CN104362181A - 一种GaN异质结二极管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN异质结二极管器件及其制作方法，所述器件包括：衬底；位于所述衬底上的缓冲层；位于所述缓冲层上的沟道层；位于所述沟道层上势垒层，所述势垒层与沟道层形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道；位于所述势垒层上的冒层；位于所述势垒层上方、所述冒层两侧的第一欧姆阳极和欧姆阴极，所述第一欧姆阳极与所述冒层接触；位于所述第一欧姆阳极和所述冒层上的第二欧姆阳极，所述第二欧姆阳极与所述冒层欧姆金属接触。本发明解决了现有技术中在控制正向开启电压与反向漏电之间相互矛盾的问题，实现了二极管同时具有低开启电压，低导通电阻、高反向耐压和高正向导通电流的特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种GaN异质结二极管器件及其制作方法。
背景技术
第三代半导体氮化镓(GaN)是具有宽禁带，高导热率，高电子迁移率等性质的材料，氮化镓基功率器件的高温，高电压，高频及高功率性能远高于第一代半导体硅(Si)和第二代半导体砷化镓(GaAs)材料器件。同时，氮化镓可以与其他III-V族化合物半导体如AlGaN形成异质结，这种结构具有强烈的自发极化和压电极化效应，能在异质结的界面附近形成浓度很高电子的二维电子气沟道(2DEG),密度可达1013cm-2。此外GaN材料具有很高的击穿场强，因此基于GaN材料的器件特别适合用于制造大功率电子器件，如高压开关器件，大功率肖特基二极管(SBD)，以及在微波射频领域中运用于通讯的高频高功率HEMT器件。
目前，基于GaN材料在功率二极管领域已经取得较大发展，如夏普公司K.Takatani等人提出了在AlGaN层中使用氟离子注入完全耗尽下方沟道中二维电子气，提升二极管导通电压至0V左右，再使用肖特基结构的阳极电极控制AlGaN层中的氟离子实现控制器件的导通与关断。最终得到击穿电压大于200V,反向漏电小于10-3A/mm。但采用氟离化物等离子体注射时会对材料自身造成伤害，使器件可靠性下降。具体可参见文献K.Takatani,et,al.,“AIGaN/GaNSchottky-ohmic combined anode field effect diode with fluoride-basedplasma treatment”Electronics Letters,IEEE Volume:44,2008。
Jae-Gil Lee等人则采用刻蚀AlGaN势垒层的方法耗尽下方二维电子气，并在刻蚀后的凹槽区域重新生长肖特基接触的金属，这种具有凹槽结构的阳极二极管得到了开启电压1.5V，反向击穿电压1440V的结果。具体可参见文献Jae-Gil Lee,et al.,“Low Turn-On Voltage AlGaN/GaN-on-Si RectifierWith Gated Ohmic Anode”Electron Device Letters,IEEE Volume:34,2013。
目前以GaN异质结结构的肖特基二极管大多是以肖特基势垒实现整流特性。电子需要越过肖特基势垒实现导通，所以正向开启电压(Vth)较大，一般大于1.5V。若要减小开启电压则需要减小肖特基势垒，但反向偏压时漏电将会增大，所以正向开启电压与反向漏电之间为相互矛盾关系。因此围绕着提高击穿电压，降低反向漏电电流，增大正向电流和减小开启电压等方面还需要不断改进创新。
发明内容
本发明提供一种GaN异质结二极管器件及其制作方法，以实现使二极管同时具有低开启电压，低导通电阻、高反向耐压和高正向导通电流的特性。
第一方面，本发明实施例提供一种GaN异质结二极管器件，包括：
衬底；
位于所述衬底上的缓冲层；
位于所述缓冲层上的沟道层；
位于所述沟道层上的势垒层，所述势垒层与沟道层形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道；
位于所述势垒层上的冒层；
位于所述势垒层上方、所述冒层两侧的第一欧姆阳极和欧姆阴极，所述第一欧姆阳极与所述冒层接触；
位于所述第一欧姆阳极和所述冒层上的第二欧姆阳极，所述第二欧姆阳极与所述冒层形成欧姆金属接触。
进一步地，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石；所述缓冲层材料包括非掺杂GaN、AlN或其它III-V族氮化物；所述沟道层材料为非掺杂GaN层；所述势垒层材料为AlGaN或其它III-V族氮化物。
进一步地，所述冒层材料为p型AlGaN和p型GaN的任意一种或二者形成的渐变层，厚度为10-200nm。
