CN104813479A - 具有部分凹陷阳极的GaN基肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体器件，诸如肖特基二极管，其包括衬底、设置在所述衬底上方的第一有源层和设置在所述第一有源层上的第二有源层。所述第二有源层的带隙比所述第一有源层高，使得在所述第一有源层与所述第二有源层之间产生二维电子气层。第一电极具有设置在所述第二有源层中的凹槽内的第一部分和设置在所述第二有源层上的第二部分，使得与之形成肖特基结。第二电极接触所述第一有源层。所述第二电极与所述第一有源层建立欧姆结。
Description
背景技术
肖特基二极管是通过金属接触半导体层形成的半导体器件。金属与半导体层之间的接合处形成整流结，与完全形成在半导体层中的p-n结二极管相比，其具有得到改善的二极管开关能力。因此，与p-n二极管相比，肖特基二极管具有较低的接通电压和较快速的开关速度。对于开关损耗是能量消耗的主要来源的应用(诸如在开关模式电源(SMPS)中)来说，肖特基二极管是理想之选。
由氮化物基化合物半导体材料制成的电子器件是已知的。此类电子器件也被已知为由III族氮化物基材料形成的III族氮化物半导体器件。氮化物基化合物半导体器件的优势在于具有较宽的带隙和较高的击穿电压特性，这使其适于高电压高温度应用。具体地讲，已经描述了具有高击穿电压和低导通电阻的III-V族氮化镓(GaN)化合物半导体肖特基二极管。可通过使用III族氮化物半导体肖特基势垒二极管来改善开关模式电源的效率。
III族氮化物基半导体器件能够在两种不同III族氮化物(诸如AlGaN和GaN)的异质界面处形成二维电子气来最大化电子迁移率。据信，二维电子气可补偿由III族氮化物晶体结构的非理想性质引起的应变诱生压电极化电荷和自发极化电荷。二维电子气在异质结的能带弯曲区中受到量子限制，在该处较窄带隙III族氮化物(例如，GaN)接合较大带隙III族氮化物(例如，AlGaN)。因此，在类肖特基二极管中，电子将沿着阳极电极与阴极电极之间的受限通道流动。电荷密度由诸如Al组分、AlGaN层厚度和固有晶体极性等异质结构参数确定。在III族氮化物功率器件中，电荷密度将响应于所施加的栅极电压，并且可根据能带隙的变化而被局部移除。因此，III族氮化物功率器件的开关速度可以非常迅速。
图1示出GaN基肖特基二极管的例子。二极管100包括衬底10、形成在衬底上的GaN层30和形成在GaN层30上的AlGaN层40。阳极60和阴极70充当器件的电触点。阳极60形成在AlGaN层40上并且与之建立肖特基界面。阴极70形成在GaN层30上并且与之建立欧姆接触。
肖特基二极管(诸如图1所示的器件)的一个问题是其经常具有高正向电压降。发生这个问题是因为传导电流必须行进穿过由AlGaN层上的肖特基接触建立的相对较大的势垒。例如，由AlxGaN层上的Ni/Au金属形成的肖特基接触的势垒为约1.1eV，而高电压硅基肖特基二极管的势垒为约0.7eV，这导致出现显著较低的正向电压降。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种半导体器件，其包括衬底、设置在衬底上方的第一有源层和设置在第一有源层上的第二有源层。第二有源层的带隙比第一有源层高，使得在第一有源层与第二有源层之间产生二维电子气层。第一电极具有设置在第二有源层中的凹槽中的第一部分和设置在第二有源层上的第二部分，使得与第二有源层形成肖特基结。第二电极接触第一有源层。第二电极与第一有源层建立欧姆结。
根据本发明的另一个方面，提供一种形成半导体器件的方法。该方法包括在衬底上形成第一有源层并且在第一有源层上方形成第二有源层。第二有源层的带隙比第一有源层高，使得在第一有源层与第二有源层之间产生二维电子气层。在第二有源层上形成第一电极，使得与第二有源层形成肖特基结。第一电极具有与二维气体接触的第一部分和设置在第二有源层上的第二部分。在第一有源层上形成第二电极，以与第一有源层形成欧姆结。
附图说明
图1示出GaN基肖特基二极管的例子。
图2示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管和具有完全凹陷阳极的肖特基二极管的正向电流电压(I-V)曲线的模拟。
图3示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管和完全凹陷肖特基二极管的反向I-V曲线的模拟。
图4示出采用部分凹陷阳极的肖特基二极管的一个实施例。
图5示出采用具有以阶梯方式凹陷的构型的部分凹陷阳极的肖特基二极管的可供选择的实施例。
图6示出采用具有“T形”构型的部分凹陷阳极的肖特基二极管的另一个可供选择的实施例。
图7示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管、完全凹陷肖特基二极管和图4所示类型的部分凹陷肖特基二极管的正向I-V曲线的模拟。
图8示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管、完全凹陷肖特基二极管和图4所示类型的部分凹陷肖特基二极管的反向I-V曲线的模拟。
