CN106158624A - 肖特基二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肖特基二极管的制备方法，包括步骤：A、依次生长重掺杂层和轻掺杂层，形成GaN自支撑衬底，其中，重掺杂层和轻掺杂层的GaN掺杂浓度和厚度分别为1×1018～1×1019cm-3、100～1000μm和1×1014～1×1017cm-3、2～200μm；B、在轻掺杂层上和重掺杂层下分别生长肖特基电极层和欧姆电极层；C、以肖特基电极层为掩膜，通过离子注入方式在轻掺杂层中、围绕肖特基电极层边缘处形成电阻率为1×106～1×1010Ω·cm的高阻层。本发明还公开了制备得到的肖特基二极管。该制备方法过程中采用了有效的结终端保护技术，提高了器件耐压值。
Description
技术领域
本发明半导体制造技术领域，具体地讲，涉及一种肖特基二极管及其制备方法。
背景技术
肖特基二极管是利用金属跟半导体接触形成肖特基结而制成的一种半导体器件，其具有金属-半导体整流特性，相比于pn结二极管，肖特基二极管为单极器件，不存在少子储存效应，因此具有开关速度快、开关功率损耗小的优点，是高频大功率场合使用所需的好器件。
氮化镓(GaN)半导体材料具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及化学稳定性良好等优点，非常适合制备高温、高压和大功率器件。
长期以来，由于没有理想的衬底，GaN材料都是在蓝宝石等异质衬底上外延得到的，由于晶格失配较大，使得GaN材料中存在着高密度的扩展缺陷(密度约为108cm-2～109cm-2)，主要是横穿异质界面的贯穿位错，同时在异质界面附近存在驰豫位错，晶体质量不高也影响了器件的最终性能表现。目前，大多数GaN基肖特基二极管以电极横向排列的横型构造为主，这种构造的器件在工作时会产生非均匀分布的电流，因而较难提升器件的耐压性能，不能充分发挥出GaN材料本身的优势。要想获得具有高耐压值以及低导通电阻的大功率GaN基肖特基二极管，最好采用高质量的GaN单晶材料作为衬底来制备，这样不仅可以提高器件的集成度，而且由于GaN材料的热传导系数高，很利于在大功率方面的应用，此外采用GaN衬底可以显著降低外延层中的位错密度，提高晶体质量，提高器件性能；然而长期以来，生长高质量大尺寸的GaN单晶都比较困难，GaN衬底的价格也一直非常昂贵，这也制约了GaN基垂直结构肖特基二极管的发展，与其相关的研究报道相对较少。近年来，随着许多世界大公司在GaN衬底技术方面投入了巨大的人力和物力进行研究，高质量的GaN衬底制备技术得到了迅速发展，GaN衬底的价格开始逐渐降低，许多公司目前都已经可以提供商业化的GaN衬底，这使得大量研制垂直结构的GaN基肖特基二极管成为可能。此外，提高垂直结构的GaN基肖特基二极管的耐压特性，还需要采用有效的结终端技术以减小表面和结边缘的电场，提高器件的击穿电压。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种肖特基二极管及其制备方法，该肖特基二极管具有垂直结构，且采用了有效的结终端保护技术，以提高肖特基二极管器件的耐压值。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种肖特基二极管的制备方法，包括步骤：A、依次生长GaN掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3、厚度为100μm～1000μm的重掺杂层和GaN掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3、厚度为2μm～200μm的轻掺杂层，形成GaN自支撑衬底；B、在所述轻掺杂层上和所述重掺杂层下分别生长肖特基电极层和欧姆电极层；C、以所述肖特基电极层为掩膜，通过离子注入方式在所述轻掺杂层中、围绕所述肖特基电极层边缘处形成电阻率为1×106Ω·cm～1×1010Ω·cm的高阻层。
进一步地，在所述步骤C中，所述高阻层中的注入离子选自Ar+、B+、Si+、F-、N+、O+、He+中的任意一种，注入剂量为5×1014cm-2～1×1017cm-2，注入能量为50keV～200keV。
进一步地，所述重掺杂层通过氢化物气相外延法或氨热生长法形成，所述轻掺杂层通过氢化物气相外延法或金属有机化学气相沉积法形成。
进一步地，在所述步骤B中，所述肖特基电极层的材料选自金属Ni、Pt、Au、Pd、Co、Cr、Cu、Ag、Al、W或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm；所述欧姆电极层的材料选自金属Al、Ti、Mo、Ni、Au、Pt、Ta、Pd、W、Cr或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm。
进一步地，所述肖特基电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成，所述欧姆电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成。
本发明的另一目的还在于提供了一种肖特基二极管，包括：GaN自支撑衬底，包括由下至上叠层设置的重掺杂层和轻掺杂层，其中，所述重掺杂层的GaN掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为100μm～1000μm；所述轻掺杂层的GaN掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3，厚度为2μm～200μm；肖特基电极层，设置于所述轻掺杂层上方；欧姆电极层，设置于所述重掺杂层下方；高阻层，围绕所述肖特基电极层边缘且设置于所述轻掺杂层之中，其中，所述高阻层的电阻率为1×106Ω·cm～1×1010Ω·cm；其中，所述高阻层以所述肖特基电极层为掩膜并通过离子注入的方式注入Ar+、B+、Si+、F-、N+、O+、He+中的任意一种离子而形成。