进一步地，所述第一欧姆阳极、欧姆阴极的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金，所述第二欧姆阳极结构包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合；
或者，
所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极的材料均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
进一步地，所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合时，在要沉积电极的势垒层区域进行Si离子注入，形成n型重掺杂区域。
第二方面，本发明实施例还提供了一种GaN异质结二极管器件的制作方法，该方法包括：
在衬底上制备缓冲层；
在所述缓冲层上制备沟道层；
在所述沟道层上制备势垒层，所述势垒层与沟道层形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道；
在所述势垒层上方制备冒层、第一欧姆阳极、第二欧姆阳极和欧姆阴极，且所述第一欧姆阳极和欧姆阴极位于所述冒层两侧，所述第二欧姆阳极覆盖在所述第一欧姆阳极和所述冒层上，所述第二欧姆阳极与所述冒层形成欧姆金属接触。
进一步地，在所述势垒层上方制备冒层、第一欧姆阳极、第二欧姆阳极和欧姆阴极，具体包括：
在所述势垒层上制备并刻蚀出冒层结构；
在所述冒层两侧制备第一欧姆阳极和欧姆阴极，所述第一欧姆阳极与所述冒层接触；以及在所述第一欧姆阳极和所述冒层上制备第二欧姆阳极。
进一步地，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石；所述缓冲层材料包括非掺杂GaN、AlN或其它III-V族氮化物；所述沟道层材料为非掺杂GaN层；所述势垒层材料为AlGaN或其它III-V族氮化物。
进一步地，所述冒层材料为p型AlGaN和p型GaN的任意一种或二者形成的渐变层，所述冒层厚度为10-200nm。
进一步地，在所述势垒层上方、所述冒层两侧制备第一欧姆阳极和欧姆阴极，并退火，所述第一欧姆阳极、欧姆阴极的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金；在第一欧姆阳极和冒层上制备第二欧姆阳极，并退火，所述第二欧姆阳极的材料包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
或者，
所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极一次制备成型，第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极的材料均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
进一步地，在一次制备所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极之前，在要沉积电极的势垒层区域进行Si离子注入。
本发明在阳极电极处采用冒层结构，通过覆盖在冒层结构上的阳极欧姆电极控制冒层下方异质结界面的二维电子气的导通与关断，以实现二极管的整流特性，解决了现有技术中在控制正向开启电压与反向漏电之间相互矛盾的问题，实现了二极管同时具有低开启电压，低导通电阻、高反向耐压和高正向导通电流的特性。
附图说明
图1a是本发明提供的一种GaN异质结二极管器件控制导电沟道关闭的结构示意图；
图1b是本发明提供的一种GaN异质结二极管器件控制导电沟道恢复的示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图；
图3a-图3f是本发明实施例一提供的GaN异质结二极管器件的制作方法各步骤对应结构的剖面图；
图4是本发明实施例二提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图；
图5a-图5f是本发明实施例二提供的GaN异质结二极管器件的制作方法各步骤对应结构的剖面图；
图6是本发明实施例三提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图；
图7a-图7f本发明实施例三提供的GaN异质结二极管器件的制作方法各步骤对应结构的剖面图；
图8是本发明实施例四提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图；