图9是示出用于形成半导体器件的方法的一个例子的流程图。
具体实施方式
已经发现的是，可通过减小由AlGaN层上的肖特基接触建立的相对较大势垒来减小GaN基肖特基二极管的相对较高电压降。这可通过使用凹陷阳极来实现，其中通过移除AlGaN层来直接在GaN层上形成凹陷阳极。以此方式使阳极凹陷，载流子可通过热离子发射从二维通道直接行进到阳极而不行进跨越AlGaN势垒，从而通过减小势垒来增大电流。由于势垒被减小，所以器件的正向电压降被减小。遗憾的是，如下文表明，完全移除AlGaN层还会导致阻断电压降低。
如下文详述，通过使用部分凹陷的肖特基阳极来减小氮化镓基肖特基二极管的正向电压降，同时增大其反向阻断电压。阳极的凹陷部分减小了肖特基接触的势垒，从而减小器件的正向电压降。当向器件施加反向偏压时，阳极的未凹陷部分在其正下方产生电荷耗尽区，从而阻断二维电子气的流动，这改善了器件的反向阻断能力。
图2示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管和具有完全凹陷阳极的肖特基二极管(出于简洁起见，在本文中将称为完全凹陷肖特基二极管)的正向电流电压(I-V)曲线的模拟。在附图的角落中放大了电压起始点。在两种情况下，AlGaN层为25nm厚，其中Al组分为25％，GaN层为0.5微米厚的外延层，并且二维电荷密度在AlGan/GaN界面处为8×10-12cm-2。如图所示，对于完全凹陷肖特基二极管，不仅接通电压减小了约0.1ev，而且导通电阻也被减小。
图3示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管和完全凹陷肖特基二极管的反向I-V曲线的模拟。如图所示，当向器件施加反向偏压时，完全凹陷肖特基二极管相对于常规肖特基二极管来说具有减小的击穿电压和较大的泄漏电流。
概括地说，图2和图3合在一起表明，虽然完全凹陷阳极可有利地减小接通电压，但遗憾的是，由于AlGaN层的厚度的减小，其还减小了器件的击穿电压。
为了克服这个问题，提供一种肖特基二极管，其采用部分凹陷阳极，其中阳极的一部分位于AlGaN层的表面上，并且阳极的另一部分凹陷在AlGaN内并直接暴露到在AlGaN/GaN界面处产生的二维气体。阳极的凹陷部分有利地减小器件的接通电压。另外，在反向偏压下，位于AlGaN层的表面上的阳极的部分将耗尽AlGaN层位于其正下方的部分，从而阻断二维通道并且因此维持增大的击穿电压。
图4示出采用部分凹陷阳极的肖特基二极管200的一个实施例。二极管200可由许多不同材料体系制成。为了易于描述和理解，二极管200被示出为单个器件，但二极管通常在晶圆级制作并且接着分成单独器件。在一些情况下，可从单个晶圆级工艺制作数以千计的器件。
使用III族氮化物基材料体系制作二极管200。III族氮化物包括在氮与元素周期表的III族中的元素(通常是铝(Al)、镓(Ga)和铟(In))之间形成的半导体化合物。这个群组还包括三元和三级化合物，诸如AlGaN和AlInGaN。为了进行示意性的说明，下文所述的二极管由GaN和AlGaN形成，但也可采用其他III族氮化物。
二极管200包括衬底210，其可由各种材料(诸如蓝宝石、硅或碳化硅)形成。各种制作技术可采用一层或多层材料来设置在衬底210与第一有源层230之间。例如，在一些情况下，缓冲层220可形成在衬底210上。缓冲层220可由GaN、AlGaN或氮化铝(AlN)形成，并且提供从非GaN衬底到GaN基有源结构的界面。缓冲层220可减小有源器件层中的缺陷密度。缓冲层220可被视为衬底210的一部分，由此形成在缓冲层220上的剩余层可被视为结构的器件层。在图4的例子中，第一有源层230由氮化镓(GaN)构成。在其他例子中，包含来自元素周期表的III族的其他元素的氮化物的不同半导体材料可构成第一有源层230。
图4的例子中的第二有源层240由氮化铝镓(AlGaN)构成。在其他例子中，诸如氮化铝铟(AlInN)和氮化铝铟镓(AlInGaN)的不同族III氮化物半导体材料可构成第二有源层240。第二有源层240的材料可为非化学计量化合物。在此类材料中，元素的比率不易于以普通整数表示。例如，第二有源层240可为诸如AlXGa1-XN(其中0<X<1)的III族氮化物半导体材料的非化学计量化合物。
随着电荷由于材料之间的带隙差而从第二有源层240转移到第一有源层230，在第一有源层230中在第一有源层230与第二有源层240之间的界面处形成高电荷高迁移率电子的平坦区。电子电荷区有时被称为二维电子气250，因为被限制在由III族氮化物异质结构的极化效应引起的量子阱中的电子能够自由地在两个维度中移动，但在第三维度中被严格限制。
跨越第二有源层240转移到第一有源层230以形成电子气250的电荷量，取决于第二有源层240的厚度和材料浓度(例如，Al百分比组分)，其最初决定电子气250中的电子量。在一个实施例中，第二有源层240由厚度在约0.01微米至0.04微米的范围内的AlGaN层形成。GaN层可为掺杂n型，其中n型掺杂物可均匀地掺入在第一有源层230内或仅掺入在该层的一部分内。例如，GaN层中的n型掺杂物杂质可为硅。
