CN108231911A - 基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管及其制作方法，主要解决现有技术不能达到预期击穿电压的问题。其自下而上包括：阴极(1)、n型GaN衬底(2)、n型GaN漂移层(3)、n型AlxGaN结构层(4)、p型AlyGaN结构层(5)、多个p型GaN结构层(6)以及阳极(7)，其中n型AlxGaN结构层的Al组分x从0～0.1渐变，掺杂浓度为2～10×1016cm‑3，p型AlyGaN结构层的Al组分y从0.1～0渐变，掺杂浓度为2×1016cm‑3～2×1018cm‑3。本发明减少了量子隧穿效应，提高了器件的击穿电压，且制作该器件的工艺重复性和可控性高，可用于功率器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及及一种GaN基二极管器件结构及制作方法，可用于功率器件。
背景技术
功率电子器件广泛用在各种应用中，在功率整流和功率开关领域起关键作用。而GaN基功率器件以其开关速度快，工作温度高，击穿电压大，以及开态电阻小的优点而广受关注。GaN自身特殊的材料特性，比如大禁带宽度，高击穿场强，高饱和速度，和高电子气密度造就了GaN基功率器件的优越性能。现今，尽管GaN基高电子迁移率晶体管已经取得了突破性进展，但是在本领域中对改进的电子系统和操作其的方法仍存在需求。
相比于平面结构的GaN基功率器件，垂直结构的GaN基功率器件有着显著的优势：不需要通过牺牲芯片面积来获得较高的反向击穿电压，并且由于电场峰值远离器件表面，器件有很好的可靠性以及优良的稳定性。现有GaN基二极管包括PIN二极管，SBD肖特基二极管和JBS二极管。其中：
GaN基PIN二极管的剖面结构如图1所示，该PIN二极管的特点在于电子和空穴同时参与导电，其击穿电压高，反向泄漏电流小，但是开启电压较大。
GaN基SBD肖特基二极管的剖面结构如图2所示。该SBD肖特基二极管由于只有一种载流子参与导电，反向恢复时间短，其导通电阻小，开启电压小，但是泄漏电流较大，且击穿电压小。
GaN基JBS二极管结合了这两种二极管的优势，剖面结构如图3所示，该二极管虽说在能够承受更高的反向电压的同时拥有更快的反向恢复速度和更小的反向漏电，但是无法完全发挥其优势，不能达到预期的高击穿电压。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的问题，提供一种基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管及其制备方法，以最大限度的提高器件的击穿电压。
为实现上述目的，本发明的GaN基JBS二极管，自下而上包括阴极、n型GaN衬底、n型GaN漂移层、多个p型GaN结构层和阳极，其特征在于：
n型GaN漂移层与多个p型GaN结构层之间依次增设有n型渐变Al组分的AlxGaN结构层和多个凸起状p型渐变Al组分的AlyGaN结构层；
阳极的底部深入到n型AlxGaN结构层，与该n型AlxGaN结构层的表面形成肖特基接触。
作为优选，n型AlxGaN结构层中的Al组分x从0～0.1渐变，掺杂浓度为2～10×1016cm-3，厚度为0.1～0.5μm。
作为优选，凸起状p型AlyGaN结构层中的Al组分x从0.1～0渐变，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，厚度为0.1～0.5μm，且以0.1～2μm的固定距离间隔分布于n型渐变Al组分的AlxGaN层上。
作为优选，阴极位于n型GaN衬底的背面，且与n型GaN衬底形成欧姆接触。
作为优选，n型GaN衬底的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200～400μm。
作为优选，n型GaN漂移层的掺杂浓度为2～10×1016cm-3，厚度为3～8μm。
作为优选，多个p型GaN结构层的掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，厚度为0.1～0.5μm，且叠加在p型渐变Al组分的AlyGaN结构层上。
作为优选，阳极以方波的形式位于n型渐变Al组分的AlxGaN结构层和多个p型GaN结构层上，且上部与n型渐变Al组分的AlxGaN结构层之间形成肖特基接触，下部与多个p型GaN结构层之间形成欧姆接触。
为实现上述目的，本发明制作基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管的方法，包括如下步骤：
1)对厚度为200～400μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底；
2)在n型GaN衬底表面利用MOCVD设备外延生长GaN漂移层，得到厚度为3～8μm，掺杂浓度为2～10×1016cm-3的Si掺杂n型GaN漂移层；
3)在n型GaN漂移层上利用MOCVD设备外延生长AlxGaN结构层，得到厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为2～10×1016cm-3，Al组分x从0～0.1渐变的Si掺杂n型AlxGaN结构层；
4)在n型渐变Al组分的AlxGaN结构层上利用MOCVD设备外延AlyGaN结构层，得到厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，Al组分y从0.1～0渐变的Mg掺杂p型渐变Al组分的AlyGaN结构层；