图9a-图9f本发明实施例四提供的GaN异质结二极管器件的制作方法各步骤对应结构的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明的工作原理为：利用冒层耗尽势垒层与沟道层界面的二维电子气，抬升下方异质结界面处的导带底至费米能级上方，使得冒层下方的二维电子气(2DEG)被完全耗尽，当阳极上无外加偏压时导电沟道关闭，如图1a所示；当阳极上施加正向偏压，冒层下方的二维电子气沟道恢复，实现导通，如图1b所示。随着阳极上电压升高，冒层中的空穴被注入到二维电子气沟道中，由于GaN中空穴的有效质量非常大，迁移率很小，大部分空穴停留在沟道处进一步增加沟道层中的势阱深度，提高二维电子气浓度，从而增加导通电流。在阳极上施加反向偏压时，冒层与其下方的势垒层和沟道层共同组成的n型区域形成p-n结反偏状态，使得沟道层保持在耗尽状态，器件仍然处于关断状态并具有很小的反向漏电。
本发明实施例提供的GaN异质结二极管器件，其冒层材料和掺杂工艺可以根据工艺流程设计而变。此外，本发明的各电极可以分次制备，也可以一次制备成型。具体地，可以先在势垒层上方、冒层两侧制备第一欧姆阳极和欧姆阴极，再在第一欧姆阳极和冒层上制备第二欧姆阳极；或者，一次性制备第一欧姆阳极、第二欧姆阳极和欧姆阴极，所述第二欧姆阳极与第一欧姆阳极互联共同形成二极管的阳极。两种制备工艺中，所述第一欧姆阳极与势垒层、欧姆阴极与势垒层、第二欧姆阳极与冒层之间均为欧姆接触。每一种不同的工艺都对应不同的优点，最佳的工艺选择由实际情况或实验结果决定。
实施例一
图2为本发明实施例一提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图。如图2所示，本发明实施例所述GaN异质结二极管器件包括：衬底10、位于衬底10上的缓冲层11、位于缓冲层11上的沟道层12、位于沟道层12上势垒层13、位于势垒层13上的冒层14、位于势垒层13上方、冒层14两侧的第一欧姆阳极15和欧姆阴极16，所述第一欧姆阳极与所述冒层接触、位于第一欧姆阳极15和冒层14上的第二欧姆阳极17，所述第二欧姆阳极与所述冒层欧姆金属接触。
其中，衬底10可以是碳化硅、硅或蓝宝石。
缓冲层11材料可以是非掺杂GaN、AlN或其它III-V族氮化物，起到匹配衬底材料和提高外延沟道层质量的作用。
沟道层12材料为非掺杂GaN层。
势垒层13材料可以是AlGaN或其它III-V族氮化物，所述沟道层12和势垒层13形成异质结结构，异质界面处形成有2DEG沟道(图1中虚线所示)，其中，沟道层12提供了2DEG运动的沟道，势垒层13起势垒作用。
冒层14材料为p型AlGaN，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在10-200nm，在10nm以上厚度范围内，冒层能够抬升下方异质结的导带底至费米能级上方，使得冒层下方二维电子气被完全耗尽，同时为了保证二极管具有较小的开启电压(小于1V),冒层厚度应控制在200nm以内。另外所述冒层结构长度可调节，具体角度根据工艺及器件设计要求而定。
第一欧姆阳极15、欧姆阴极16的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金，第二欧姆阳极结17构包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合的合金。
具体的，位于冒层上的第二欧姆阳极的面积可调节，具体结构可根据工艺及器件设计要求而定。
本发明实施例提供的GaN异质结二极管器件与传统肖特基二极管相比，由于采用了冒层结构，电子不需要越过肖特基势垒，所以开启电压可明显降低，且制造工艺与目前成熟的氮化镓HEMT器件类似，具有可操作性。此外，由于冒层与第二欧姆阳极之间为欧姆接触，不产生明显的附加阻抗，对异质结处的二维电子气控制能力增强，因此二极管开启电压更低，约稍大于0V，低的开启电压减小了附加在二极管上的功耗。
下面，对本发明实现上述实施例提供的GaN异质结二极管器件的制作方法做详细说明。
参见图3a-图3f，图3a-图3f是本发明实施例一提供的GaN异质结二极管器件的制作方法各步骤对应结构的剖面图，该GaN异质结二极管器件的制作方法用于制备如图1所示的GaN异质结二极管器件，该GaN异质结二极管器件的制作方法包括：
步骤110、在衬底10上依次制备缓冲层11、沟道层12、势垒层13；
参见图3a，具体地，衬底10材料可以是硅、蓝宝石或碳化硅，利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延在衬底10上生长缓冲层11，缓冲层包括GaN或AlN或其它氮化物，起到匹配衬底材料和提高外延氮化镓沟道层质量的作用；利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延在缓冲层11上生长沟道层12，沟道层为非掺杂GaN；利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延技术在沟道层12上生长势垒层13,势垒层包含AlGaN或其它氮化物，所述势垒层13与沟道层12形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道，如图中虚线所示。