电极设置在器件上并且建立通往有源层的电连接。具体地讲，阴极270形成在第一有源层230上并且与之建立欧姆结。阴极270可由任何合适的金属形成。
阳极260接触第二有源层240并且与之建立肖特基结。阳极260可由用于建立肖特基结的任何合适材料(诸如金属或金属镓化物)形成。合适的金属可包括镍(Ni)、铂(Pt)、钛(Ti)和金(Au)。
如图所示，阳极260包括位于第一有源层230上的一部分2601和位于第二有源层240内或第二有源层240上的另一部分2602。在凹陷阳极部分2601下方完全移除AlGaN层，使得凹陷阳极部分2601直接接触二维电子气。因此，载流子可通过热离子发射以及通过隧穿来行进穿过低得多的势垒。因此，电流密度可显著增大。此外，由于减小了势垒，所以器件的正向电压降也减小了。
如图4所示，凹陷阳极部分2601在AlGaN层内的位置的蚀刻深度在整个凹陷部分2601上可为恒定的。或者，在一些情况下，凹陷部分2601的不同段可在AlGaN层内位于不同深度处。例如，如图5所示，阳极260的凹陷部分2601可具有阶梯式构型，其中不同段在AlGaN层240内位于递增深度处(在起始于阴极并且朝向阳极移动的方向上观察时)。在图4和图5以及随后附图中，类似的元件由类似的参考标号表示。模拟已经示出，图5的阳极配置可抑制泄漏电流并且减小接通电压。
图6示出部分凹陷阳极260的另一个示例性构型。在这个例子中，部分凹陷阳极具有“T形”构型，其中阳极260的凹陷部分2601位于阳极260的两个表面部分2602与2603之间。模拟已经表明，这个构型还可有利地减小器件的泄漏电流。
在一些实施例中，由阳极260的凹陷部分2601和非凹陷部分2602占据的表面区域(即，表面与衬底在其内延伸的平面平行的区域)是彼此大致相等的。在其他实施例中，这些表面区域可彼此不同。例如，在一些实施例中，使凹陷部分2601的表面区域小于非凹陷部分2602的表面区域可能是有利的。此类构型可在一些情况下减小泄漏电流。一般来讲，不同阳极部分的相对尺寸将取决于特定器件特性和将采用该器件的应用。图7示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管、完全凹陷肖特基二极管和图4所示类型的部分凹陷肖特基二极管的正向I-V曲线的模拟。虽然在较高偏压下，常规肖特基二极管和部分凹陷肖特基二极管的正向电流曲线几乎彼此合并，但部分凹陷肖特基二极管和完全凹陷肖特基二极管的接通电压的起始电压几乎相同并且比常规器件低得多。
部分凹陷二极管的这个行为可被如下解释。在较低偏压下，电流传导机制由接触二维电子气的凹陷阳极部分2601支配。在较高偏压值下，大多数电子可横越AlGaN/GaN界面，并且势垒变得较大。
图8示出常规AlGaN/GaN肖特基二极管、完全凹陷肖特基二极管和图4所示类型的部分凹陷肖特基二极管的反向I-V曲线的模拟。如图所示，部分凹陷二极管的击穿电压显著高于常规二极管和完全凹陷二极管两者。此外，部分凹陷二极管的泄漏电流在低偏压值下减小。
本文所述的GaN基肖特基二极管可使用外延生长工艺来制作。例如，可使用反应溅射工艺，其中在靶和衬底两者处于包含氮气和一种或多种掺杂物的气态大气环境中时从设置在紧邻衬底处的金属靶去除半导体的金属组分(诸如镓、铝和/或铟)。或者，可采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)，其中在将衬底维持处于高温下(通常在700℃至1100℃)左右时，将衬底暴露到包含金属的有机化合物的大气环境以及反应性含氮气体(诸如氨气)和含掺杂剂气体。气态化合物分解并在衬底的表面上以结晶材料膜的形式形成掺杂半导体。接着冷却衬底和所生长的膜。作为另一种替代方式，可使用其他外延生长方法，诸如分子束外延(MBE)或原子层外延。可采用的另外额外技术包括但不限于流动调制有机金属蒸汽相外延(FM-OMVPE)、有机金属蒸汽相外延(OMVPE)、氢化物蒸汽相外延(HVPE)和物理气相沉积(PVD)。
可使用如半导体制作领域中已知的标准金属化技术形成部分凹陷阳极。可用于形成肖特基结的示例性金属包括(以举例的方式)Nb、Ti、Cr、W、Mo、Ag、Cu、Co、Au、Pd、Ni和Pt。具有不同功函数的肖特基金属产生不同势垒。第二有源层(例如，AlGaN层)中的凹槽(阳极的凹陷部分位于其中)可使用熟知的蚀刻工艺(诸如反应性离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体(ICP)或电子回旋共振(ECR)等离子体蚀刻)来形成。
图9是示出用于形成半导体器件的方法的一个例子的流程图。该方法包括在框310处在衬底上形成第一有源层。在框320处在第一有源层上方形成第二有源层。第二有源层的带隙比第一有源层高，使得在第一有源层与第二有源层之间产生二维电子气层。在框330处，在第二有源层上形成第一电极，使得与第二有源层形成肖特基结。第一电极具有与二维气体接触的第一部分。在框340处，通过第一有源层上的直接金属沉积或通过第二有源层上的金属沉积加上合金化工艺以达到第一有源层，从而在第一有源层上形成第二电极，以与第一有源层建立欧姆结。