5)在p型渐变Al组分的AlyGaN结构层上利用MOCVD设备外延GaN结构层，得到厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1019cm-3的p型GaN结构层；
6)使用ICP Cl基刻蚀的方法刻蚀p型GaN结构层和p型渐变Al组分的AlyGaN结构层，形成多个p型GaN结构层和多个凸起状p型渐变Al组分的AlyGaN结构层；
7)在多个p型结构层和n型AlxGaN结构层上，沉积金属Ni/Au，形成方波形式的阳极，该方波的上部与p型结构层之间形成欧姆接触，该方波的下部与n型渐变Al组分的AlxGaN结构层之间形成肖特基接触；
8)在n型GaN衬底背面沉积欧金属Ti/Al/Ni/Au，该Ti/Al/Ni/Au与n型GaN衬底之间形成欧姆接触，制作欧姆电极，即阴极；
本发明具有如下优点：
1.本发明在n型GaN漂移层与多个p型GaN结构层之间依次增设有n型渐变Al组分的AlxGaN结构层和多个凸起状p型渐变Al组分的AlyGaN结构层，由于n型AlxGaN结构层和p型AlyGaN结构层的禁带宽度相对GaN更大，提高了击穿电压；同时由于采用渐变Al组分的n型AlxGaN结构层和p型AlyGaN结构层，减少了量子隧穿效应，且材料质量更高，进一步提高了器件的击穿电压。
2.本发明的工艺简单，可重复性高，可控性好。
附图说明
图1是现有GaN基PIN二极管剖面结构示意图；
图2是现有GaN基SBD肖特基二极管剖面结构示意图；
图3是现有GaN基JBS二极管的剖面结构示意图；
图4是本发明器件的剖面结构示意图；
图5是本发明器件的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参照图4，本发明基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管，包括阴极1，n型GaN衬底2，n型GaN漂移层3，n型渐变Al组分的AlxGaN结构层4，多个凸起状p型渐变Al组分的AlyGaN结构层5，多个p型GaN结构层6和阳极7。其中：
所述n型GaN衬底2，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200～400μm。
所述阴极1，位于n型GaN衬底2的背面，其采用Ni/Au金属，且与n型GaN衬底形成欧姆接触。
所述n型GaN漂移层3，位于n型GaN衬底2之上，掺杂浓度为2～10×1016cm-3，厚度为3～8μm。
所述n型渐变Al组分的AlxGaN结构层4位于n型GaN漂移层3之上，Al组分x从0～0.1渐变，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，厚度为0.1～0.5μm。
所述多个凸起状p型AlyGaN结构层5，位于n型渐变Al组分的AlxGaN结构层4之上，Al组分x从0.1～0渐变，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，厚度为0.1～0.5μm。
所述p型GaN结构层6，叠加于多个凸起状p型AlyGaN结构层5之上，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1019cm-3，厚度为0.1～0.5μm。
所述阳极7，以方波形式位于n型AlxGaN结构层4和p型GaN结构层之上，方波上部与n型AlxGaN结构层4之间形成肖特基接触，方波下部与p型GaN结构层6之间形成欧姆接触。
参照图5，为实现上述目的，本发明制作基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管的方法，给出如下三种实施例：
实施例1，制作p型渐变Al组分AlyGaN结构层和n型渐变Al组分AlxGaN结构层，其厚度均为0.1μm的GaN基JBS二极管。
步骤1：对GaN衬底材料进行掺杂，如图5(a)所示。
对厚度为200μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，设置SiH4的流量为5000sccm，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底。
步骤2：生长GaN漂移层，如图5(b)所示。
在n型GaN衬底表面利用MOCVD设备外延生长GaN漂移层，掺杂源为SiH4，设置SiH4的流量为50sccm，时间为210min，得到厚度为3μm，掺杂浓度为2×1016cm-3的Si掺杂n型GaN漂移层。
步骤3：生长n型AlxGaN结构层，如图5(c)所示。
在n型GaN漂移层上利用MOCVD设备外延生长AlxGaN结构层，掺杂源为SiH4，设置SiH4的流量为50sccm，时间为7min，得到厚度为0.1μm，掺杂浓度为2×1016cm-3，Al组分x从0～0.1渐变的Si掺杂n型AlxGaN结构层。
步骤4：生长p型AlyGaN结构层，如图5(d)所示。
在n型AlxGaN结构层上利用MOCVD设备外延AlyGaN结构层，掺杂源为Cp2Mg，得到厚度为0.1μm，掺杂浓度为2×1016cm-3，Al组分x从0.1～0渐变的Mg掺杂p型AlyGaN结构层。
步骤5：生长p型GaN结构层，如图5(e)所示。