步骤120、在势垒层13上方制备冒层14、第一欧姆阳极15、第二欧姆阳极17和欧姆阴极16；
具体地，参见图3b，该步骤包括，利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延在势垒层13上生长整层p型AlGaN层14’，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在10-200nm；
参见图3c，通过光刻工艺，及干法刻蚀工艺将p型AlGaN层14’两侧刻蚀出两个电极窗口；
参见图3d，采用金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺在两个电极窗口上制备所述第一欧姆阳极15和欧姆阴极16。所述第一欧姆阳极15、欧姆阴极16的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金；在两个电极窗口上制备所述第一欧姆阳极15和欧姆阴极16后退火使第一欧姆阳极15、欧姆阴极16与势垒层形成欧姆金属接触；
参见图3e，再次使用光刻及金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺在第一欧姆阳极15和部分p型AlGaN层上制备第二欧姆阳极17，第二欧姆阳极的材料包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合,并退火，使第二欧姆阳极17与p型AlGaN冒层14形成欧姆金属接触。
参见图3f，刻蚀掉未被金属电极覆盖的p型AlGaN层区域，形成冒层结构14。
所述冒层结构长度可调节，具体角度根据工艺及器件设计要求而定。
本发明采用p型AlGaN冒层耗尽下方势垒层与沟道层界面的二维电子气，当阳极上无外加偏压时导电沟道关闭；当阳极上施加正向偏压，冒层下方的二维电子气沟道恢复，实现导通。随着阳极上电压升高，冒层中的空穴被注入到二维电子气沟道中，由于GaN中空穴的有效质量非常大，迁移率很小，大部分空穴停留在沟道处进一步增加沟道层中的势阱深度，提高二维电子气浓度，从而增加导通电流本发明实现了二极管的低开启电压和高正向导通电流的特性，且器件结构简单，制备工艺流程对材料损伤小，特别适合运用于功率型GaN二极管的制备。
实施例二
发明实施例二提供的GaN异质结二极管器件以上述实施例一的GaN异质结二极管器件为基础，与实施例一的不同之处在于，实施例二提供的GaN异质结二极管器件的冒层采用p型GaN，厚度为10-200nm。选用p型GaN作为GaN异质结二极管冒层的优点在于在制备工艺上可使用选择性刻蚀法，使得冒层的刻蚀能够精确的停留在AlGaN势垒层上。
图4为本发明实施例二提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图。如图4所示，本发明实施例所述GaN异质结二极管器件包括：衬底20、位于衬底20上的缓冲层21、位于缓冲层21上的沟道层22、位于沟道层22上势垒层23、位于势垒层23上的冒层24、位于势垒层23上方、冒层24两侧的第一欧姆阳极25和欧姆阴极26，所述第一欧姆阳极与所述冒层接触、位于第一欧姆阳极25和冒层24上的第二欧姆阳极27，所述第二欧姆阳极与所述冒层欧姆金属接触。
其中，衬底20可以是碳化硅、硅或蓝宝石。
缓冲层21材料可以是非掺杂GaN、AlN或其它III-V族氮化物，起到匹配衬底材料和提高外延沟道层质量的作用。
沟道层22材料为非掺杂GaN层。
势垒层23材料可以是AlGaN或其它III-V族氮化物，所述沟道层22和势垒层23形成异质结结构，异质界面处形成有2DEG沟道(图1中虚线所示)，其中，沟道层22提供了2DEG运动的沟道，势垒层23起势垒作用。
冒层24材料为p型GaN，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在10-200nm，在10nm以上厚度范围内，冒层能够抬升下方异质结的导带底至费米能级上方，使得冒层下方二维电子气被完全耗尽，同时为了保证二极管具有较小的开启电压(小于1V),冒层厚度应控制在200nm以内。
第一欧姆阳极25、欧姆阴极26的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金，第二欧姆阳极结27包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合的合金。具体的，位于冒层上的第二欧姆阳极的面积可调节，具体结构可根据工艺及器件设计要求而定。
下面，对本发明实现上述实施例提供的GaN异质结二极管器件的制作方法做详细说明。
参见图5a-图5f，图5a-图5f是本发明实施例二提供的GaN异质结二极管器件的制作方法各步骤对应结构的剖面图，该GaN异质结二极管器件的制作方法用于制备如图4所示的GaN异质结二极管器件，该GaN异质结二极管器件的制作方法包括：