以上例子和公开内容旨在提供示例，而非详尽列举。这些例子和描述内容向本领域的普通技术人员提出许多变型和替代方式。所有这些替代方式和变型旨在包括在所附权利要求书的范围内。熟悉本领域的人员可认识到存在本文所述的具体实施例的其他等效形式，这些等效形式也旨在由所附的权利要求书涵盖。
Claims (20)
1.一种半导体器件，包括：
衬底；
第一有源层，所述第一有源层设置在所述衬底上方；
第二有源层，所述第二有源层设置在所述第一有源层上，所述第二有源层的带隙比所述第一有源层高，使得在所述第一有源层与所述第二有源层之间产生二维电子气层；
第一电极，所述第一电极具有设置在所述第二有源层中的凹槽中的第一部分和设置在所述第二有源层上的第二部分，使得与所述第二有源层形成肖特基结；以及
第二电极，所述第二电极与所述第一有源层接触，所述第二电极与所述第一有源层建立欧姆结。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一电极的第一部分接触所述二维电子气。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一电极的第一部分包括多个段，所述多个段各自位于所述第二有源层中的所述凹槽内的不同深度处。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述多个段以阶梯方式位于不同深度处。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中设置在所述第二有源层上的所述第一电极的第二部分包括第一段和第二段，使得所述第一电极的第一部分设置在所述第一电极的第一段与第二段之间。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一电极的第一部分具有与所述衬底在其内延伸的平面平行的表面区域，所述表面区域小于所述第一电极的第二部分的表面区域，所述第一电极的第二部分的所述表面区域平行于所述衬底延伸所在的平面。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一有源层包含III族氮化物半导体材料。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第一有源层包含GaN。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第二有源层包含III族氮化物半导体材料。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述第二有源层包含AlXGa1-XN，其中0<X<1。
11.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述第二有源层选自AlGaN、AlInN和AlInGaN构成的组。
12.一种形成半导体器件的方法，包括：
在衬底上形成第一有源层；
在所述第一有源层上方形成第二有源层，所述第二有源层的带隙比所述第一有源层高，使得在所述第一有源层与所述第二有源层之间产生二维电子气层；
在所述第二有源层上形成第一电极，使得与所述第二有源层形成肖特基结，所述第一电极具有与所述二维气体接触的第一部分和设置在所述第二有源层上的第二部分；以及
在所述第一有源层上形成第二电极，以与所述第一有源层形成欧姆结。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一电极的第一部分包括多个段，所述多个段各自位于所述第二有源层中的所述凹槽内的不同深度处。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个段以阶梯方式位于不同深度处。
15.根据权利要求12所述的方法，其中设置在所述第二有源层上的所述第一电极的第二部分包括第一段和第二段，使得所述第一电极的第一部分设置在所述第一电极的第一段与第二段之间。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一电极的第一部分具有与所述衬底在其内延伸的平面平行的表面区域，所述表面区域小于所述第一电极的第二部分的表面区域，所述第一电极的第二部分的所述表面区域平行于所述衬底延伸所在的平面。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一有源层包含III族氮化物半导体材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一有源层包含GaN。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二有源层包含III族氮化物半导体材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二有源层包含AlXGa1-XN，其中0<X<1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |