B - 氮化镓肖特基二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN肖特基二极管的制造方法：提供一衬底；在衬底上沉积成核层和/或缓冲层；在成核层和/或缓冲层上沉积重掺杂n型GaN层；在重掺杂n型GaN层上沉积轻掺杂n型GaN层，轻掺杂n型GaN层的表面存在有多个p型重度离子掺杂GaN区；在轻掺杂n型GaN层表面上沉积绝缘层或介质层；在绝缘层上定义有肖特基电极区域并开孔；在开孔的肖特基电极区域中沉积与轻掺杂n型GaN层表面相接触的肖特基电极；在衬底上定义有欧姆电极区域，在欧姆电极区域开孔；在开孔的欧姆电极区域中沉积与重掺杂n型GaN层相接触的欧姆电极。本发明的肖特基二极管正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种氮化镓肖特基二极管及其制造方法。
背景技术
随着半导体工业的发展,以单晶硅为基底的高功率半导体器件性能已经很难满足各行业的应用要求。硅在高功率领域的性能极限推动了近年来以氮化镓（GaN，Gallium Nitride）为基底的高功率半导体器件的大规模发展。以氮化镓为代表的第三代半导体材料有着优异的特性，如：禁带宽度大、击穿电场强度高、最大电流密度高、化学性能稳定、热稳定性系数高、热膨胀系数小等等，正在逐渐取代硅在高功率半导体器件上的应用。同时,氮化镓器件比硅器件在工作中的能量自身消耗损失小，功效高，可以大大降低消耗，节约能源。以第三代半导体材料为基底的高功率器件近年来正在被广泛的应用在风力发电、太阳能、电动力汽车和高铁等领域。
传统肖特基二极管（Schottky diode）是通过让金属与半导体层接触形成肖特基势垒来形成的一种半导体二极管，金属与半导体之间的肖特基势垒起到一个整流结的作用，相对于完全在半导体中形成的PN结二极管而言，此种二极管的开关性能得到了改善，开启电压更低，开关速度也更快。在实际应用中，如开关电源中，当开关损耗占能量消耗的绝大部分时，使用肖特基二极管就是理想的选择。
图1所示是传统的GaN肖特基二极管MESA结构，衬底上依次沉积重掺杂n型GaN和轻掺杂n型GaN，局部台面刻蚀掉轻掺杂n型GaN，阴极的金属与重掺杂n型GaN形成了欧姆接触（Ohmic contact），阳极的金属与轻掺杂n型GaN形成了肖特基接触（Schottky contact），这种传统GaN肖特基二极管有着开关性能好和负载电压高的优点，但是不足之处在于反向漏电比较大，反向的耐压和功率比较低，正向可通过电流密度因为受到单极电荷的限制也比较低；同时，平面结构会占用更多的晶圆面积。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GaN肖特基二极管及其制造方法。
本发明的GaN肖特基二极管具有垂直结构，当正向加低电压时，轻掺杂n型GaN与肖特基金属接触形成的肖特基结导电电流起主导作用，这样就保留了传统肖特基二极管低开启电压的特性；p型重度离子掺杂GaN区与轻掺杂n型GaN形成了PN结，当正向电压增大，PN结开启后，器件的正向电流由PN结电流占主导，PN结载流子的注入使得本发明的GaN肖特基二极管可以通过更大的电流强度；在器件上加反向电压时，PN结就产生了空间电荷区，肖特基电极下会布满空间电荷区，在空间电荷区的作用下，器件的反向漏电会大幅度降低。因此，本发明在保留与传统肖特基二极管相近的开启电压的同时，正向可通过更大电流，反向漏电流更小，并且反向可承受更大的电压和功率。
为实现上述目的，本发明提供了一种GaN肖特基二极管的制造方法，包括下述步骤：
提供一衬底；在所述衬底上沉积成核层和/或缓冲层；在所述成核层和/或缓冲层上沉积重掺杂n型GaN层；在所述重掺杂n型GaN层上沉积轻掺杂n型GaN层，所述轻掺杂n型GaN层的表面存在有多个p型重度离子掺杂GaN区；在所述轻掺杂n型GaN层表面上沉积绝缘层或介质层；在所述绝缘层上定义有肖特基电极区域，在所述肖特基电极区域开孔；在所述开孔的肖特基电极区域中沉积与轻掺杂n型GaN层表面相接触的肖特基电极；在所述衬底上定义有欧姆电极区域，在所述欧姆电极区域开孔；在所述开孔的欧姆电极区域中沉积与所述重掺杂n型GaN层相接触的欧姆电极。
优选的，在所述衬底上的欧姆电极区域开孔前，对衬底进行减薄。
优选的，当衬底为氮化镓时，阴极区域不需要开孔，衬底不需要进行减薄。
优选的，所述p型重度离子掺杂GaN区通过镁离子注入和高温退火来实现。
优选的，所述肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区间隔处处相等。
优选的，所述肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区的俯视形状为没有尖锐角度的长条形、六边形或者圆形。
优选的，所述肖特基电极的边缘和所述绝缘层的下方存在多个呈环形的p型重度离子掺杂GaN区。
优选的，所述肖特基电极具有场板结构。
优选的，所述肖特基电极由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种或两种以上材料形成。
优选的，所述欧姆电极具有场板结构。
优选的，所述绝缘层为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON和HfO2中的一种或两种以上的组合，所述绝缘层的生长方式为ALD、CVD、PVD、MBE、PECVD和LPCVD中的一种或两种以上的组合。
优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。
根据上述方法制备的具有垂直结构的GaN肖特基二极管，包括：衬底；沉积在所述衬底上的成核层和/或缓冲层；沉积在所述成核层和/或缓冲层上的重掺杂n型GaN层；沉积在所述重掺杂n型GaN层上的轻掺杂n型GaN层，所述轻掺杂n型GaN层的表面存在有多个p型重度离子掺杂GaN区；沉积在所述轻掺杂n型GaN层表面上并且具有开口的绝缘层；沉积在所述开口中并且与轻掺杂n型GaN层表面相接触的肖特基电极；衬底开孔后沉积在开孔中并且与所述重掺杂n型GaN层相接触的欧姆电极。
优选的，所述肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区间隔处处相等。
优选的，所述肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区的俯视形状为没有尖锐角度的长条形、六边形或者圆形。
优选的，所述肖特基电极的边缘和所述绝缘层的下方存在多个呈环形的p型重度离子掺杂GaN区。
优选的，所述肖特基电极具有场板结构。
优选的，所述肖特基电极由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种或两种以上材料形成。
优选的，所述欧姆电极具有场板结构。
优选的，所述绝缘层为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON和HfO2中的一种或两种以上的组合。
优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。
综上所述，本发明的GaN肖特基二极管融合了传统肖特基二极管和PN结二极管的优点，正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统的GaN肖特基二极管MESA结构示意图；
图2是本发明的GaN肖特基二极管肖特基电极的设计示意图；
图3a～图3h是本发明的GaN肖特基二极管的制造流程示意图；
图4是本发明制造的GaN肖特基二极管剖面结构示意图；
图5是本发明的GaN肖特基二极管肖特基电极下p型重度离子掺杂GaN区俯视示意图，其中：(a)为长条形，(b)为六边形，(c)为圆形；
图6是本发明的GaN肖特基二极管正向加低电压时的原理示意图；
图7是本发明的GaN肖特基二极管正向电压增大到PN结的开启电压时的原理示意图；
图8是本发明的GaN肖特基二极管加反向电压时的原理示意图；
图9是本发明的GaN肖特基二极管的边缘保护结构设计示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示是传统的GaN肖特基二极管MESA结构，衬底1上依次沉积重掺杂n型GaN2和轻掺杂n型GaN3，局部台面刻蚀掉轻掺杂n型GaN3，阴极的金属与重掺杂n型GaN2形成了欧姆接触4，阳极的金属与轻掺杂n型GaN3形成了肖特基接触5，这种传统GaN肖特基二极管有着开关性能好和负载电压高的优点，但是不足之处在于反向漏电比较大，反向的耐压和功率比较低，正向可通过电流密度因为受到单极电荷的限制也比较低。
图2为本发明的GaN肖特基二极管肖特基电极的设计示意图，衬底1上依次沉积重掺杂n型GaN2和轻掺杂n型GaN3，在与肖特基电极相接触的轻掺杂n型GaN3中引入了p型重度离子掺杂GaN区4，阳极的金属与轻掺杂n型GaN3形成了肖特基接触5。
下面，对本发明的GaN肖特基二极管的制造方法做详细说明。
参见图3a～图3h，本发明的GaN肖特基二极管的制造流程图，该GaN肖特基二极管的制造方法包括以下步骤：
1、提供一衬底1，衬底1为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种，或本领域的技术人员共知的任何其他适合生长氮化镓材料的衬底，衬底1的沉积方法包括CVD、VPE、MOCVD、LPCVD、脉冲激光沉积（PLD）、原子层外延、MBE，溅射、蒸发等。在衬底1上沉积成核层和/或缓冲层2，参见图3a；本发明也可以不形成成核层2，而直接在衬底1上形成半导体层。
2、在成核层和/或缓冲层2上沉积可选的重掺杂n型GaN层3，参见图3b，本发明也可以不形成重掺杂n型GaN层3；
3、在重掺杂n型GaN层3上沉积n型轻掺杂或未掺杂的GaN层4，参见图3c；
4、在轻掺杂n型GaN层4的表面通过镁离子或任何可在氮化镓半导体中形成p型的离子注入来实现多个p型重度离子掺杂GaN区5，参见图3d，肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区的间隔处处相等，肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区的俯视图形状为没有尖锐角度的图形或任何可以避免尖端电场效应的图形，例如长条形、六边形或者圆形（如图5所示），肖特基电极的边缘和所述绝缘层的下方存在的多个p型重度离子掺杂GaN区呈环形（如图9所示）；