步骤210、在衬底20上依次制备缓冲层21、沟道层22、势垒层23；
参见图5a，具体地，衬底20材料可以是硅、蓝宝石或碳化硅，利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延技术在衬底20上生长缓冲层21，缓冲层包括GaN或AlN或其它氮化物，起到匹配衬底材料和提高外延氮化镓沟道层质量的作用；利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延技术在缓冲层21上生长沟道层22，沟道层为非掺杂GaN；利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延在沟道层22上生长势垒层23,势垒层包含AlGaN或其它氮化物，所述势垒层23与沟道层22形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道，如图中虚线所示。
步骤220、在势垒层23上方制备冒层24、第一欧姆阳极25、第二欧姆阳极27和欧姆阴极26；
具体地，参见图5b，该步骤包括，利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延技术在势垒层23上生长整层p型GaN层24’，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在10-200nm；
参见图5c，通过光刻工艺，及选择性刻蚀工艺，使用BCl3/SF6等离子体作为刻蚀气体，当使用BCl3/SF6等离子体刻蚀完p型GaN冒层后,接触到下方AlGaN势垒层时会形成AlF3,而AlF3的挥发性很低，会附着在AlGaN层上起到保护AlGaN不被刻蚀的作用，所以当刻蚀完p型GaN冒层后会自动停下来在两侧形成两个电极窗口。
参见图5d，采用金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺在两个电极窗口上制备所述第一欧姆阳极25和欧姆阴极26。所述第一欧姆阳极25、欧姆阴极26的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金；在两个电极窗口上制备所述第一欧姆阳极25和欧姆阴极26后退火，使第一欧姆阳极25、欧姆阴极26与势垒层形成欧姆金属接触；
参见图5e，再次使用光刻及金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺在第一欧姆阳极25和部分p型GaN层上制备第二欧姆阳极27，第二欧姆阳极27的材料包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合的合金退火，使第二欧姆阳极27与p型GaN冒层24形成欧姆金属接触。
参见图5f，使用选择性刻蚀工艺，刻蚀掉未被金属电极覆盖的p型GaN层区域，形成冒层结构24。
实施案例三
本发明实施例三提供的GaN异质结二极管器件以上述实施例二的GaN异质结二极管器件为基础，与实施例二的不同之处在于，实施例三提供的GaN异质结二极管器件的所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极一次制备，阳极、阴极电极结构均为包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合的合金。在该实施例中，将第一欧姆阳极和第二欧姆阳极统称为欧姆阳极。
图6是本发明实施例三提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图，如图6所示，该GaN异质结二极管器件包括：衬底:30、位于衬底30上的缓冲层31、位于位于缓冲层31上的沟道层32、位于沟道层32上势垒层33、位于势垒层33上的冒层34、一部分位于势垒层33上方，一部分位于冒层34上方的欧姆阳极35和位于冒层34另一侧的欧姆阴极36，所述欧姆阳极35与所述冒层34形成欧姆金属接触。
与实施例二相同，冒层34材料为p型GaN，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在10-200nm。
下面，对本发明实现上述实施例三提供的GaN异质结二极管器件的制作方法做详细说明。
步骤310与实施例二的210相同，在此不再重述，参见图7a；
步骤320、在势垒层33上方制备冒层34、欧姆阳极35和欧姆阴极36；
具体地该步骤包括，参见图7b，利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延技术在势垒层33上生长整层p型GaN层34’，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在10-200nm。
参见图7c，通过光刻工艺，及干法刻蚀工艺或选择性刻蚀法将p型GaN层34’两侧刻蚀出两个电极窗口；
参见图7d，采用离子注入法在刻蚀出的电极窗口区域的势垒层区域上使用离子注入机进行Si离子注入；
注入之后的势垒层会形成n型重掺杂区域，在此重掺杂区域蒸镀金属电极时，由于势垒层掺杂浓度高，金属与势垒层的势垒宽度降低,电子隧穿概率增加，所以势垒层与金属的电阻很低，能形成良好的欧姆接触。
参见图7e，采用金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺同时在势垒层注入区域上方、p型GaN层的部分区域上方制备欧姆阳极35和在另一势垒层注入区域上制备欧姆阴极36。
所述欧姆阳极35、欧姆阴极36的材料均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合的合金。沉积后退火，所述欧姆阳极35、欧姆阴极36与势垒层33为欧姆接触，所述欧姆阳极35与p型GaN层34’冒层也为欧姆接触。
参见图7f，刻蚀掉未被金属电极覆盖的p型GaN层区域，形成冒层结构34。
本发明实施例三为实施例二技术方案的改进，通过Si离子注入电极窗口区域的AlGaN势垒层，并一次性制备欧姆阳极和欧姆阴极，在实现实施例二的有益效果基础上简化了工艺流程。此种工艺也可运用于冒层为p型AlGaN和p型AlGaN与p型GaN形成渐变层的情况。
实施例四
本发明实施例四提供的GaN异质结二极管器件以上述实施例的GaN异质结二极管器件为基础，不同之处在于，实施例四提供的GaN异质结二极管的冒层为p型AlGaN与p型GaN形成的渐变层(自上而下)。当冒层材料为GaN时，在做欧姆金属退火工艺时，由于高温会在冒层与金属界面处产生尖刺，引起表面态影响器件动态特性。实施例四中冒层与阳极电极金属接触的材料为p型AlGaN层，能够避免退火时在冒层和金属界面处形成尖刺，并且靠近势垒层侧的冒层材料为p型GaN，选择刻蚀工艺时仍然可以使用选择性刻蚀法，使冒层刻蚀能够精确的停止在AlGaN势垒层上。
图8为本发明实施例四提供的一种GaN异质结二极管器件的结构示意图。如图8所示，本发明实施例所述GaN异质结二极管器件包括：衬底40、位于衬底40上的缓冲层41、位于缓冲层41上的沟道层42、位于沟道层42上势垒层43、位于势垒层43上的冒层44和冒层45、位于势垒层43上方、冒层44，45两侧的第一欧姆阳极46和欧姆阴极47，位于第一欧姆阳极46和冒层45上的第二欧姆阳极48，所述第二欧姆阳极与所述冒层形成欧姆金属接触。
所述冒层为p型AlGaN与p型GaN形成的渐变层。
步骤410与实施例二的210相同，在此不再重述，参见图9a；
步骤420、在势垒层43上方制备冒层44、45第一欧姆阳极46、第二欧姆阳极48和欧姆阴极47；
具体地，参见图9b，该步骤包括，利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延技术在势垒层43上生长整层p型GaN层44’，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在5-100nm；再继续利用金属有机化合物化学气相沉积或分子束外延在p型GaN层44’上生长整层p型AlGaN层45’，其掺杂杂质为金属镁，厚度范围在5-100nm；
参见图9c，先使用ICP系统和Cl2/N2干法刻蚀将p型AlGaN层45’两侧刻蚀出两个电极窗口，露出p型GaN层44’，再使用BCl3/SF6刻蚀p型GaN层44’,当BCl3/SF6接触到下方AlGaN势垒层43时会形成AlF3,而AlF3的挥发性很低，会附着在AlGaN层上起到保护AlGaN不被刻蚀的作用，所以当刻蚀完p型GaN层44’后会自动停下来在两侧形成两个电极窗口。
参见图9d，采用金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺在两个电极窗口上制备所述第一欧姆阳极46和欧姆阴极47。所述第一欧姆阳极46、欧姆阴极47的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金；在两个电极窗口上制备所述第一欧姆阳极46和欧姆阴极47后退火，使第一欧姆阳极46、欧姆阴极47与势垒层形成欧姆金属接触；
参见图9e，再次使用光刻及金属电子束蒸发工艺或金属溅射工艺在第一欧姆阳极46和部分p型AlGaN层45’上制备第二欧姆阳极48，所述第二欧姆阳极48的材料包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合的合金，并退火，使第二欧姆阳极48与p型AlGaN层45’形成欧姆金属接触。
参见图9f，使用干法刻蚀和选择性刻蚀，刻蚀掉未被金属电极覆盖的p型AlGaN与p型GaN的渐变层区域，形成冒层结构44,45。
本实施例的技术方案，通过选用不同的冒层材料及电极制备工艺，解决了现有技术中在控制正向开启电压与反向漏电之间相互矛盾的问题，实现了二极管同时具有低开启电压，低导通电阻、高反向耐压和高正向导通电流的特性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (11)
1.一种GaN异质结二极管器件，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的缓冲层；
位于所述缓冲层上的沟道层；
位于所述沟道层上的势垒层，所述势垒层与沟道层形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道；
位于所述势垒层上的冒层；
位于所述势垒层上方、所述冒层两侧的第一欧姆阳极和欧姆阴极，所述第一欧姆阳极与所述冒层接触；
位于所述第一欧姆阳极和所述冒层上的第二欧姆阳极，所述第二欧姆阳极与所述冒层形成欧姆金属接触。
2.根据权利要求1所述的GaN异质结二极管器件，其特征在于，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石；所述缓冲层材料包括非掺杂的GaN、AlN或其它III-V族氮化物；所述沟道层材料为非掺杂GaN层；所述势垒层材料为AlGaN或其它III-V族氮化物。
3.根据权利要求1所述的GaN异质结二极管器件，其特征在于，所述冒层材料为p型AlGaN和p型GaN的任意一种或二者形成的渐变层。
4.根据权利要求3所述的GaN异质结二极管器件，其特征在于，所述冒层厚度为10-200nm。
5.根据权利要求4所述的GaN异质结二极管器件，其特征在于，所述第一欧姆阳极、欧姆阴极的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金，所述第二欧姆阳极的材料包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
或者，
所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极的材料均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
6.根据权利要求5所述的GaN异质结二极管器件，其特征在于，所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合时，在要沉积电极的势垒层区域进行Si离子注入，形成n型重掺杂区域。
7.一种GaN异质结二极管器件的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上制备缓冲层；
在所述缓冲层上制备沟道层；
在所述沟道层上制备势垒层，所述势垒层与沟道层形成异质结构，并在异质结界面处形成二维电子气沟道；
在所述势垒层上方制备冒层、第一欧姆阳极、第二欧姆阳极和欧姆阴极，且所述第一欧姆阳极和欧姆阴极位于所述冒层两侧，所述第二欧姆阳极覆盖在所述第一欧姆阳极和所述冒层上，所述第二欧姆阳极与所述冒层欧姆金属接触。
8.根据权利要求7所述的GaN异质结二极管器件的制作方法，其特征在于，在所述势垒层上方制备冒层、第一欧姆阳极、第二欧姆阳极和欧姆阴极，具体包括：
在所述势垒层上制备并刻蚀出冒层结构；
在所述冒层两侧制备第一欧姆阳极和欧姆阴极，以及在所述第一欧姆阳极和所述冒层上制备第二欧姆阳极。
9.根据权利要求8所述的GaN异质结二极管器件的制作方法，其特征在于，所述冒层材料为p型AlGaN和p型GaN的任意一种或二者形成的渐变层，所述冒层厚度为10-200nm。
10.根据权利要求8所述的GaN异质结二极管器件的制作方法，其特征在于，在所述势垒层上方、所述冒层两侧制备第一欧姆阳极和欧姆阴极，并退火，所述第一欧姆阳极、欧姆阴极的材料包括Ti、Al、Au、Ni、Mo、Si、TiN、Ta、W中的任意一种或任意几种组合的合金；在第一欧姆阳极和冒层上制备第二欧姆阳极，并退火，所述第二欧姆阳极的材料包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
或者，
所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极一次制备成型，第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极的材料均包括Ni、Au、Pt、Pd、W、Ag、Cr、ITO中的任意一种或任意几种组合。
11.根据权利要求10所述的GaN异质结二极管器件的制作方法，其特征在于，在一次制备所述第一欧姆阳极、欧姆阴极、第二欧姆阳极之前，在要沉积电极的势垒层区域进行Si离子注入。
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