进一步地，所述高阻层中的离子注入剂量为5×1014cm-2～1×1017cm-2，注入能量为50keV～200keV。
进一步地，所述肖特基电极层的材料选自金属Ni、Pt、Au、Pd、Co、Cr、Cu、Ag、Al、W或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm；所述欧姆电极层的材料选自金属Al、Ti、Mo、Ni、Au、Pt、Ta、Pd、W、Cr或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm。
进一步地，所述重掺杂层通过氢化物气相外延法或氨热生长法形成，所述轻掺杂层通过氢化物气相外延法或金属有机化学气相沉积法形成，所述肖特基电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成，所述欧姆电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成。
本发明采用GaN自支撑衬底制备出具有垂直结构的肖特基二极管，然后采用离子注入的方式在肖特基电极边缘形成具有半绝缘性能的高阻层，可有效减弱肖特基结边缘的电场弯曲，降低结边缘的电场强度，从而提高该肖特基二极管器件的击穿电压。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的肖特基二极管的制备方法的步骤流程图；
图2是根据本发明的实施例的肖特基二极管的剖面图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
图1是根据本发明的实施例的肖特基二极管的制备方法的步骤流程图。
参照图1，根据本发明的实施例的肖特基二极管的制备方法包括如下步骤：
在步骤110中，依次生长GaN掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3、厚度为100μm～1000μm的重掺杂层11和GaN掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3、厚度为2μm～200μm的轻掺杂层12，形成GaN自支撑衬底10。
重掺杂层11可通过氢化物气相外延法或氨热生长法形成，而轻掺杂层12可通过氢化物气相外延法或金属有机化学气相沉积法形成。采用上述方法生长形成重掺杂层11和轻掺杂层12均属本领域惯用手段，这里不再赘述。
在步骤120中，在轻掺杂层12上和重掺杂层11下分别生长肖特基电极层20和欧姆电极层30。
具体地，肖特基电极层20的材料可选自Ni、Pt、Au、Pd、Co、Cr、Cu、Ag、Al、W等金属或其合金(如Ni/Au合金等)，而欧姆电极层30的材料可选自Al、Ti、Mo、Ni、Au、Pt、Ta、Pd、W、Cr等金属或其合金(如Ti/Al/Ni/Au多层合金等)，二者的厚度均控制在200nm～1000nm即可；同时，二者均可采用电子束蒸发法或磁控溅射法形成。在肖特基二极管的一般制备过程中，肖特基电极层20以及欧姆电极层30等的制备材料、制备方法以及厚度等参数均为本领域常规操作，这里不再赘述。
在步骤130中，以肖特基电极层20为掩膜，通过离子注入方式在轻掺杂层12中、围绕肖特基电极层20边缘处形成电阻率为1×106Ω·cm～1×1010Ω·cm的高阻层40。
在本实施例中，在高阻层40中注入的离子为Ar+，其注入剂量为1×1016cm-2，注入能量为50keV。但本发明并不限制于此，在高阻层40中注入的离子还可以是B+、Si+、F-、N+、O+、He+等或其他具有类似性能的离子，且注入剂量控制在5×1014cm-2～1×1017cm-2，注入能量控制在50keV～200keV的范围之内即可。
值得说明的是，通过离子注入在轻掺杂GaN层12内形成具有半绝缘性能的高阻层40，在该操作的过程中，通过注入高能离子Ar+可将轻掺杂GaN层12的晶格破坏掉，从而形成导电率极低、半绝缘的高阻层40，该高阻层40可减弱肖特基结边缘的电场弯曲，以提高制备得到的肖特基二极管器件的耐压值。
如此经上述步骤110-130制备得到了GaN基肖特基二极管，该肖特基二极管的制备采用首先实现肖特基电极的制备、然后利用肖特基电极自身作为掩膜进行离子注入的方式进行制备。
在现有的肖特基二极管的制备过程中，首先采用离子注入的方式在轻掺杂GaN层表面上制备图形化的多个间隔的重度离子掺杂区，然后在该掺杂区上方制备肖特基电极，也就是说，该种制备方法在肖特基电极制备之前就先制备高阻层，而在此过程中，必要时还需进行退火处理。如此，该制备方法即至少存在如下弊端：图形化的重度离子掺杂区和肖特基电极区的空间对准问题，否则若重度离子掺杂区不在肖特基电极区的边缘或内部就无法提高器件的耐压值。而若想克服上述弊端，一般需要采用套刻等复杂的光刻步骤来实现精确的对准。
与上述现有技术相比，本发明采用首先制备肖特基电极20，然后以其自身为掩膜，再通过离子注入的方式制备具有半绝缘性能的高阻层40，显而易见的是，通过这种自对准的方式来完成离子注入更具有凸出的技术效果。该制备方法既可以保证高阻层40精确地位于肖特基电极层20的边缘，又避免了进行套刻对准等复杂的工艺步骤，工艺简单且成品率高；另外，肖特基电极层20的存在可以阻止离子注入对肖特基电极层20与轻掺杂层12界面处的肖特基结的损伤，对肖特基二极管器件的正常性能不会产生影响。
