CN110544678A - 基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管器件，主要解决现有技术击穿电压较低，可靠性较差的问题。其自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、插入层(4)和势垒层(5)，该势垒层(5)上方设有阳极(6)和阴极(7)，该阳极(6)与阴极(7)之间为钝化层(8)，该钝化层上淀积有n个浮空场板(9)和一个阴极场板(10)，用于降低阳极与阴极下方边缘电场峰值，提高击穿电压n≥1，本发明具有工艺简单、成品率高和可靠性好的优点，可作为大功率系统以及开关应用的基本器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，可作为大功率系统以及开关应用的基本器件。
背景技术
功率半导体器件是电力电子技术的核心元件，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件就成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。而在功率器件研究中，高速、高压与低导通电阻之间存在着严重的制约关系，合理、有效地改进这种制约关系是提高器件整体性能的关键。
随着微电子技术的发展，传统第一代Si半导体和第二代GaAs半导体功率器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。为了能进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻、提高击穿电压、降低整机体积、提高整机效率，以GaN为代表的宽禁带半导体材料，凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度，以及化学性能稳定、耐高温、抗辐射等优异的物理、化学性质，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。其中GaN基肖特基势垒二极管是一种重要的GaN基器件，它是多数载流子半导体器件，少数载流子电荷存储效应很弱。GaN不仅可利用体材料制作GaN肖特基势垒二极管，还可利用其异质结构制作高性能器件，即异质结AlGaN/GaN肖特基势垒二极管。AlGaN/GaN横向异质结肖特基势垒二极管具有高击穿电压、低开启电阻以及反向恢复时间较短等优异特性，容易实现大电流密度和功率密度，将其应用在功率转换方面能够大大提升系统电能转化效率、降低制备成本。但是由于异质结AlGaN/GaN肖特基二极管在反向偏置时，阳极下方电场在水平方向上不是均匀分布，即距离电极边缘越近，电场线分布越密集，使得阳极下方边缘处会出现电场的极大值，导致此处容易发生雪崩击穿，造成AlGaN/GaN肖特基二极管实际击穿电压和输出功率下降和反向漏电流的增大，降低了器件的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管及制作方法，以改善器件的击穿特性和可靠性，实现高输出功率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一、器件结构
一种基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，自下而上包括衬底、成核层、缓冲层、插入层、势垒层，势垒层上方设有阳极和阴极，该阳极与阴极之间为钝化层，其特征在于，钝化层上淀积有n个浮空场板与阴极场板，n≥1，用于降低阳极与阴极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。
进一步，其特征在于，衬底采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料。
进一步，其特征在于：成核层采用AlN，厚度为30～90nm；缓冲层采用GaN，厚度为0.5～5um。
进一步，其特征在于：插入层采用AlN,厚度为0.5～2nm；势垒层采用AlGaN,厚度为15～30nm；钝化层采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2介质。
二、一种基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对衬底表面进行消除悬挂键的预处理，将预处理后的衬底置于H2氛围的反应室在950℃的高温下进行热处理，再采用MOCVD工艺，在衬底上外延生长厚度为30～90nm AlN成核层；
2)在AlN成核层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～5um的本征GaN缓冲层；
3)在GaN缓冲层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～2nm的AlN插入层；
4)在AlN插入层上采用MOCVD工艺淀积厚度为15～30nm的AlGaN势层；
5)在AlGaN势垒层上制作掩膜，并采用磁控溅射工艺在该势垒层的上方沉积阴极金属，阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au等，再在830℃的高温下进行退火；在势垒层上方的另一侧上，再采用磁控溅射工艺沉积阳极金属，阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au等；
6)将完成上述步骤(5)的外延片放入等离子体增强化学气相淀积PECVD反应室内，进行钝化层沉积；
7)对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔；
8)在阴极与阳极之间的钝化层上，采用磁控溅射工艺沉积多个金属层，形成多浮空场板，同时在阴极靠近阳极侧的钝化层上采用磁控溅射工艺沉积金属层，形成阴极场板。
本发明器件由于在位于阳极与阴极间的钝化层上沉积多个浮空场板以及阴极靠近阳极侧的钝化层上沉积阴极场板，因而与现有技术相比具有如下优点：
1.使得阳极下方边沿电场峰值下降，高阻区面积进一步增大，击穿电压增大，实现了高输出功率；
2.阴极场板降低了由高温退火导致阴极欧姆金属向下渗透形成的金属尖峰所造成的电场峰值，增大了击穿电压；
3.减小了漏电，提高了可靠性；
4.工艺简单成品率高
附图说明
图1是本发明基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管结构图。
图2是本发明制作图1器件的制作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明具有多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管器件，自下而上依次包括：衬底1、成核层2、缓冲层3、插入层4和势垒层5，势垒层5上方的两侧为阳极6和阴极7，阳极6和阴极7之间为钝化层8，钝化层8上设有n个浮空场板9与阴极场板10，n≥1，用于降低阳极与阴极下方边缘电场峰值，提高了击穿电压。