在p型AlyGaN结构层上利用MOCVD设备外延GaN结构层，掺杂源为Cp2Mg，得到厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×1018cm-3的p型GaN结构层。
步骤6：刻蚀p型AlyGaN结构层和p型GaN结构层，如图5(f)所示。
使用ICP Cl基刻蚀的方法刻蚀p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层，形成多个p型GaN结构层和多个凸起状的p型AlyGaN结构层，刻蚀厚度为p型GaN结构层厚度和p型AlyGaN结构层厚度之和，刻蚀宽度为0.1μm，并且p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层均以0.1μm的等间隔分布。
步骤7：沉积金属，形成阳极，如图5(g)所示。
在器件顶部利用电子束蒸发的方法沉积厚度分别为45nm和200nm的Ni/Au金属，形成阳极，其以方波形式位于n型AlxGaN结构层和p型GaN结构层之上，该方波上部与n型AlxGaN结构层之间形成肖特基接触，该方波下部与p型GaN结构层之间形成欧姆接触。
步骤8：沉积金属，形成阴极，如图5(h)所示。
在n型GaN衬底背面利用电子束蒸发的方法沉积厚度分别为20nm、140nm、55nm和45nm的欧姆接触Ti/Al/Ni/Au金属，该Ti/Al/Ni/Au与n型GaN衬底之间形成欧姆接触，制作阴极，完成整个器件的制备。
实施例2，制作p型渐变Al组分AlyGaN结构层和n型渐变Al组分AlxGaN结构层，其厚度均为0.3μm的GaN基JBS二极管。
步骤一：对厚度为300μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底，掺杂的流量与实施例1的步骤1相同，如图5(a)所示。
步骤二：生长GaN漂移层，如图5(b)所示。
在n型GaN衬底表面利用MOCVD设备外延生长GaN漂移层，掺杂源为SiH4，设置SiH4的流量为150sccm，时间为420min，得到厚度为6μm，掺杂浓度为6×1016cm-3的Si掺杂n型GaN漂移层。
步骤三：生长n型AlxGaN结构层，如图5(c)所示。
在n型GaN漂移层上利用MOCVD设备外延生长AlxGaN结构层，掺杂源为SiH4，设置SiH4的流量为500sccm，时间为21min，得到厚度为0.3μm，掺杂浓度为2×1017cm-3，Al组分x从0～0.1渐变的Si掺杂n型AlxGaN结构层。
步骤四：生长p型AlyGaN结构层，如图5(d)所示。
在n型AlxGaN结构层上利用MOCVD设备外延AlyGaN结构层，掺杂源为Cp2Mg，得到厚度为0.3μm，掺杂浓度为2×1017cm-3，Al组分x从0.1～0渐变的Mg掺杂p型AlyGaN结构层。
步骤五：生长p型GaN结构层，如图5(e)所示。
在p型AlyGaN结构层上利用MOCVD设备外延GaN结构层，掺杂源为Cp2Mg，得到厚度为0.3μm，掺杂浓度为8×1018cm-3的p型GaN结构层。
步骤六：刻蚀p型AlyGaN结构层和p型GaN结构层，如图5(f)所示。
使用ICP Cl基刻蚀的方法刻蚀p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层，形成多个p型GaN结构层和多个凸起状的p型AlyGaN结构层，刻蚀厚度为p型GaN结构层厚度和p型AlyGaN结构层厚度之和，刻蚀宽度为1μm，并且p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层均以1μm的等间隔分布。
步骤七：沉积金属，形成阳极，如图5(g)所示。
本步骤与实施例1的步骤7相同。
步骤八：沉积金属，形成阴极，如图5(h)所示。
本步骤与实施例1的步骤8相同。
实施例3，制作p型渐变Al组分AlyGaN结构层和n型渐变Al组分AlxGaN结构层，其厚度均为0.5μm的GaN基JBS二极管。
步骤A：对厚度为400μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，设置SiH4的流量为5000sccm，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底，如图5(a)所示。
步骤B：设置SiH4的流量为250sccm，时间为560min，在n型GaN衬底表面利用MOCVD设备外延生长厚度为8μm，掺杂浓度为10×1016cm-3的Si掺杂n型GaN漂移层，如图5(b)所示。
步骤C：设置SiH4的流量为5000sccm，时间为35min，在n型GaN漂移层上利用MOCVD设备外延生长AlxGaN结构层，得到厚度为0.5μm，掺杂浓度为2×1018cm-3，Al组分x从0～0.1渐变的Si掺杂n型AlxGaN结构层，如图5(c)所示。
步骤D：设置掺杂源为Cp2Mg，在n型AlxGaN结构层上利用MOCVD设备外延厚度为0.5μm，掺杂浓度为2×1018cm-3，Mg掺杂p型渐变Al组分的AlyGaN结构层，其中Al组分x从0.1～0渐变，如图5(d)所示。
步骤E：设置掺杂源为Cp2Mg，在p型AlyGaN结构层上利用MOCVD设备外延GaN结构层，得到厚度为0.5μm，掺杂浓度为2×1019cm-3的p型GaN结构层，如图5(e)所示。
步骤F：使用ICP Cl基刻蚀的方法对p型GaN结构层和p型AlxGaN结构层进行刻蚀，形成多个p型GaN结构层和多个凸起状的p型AlyGaN结构层，其中刻蚀厚度为p型GaN结构层厚度和p型AlyGaN结构层厚度之和，刻蚀宽度为2μm，且p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层均以2μm的等间隔分布，如图5(f)所示。
步骤G：沉积金属，形成阳极，如图5(g)所示。
本步骤与实施例1的步骤7相同。
步骤H：沉积金属，形成阴极，如图5(h)所示。
本步骤与实施例1的步骤8相同。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管结构，自下而上包括阴极(1)、n型GaN衬底(2)、n型GaN漂移层(3)、多个p型GaN结构层(6)和阳极(7)，其特征在于：
n型GaN漂移层(3)与多个p型GaN结构层(6)之间依次增设有n型渐变Al组分的AlxGaN结构层(4)和多个凸起状p型渐变Al组分的AlyGaN结构层(5)。
2.根据权利要求1所述的JBS二极管，其特征在于n型渐变Al组分的AlxGaN结构层(4)中的Al组分x是从0～0.1渐变，掺杂浓度为2～10×1016cm-3，厚度为0.1～0.5μm。
3.根据权利要求1所述的JBS二极管，其特征在于凸起状p型渐变Al组分的AlyGaN结构层(5)中的Al组分y从0.1～0渐变，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，厚度为0.1～0.5μm，且以0.1～2μm的固定距离间隔分布于n型AlxGaN层(4)上。
4.根据权利要求1所述的JBS二极管，其特征在于阴极(1)位于n型GaN衬底(2)的背面，且与n型GaN衬底(2)形成欧姆接触。
5.根据权利要求1所述的JBS二极管，其特征在于n型GaN衬底(2)的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200～400μm。
6.根据权利要求1所述的JBS二极管，其特征在于n型GaN漂移层(3)的掺杂浓度为2～10×1016cm-3，厚度为3～8μm。
7.根据权利要求书1所述的JBS二极管，其特征在于多个p型GaN结构层(6)的掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1019cm-3，厚度为0.1～0.5μm，且叠加在p型AlyGaN结构层(5)上。
8.根据权利要求1所述的JBS二极管，其特征在于阳极(7)以方波的形式位于n型AlxGaN结构层(5)和多个p型GaN结构层(6)上，且上部与n型AlxGaN结构层(5)之间形成肖特基接触，下部与多个p型GaN结构层(6)之间形成欧姆接触。
9.一种基于渐变漂移区的耐高压GaN基JBS二极管的制作方法，包括如下步骤：
1)对厚度为200～400μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底；
2)在n型GaN衬底表面利用MOCVD设备外延生长GaN漂移层，得到厚度为3～8μm，掺杂浓度为2～10×1016cm-3的Si掺杂n型GaN漂移层；
3)在n型GaN漂移层上利用MOCVD设备外延生长AlxGaN结构层，得到厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为2～10×1016cm-3，Al组分x从0～0.1渐变的Si掺杂n型AlxGaN结构层；
4)在n型渐变Al组分的AlxGaN结构层上利用MOCVD设备外延AlyGaN结构层，得到厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1018cm-3，Al组分y从0.1～0渐变的Mg掺杂p型AlyGaN结构层；
5)在p型渐变Al组分的AlyGaN结构层上利用MOCVD设备外延GaN结构层，得到厚度为0.1～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1019cm-3的p型GaN结构层；
6)使用ICP Cl基刻蚀的方法刻蚀p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层，形成多个pGaN结构层和多个凸起状的p型AlyGaN结构层；
7)在多个p型结构层和n型AlxGaN结构层上，沉积金属Ni/Au，形成方波形式的阳极，该方波的上部与p型结构层之间形成欧姆接触，该方波的下部与n型渐变Al组分的AlxGaN结构层之间形成肖特基接触；
8)在n型GaN衬底背面沉积金属Ti/Al/Ni/Au，该Ti/Al/Ni/Au与n型GaN衬底之间形成欧姆接触，制作阴极，完成整个器件的制备。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤6)中刻蚀p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层，其刻蚀深度为p型GaN结构层厚度与p型AlyGaN结构层厚度之和，刻蚀宽度为0.1～2μm，且p型GaN结构层和p型AlyGaN结构层均以等间隔分布，间隔距离为0.1～2μm。
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