经上述步骤110-130制备得到的肖特基二极管的结构示意图如图2所示。参照图2，根据本发明的实施例的肖特基二极管包括：由叠层设置的重掺杂层11和轻掺杂层12组成的GaN自支撑衬底10、生长于轻掺杂层12上方的肖特基电极层20、生长于重掺杂层11下方的欧姆电极层30、及围绕肖特基电极层20边缘且设置于轻掺杂层12之中的高阻层40；其中，重掺杂层11中GaN掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3、厚度为100μm～1000μm，轻掺杂层12中GaN掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3、厚度为2μm～200μm，高阻层40的电阻率为1×106Ω·cm～1×1010Ω·cm；关键的是，高阻层40是通过以肖特基电极层20为掩膜并采用离子注入的方式注入Ar+、B+、Si+、F-、N+、O+、He+等离子而形成的。
也就是说，根据本发明的肖特基二极管包括自下而上叠层设置的欧姆电极层30、重掺杂层11、轻掺杂层12、肖特基电极层20，以及通过离子注入形成于轻掺杂层12之中且围绕肖特基电极层20边缘的高阻层40。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (9)
1.一种肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括步骤：
A、依次生长GaN掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3、厚度为100μm～1000μm的重掺杂层和GaN掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3、厚度为2μm～200μm的轻掺杂层，形成GaN自支撑衬底；
B、在所述轻掺杂层上和所述重掺杂层下分别生长肖特基电极层和欧姆电极层；
C、以所述肖特基电极层为掩膜，通过离子注入方式在所述轻掺杂层中、围绕所述肖特基电极层边缘处形成电阻率为1×106Ω.cm～1×1010Ω.cm的高阻层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤C中，所述高阻层中的注入离子选自Ar+、B+、Si+、F-、N+、O+、He+中的任意一种，注入剂量为5×1014cm-2～1×1017cm-2，注入能量为50keV～200keV。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤A中，所述重掺杂层通过氢化物气相外延法或氨热生长法形成，所述轻掺杂层通过氢化物气相外延法或金属有机化学气相沉积法形成。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤B中，所述肖特基电极层的材料选自金属Ni、Pt、Au、Pd、Co、Cr、Cu、Ag、Al、W或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm；所述欧姆电极层的材料选自金属Al、Ti、Mo、Ni、Au、Pt、Ta、Pd、W、Cr或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述肖特基电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成，所述欧姆电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成。
6.一种肖特基二极管，其特征在于，包括：
GaN自支撑衬底，包括由下至上叠层设置的重掺杂层和轻掺杂层，其中，所述重掺杂层的GaN掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为100μm～1000μm；所述轻掺杂层的GaN掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3，厚度为2μm～200μm；
肖特基电极层，设置于所述轻掺杂层上方；
欧姆电极层，设置于所述重掺杂层下方；
高阻层，围绕所述肖特基电极层边缘且设置于所述轻掺杂层之中，其中，所述高阻层的电阻率为1×106Ω.cm～1×1010Ω.cm；
其中，所述高阻层以所述肖特基电极层为掩膜并通过离子注入的方式注入Ar+、B+、Si+、F-、N+、O+、He+中的任意一种离子而形成。
7.根据权利要求6所述的肖特基二极管，其特征在于，所述高阻层中的离子注入剂量为5×1014cm-2～1×1017cm-2，注入能量为50keV～200keV。
8.根据权利要求6或7所述的肖特基二极管，其特征在于，所述肖特基电极层的材料选自金属Ni、Pt、Au、Pd、Co、Cr、Cu、Ag、Al、W或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm；所述欧姆电极层的材料选自金属Al、Ti、Mo、Ni、Au、Pt、Ta、Pd、W、Cr或其合金中的任意一种，厚度为200nm～1000nm。
9.根据权利要求6所述的肖特基二极管，其特征在于，所述重掺杂层通过氢化物气相外延法或氨热生长法形成，所述轻掺杂层通过氢化物气相外延法或金属有机化学气相沉积法形成，所述肖特基电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成，所述欧姆电极层通过电子束蒸发法或磁控溅射法形成。
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