5、在轻掺杂n型GaN层表面4上沉积绝缘层6，绝缘层6为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON、HfO2中的一种或多种的组合，该绝缘层6的生长方式为ALD、CVD、PVD、MBE、PECVD、溅射、蒸发或LPCVD中的一种或几种方法的组合，参见图3e；
6、在绝缘层6上定义有肖特基电极区域，在肖特基电极区域开孔，在开孔的肖特基电极区域中沉积与轻掺杂n型GaN层4表面相接触的肖特基电极7，必要时需进行退火处理，肖特基电极7具有可选的场板结构，肖特基电极至少由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种材料或任何可与氮化镓形成肖特基节的材料形成，参见图3f。
7、对衬底1进行减薄，在衬底1上定义有欧姆电极区域，在欧姆电极区域开孔，参见图3g；
8、在开孔的欧姆电极区域中沉积与重掺杂n型GaN层3相接触的欧姆电极8，欧姆电极8具有场板结构，为了形成欧姆接触，必要时需进行退火处理，参见图3h；
图4是本发明的方法制造的GaN肖特基二极管的剖面结构示意图，如图4所示，该GaN肖特基二极管具有垂直结构，包括：
衬底1，为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种；
沉积在衬底1上的成核层和/或缓冲层2；
沉积在成核层和/或缓冲层2上的重掺杂n型GaN层3；
沉积在重掺杂n型GaN层3上的轻掺杂n型GaN层4；
轻掺杂n型GaN层4的表面存在有多个p型重度离子掺杂GaN区5；
沉积在轻掺杂n型GaN层4表面上并且具有开口的绝缘层6，为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON、HfO2中的一种或多种的组合；
沉积在开口中并且与轻掺杂n型GaN层4表面相接触的肖特基电极7，肖特基电极7具有场板结构，肖特基电极至少由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种材料形成；
衬底开孔后沉积在开孔中并且与重掺杂n型GaN层3相接触的欧姆电极8，欧姆电极8具有场板结构。
本发明的肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区5和非p型重度离子掺杂GaN区的间隔处处相等。如图5所示，肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区5的俯视图形状为没有尖锐角度的图形，例如长条形（a）、六边形（b）或者圆形（c）；如图6所示，当正向加低电压时，轻掺杂n型GaN3与肖特基金属接触形成的肖特基结导电电流起主导作用，这样就保留了传统肖特基二极管低开启电压的特性；如图7所示，p型重度离子掺杂GaN区4与轻掺杂n型GaN3形成了PN结，当正向电压增大，PN结开启后，器件的正向电流由PN结电流占主导，PN结载流子的注入使得本发明的GaN肖特基二极管可以通过更大的电流强度；如图8所示，在器件上加反向电压时，PN结就产生了空间电荷区6，肖特基电极下会布满空间电荷区6，在空间电荷区6的作用下，器件的反向漏电会大幅度降低。
肖特基电极的边缘和所述绝缘层的下方存在的多个p型重度离子掺杂GaN区呈环形，如图9本发明的GaN肖特基二极管的边缘保护结构设计示意图所示，使用了p型重度离子掺杂多重边缘保护环6，该p型重度离子掺杂多重边缘保护环6可以与肖特基电极下的p型重度离子掺杂GaN区同时通过Mg离子注入来实现。p型重度离子掺杂多重边缘保护环6可以有效的分散器件边缘的电场，减小电场强度，特别是器件在高工作电压下，多重边缘保护环6可最有效的保护器件。p型重度离子掺杂多重边缘保护环6的数量、区域宽度、间隔距离等参数需要根据器件最高工作电压来确定。
上述GaN肖特基二极管融合了传统肖特基二极管和PN结二极管的优点，正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率。
综上所述，本发明的GaN肖特基二极管融合了传统肖特基二极管和PN结二极管的优点，正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (19)
1.一种GaN肖特基二极管的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
提供一衬底；在所述衬底上沉积成核层和/或缓冲层；在所述成核层和/或缓冲层上沉积重掺杂n型GaN层；在所述重掺杂n型GaN层上沉积轻掺杂n型GaN层，所述轻掺杂n型GaN层的表面存在有多个p型重度离子掺杂GaN区；在所述轻掺杂n型GaN层表面上沉积绝缘层或介质层；在所述绝缘层上定义有肖特基电极区域，在所述肖特基电极区域开孔；在所述开孔的肖特基电极区域中沉积与轻掺杂n型GaN层表面相接触的肖特基电极；在所述衬底上定义有欧姆电极区域，在所述欧姆电极区域开孔；在所述开孔的欧姆电极区域中沉积与所述重掺杂n型GaN层相接触的欧姆电极，所述肖特基电极的边缘和所述绝缘层的下方存在多个呈环形的p型重度离子掺杂GaN区，所述p型重度离子掺杂GaN区与所述肖特基电极下的p型重度离子掺杂GaN区同时通过离子注入来实现。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在所述衬底上的欧姆电极区域开孔前，对衬底进行减薄。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：当衬底为氮化镓时，阴极区域不需要开孔，衬底不需要进行减薄。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述p型重度离子掺杂GaN区通过镁离子注入和高温退火来实现。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区间隔处处相等。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述肖特基电极下方的p型重度离子掺杂GaN区的俯视形状为没有尖锐角度的长条形、六边形或者圆形。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述肖特基电极具有场板结构。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述肖特基电极由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种或两种以上材料形成。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述欧姆电极具有场板结构。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述绝缘层为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON和HfO2中的一种或两种以上的组合，所述绝缘层的生长方式为ALD、CVD、PVD、MBE、PECVD和LPCVD中的一种或两种以上的组合。
11.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。
12.根据权利要求1所述的方法制备的具有垂直结构的GaN肖特基二极管，其特征在于，包括：衬底(1)；沉积在所述衬底(1)上的成核层和/或缓冲层(2)；沉积在所述成核层和/或缓冲层(2)上的重掺杂n型GaN层(3)；沉积在所述重掺杂n型GaN层(3)上的轻掺杂n型GaN层(4)，所述轻掺杂n型GaN层(4)的表面存在有多个p型重度离子掺杂GaN区(5)；沉积在所述轻掺杂n型GaN层(4)表面上并且具有开口的绝缘层(6)；沉积在所述开口中并且与轻掺杂n型GaN层(4)表面相接触的肖特基电极(7)；衬底开孔后沉积在开孔中并且与所述重掺杂n型GaN层(3)相接触的欧姆电极(8)，所述肖特基电极的边缘和所述绝缘层的下方存在多个呈环形的p型重度离子掺杂GaN区，所述p型重度离子掺杂GaN区与所述肖特基电极下的p型重度离子掺杂GaN区同时通过离子注入来实现。
13.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述肖特基电极(7)下方的p型重度离子掺杂GaN区(5)间隔处处相等。
14.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述肖特基电极(7)下方的p型重度离子掺杂GaN区(5)的俯视形状为没有尖锐角度的长条形、六边形或者圆形。
15.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述肖特基电极(7)具有场板结构。
16.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述肖特基电极(7)由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种或两种以上材料形成。
17.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述欧姆电极(8)具有场板结构。
18.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述绝缘层(6)为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON和HfO2中的一种或两种以上的组合。
19.根据权利要求12所述的GaN肖特基二极管，其特征在于：所述衬底(1)为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。
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