所述衬底1采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料；
所述成核层2采用AlN，其厚度为30～90nm；
所述缓冲层3采用GaN，其厚度为0.5～5μm；
所述插入层4采用AlN，其厚度为0.5～2nm；
所述势垒层5采用AlGaN，其厚度为15～30nm；
所述钝化层8采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2等介质；
所述阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au的金属层组合；
所述阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au的金属层组合；
所述浮空场板与阴极场板采用Ni/Au/Ni或Ti/Au或Ti/Pt/Au的金属层组合，且第一层金属厚度为20～80nm，第二层金属厚度为50～300nm，第三层金属厚度为20～300nm；
所述浮空场板与阴极场板和阳极的距离均不小于1μm。
参照图2，本发明制作基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，给出如下三种实施例：
实施例1，制作以蓝宝石为衬底、多浮空场板与阴极场板采用金属层组合Ni/Au/Ni，且厚度为20/50/20nm的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管。
步骤1，对蓝宝石衬底表面进行消除悬挂键的预处理。
1.1)将蓝宝石衬底放入HF酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗2min；
1.2)将清洗后的蓝宝石衬底用氮气吹干。
步骤2，外延AlN成核层。
将预处理后的蓝宝石衬底放入金属有机物化学气相淀积MOCVD系统中，在腔室压力为10Torr、温度为900℃的条件下，向反应室同时通入流量为40μmol/min的Al源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，生长30nm厚的AlN成核层。
步骤3，制作缓冲层。
向MOCVD反应室同时通入流量为40μmol/min的Ga源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在AlN成核层上生长0.5μm厚的GaN缓冲层。
步骤4，制作插入层。
向MOCVD反应室同时通入流量为40μmol/min的Al源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在GaN缓冲层上生长0.5nm厚的AlN插入层。
步骤5，制作势垒层。
向MOCVD反应室同时通入流量为40μmol/min的Ga源、流量为40μmol/min的Al源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在AlN插入层上生长15nm厚的AlGaN势垒层。
步骤6，制作阴极、阳极。
在AlGaN势垒层上制作掩膜后，将其放置在磁控溅射反应室中，保持反应室压强为8.8×10-2Pa，利用纯度均为99.999％的铝和钛靶材，在该势垒层上方先沉积厚度分别为30nm/90nm的阴极金属Ti/Al，再在830℃的高温下进行30S退火；
在势垒层上方的另一侧上，再利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，沉积厚度分别为45nm/200nm/200nm的阳极金属Ni/Au/Ni。
步骤7，制作钝化层。
将进行完上述步骤6的外延片放入等离子体化学气相淀积PECVD反应室内，在400℃高温下，淀积30nm厚的SiN钝化层。
步骤8，阴极、阳极开孔。
对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔。
步骤9，制作多浮空场板与阴极场板。
9a)将淀积有SiN钝化层的外延片放置在磁控溅射反应室中，将反应室压强保持在8.8×10-2Pa，利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，在阴极一侧的钝化层上，溅射淀积厚度为20/50/20nm的Ni/Au/Ni金属层组合，形成阴极场板；
9b)在阴极与阳极之间的钝化层上，溅射淀积两个厚度为20/50/20nm的Ni/Au/Ni金属层组合，形成多浮空场板，每个浮空场板的长度均为2um，两浮空场板间距离为0.5μm，多浮空场板与阴极场板距离为1μm，与阳极距离为1.5μm，完成整个器件的制作。
实施例2，制作以碳化硅为衬底、多浮空场板与阴极场板采用金属层组合Ti/Au，且厚度为60/150nm的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管。
步骤一，对碳化硅衬底表面进行消除悬挂键的预处理。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤二，外延AlN成核层。
将预处理后的碳化硅衬底放入金属有机物化学气相淀积MOCVD系统中，在腔室压力为70Torr、温度为900℃的条件下，向反应室同时通入流量为70μmol/min的Al源、流量为1600sccm的氢气和流量为5000sccm的氨气，生长70nm厚的AlN成核层。
步骤三，制作缓冲层。
向MOCVD反应室同时通入流量为60μmol/min的Ga源、流量为1600sccm的氢气和流量为5000sccm的氨气，在AlN成核层上生长3μm厚的GaN缓冲层。
步骤四，制作插入层。
向MOCVD反应室同时通入流量为70μmol/min的Al源、流量为1600sccm的氢气和流量为5000sccm的氨气，在GaN缓冲层上生长1nm厚的AlN插入层。
步骤五，制作势垒层。
向MOCVD反应室同时通入流量为70μmol/min的Ga源、流量为70μmol/min的Al源、流量为1600sccm的氢气和流量为5000sccm的氨气，在AlN插入层上生长25nm厚的AlGaN势垒层。
步骤六，制作阴极、阳极。
在AlGaN势垒层上制作掩膜后，将其放置在磁控溅射反应室中，保持反应室压强为9.0×10-2Pa，利用纯度均为99.999％的铝、镍、金和钛靶材，在该势垒层上方沉积厚度分别为30/80/30/100nm的阴极金属Ti/Al/Ni/Au，再在830℃的高温下进行30S退火；在势垒层上方的另一侧上，再利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，沉积厚度分别为80nm/200nm的阳极金属Ni/Au。
步骤七，在外延片上制作30nm厚的SiO2钝化层。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤7相同。
步骤八，对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔。
步骤九，制作多浮空场板与阴极场板。
9.1)将淀积有SiO2钝化层的外延片放置在磁控溅射反应室中，反应室压强保持在9.0×10-2Pa，利用纯度均为99.999％的钛和金靶材，在阴极一侧的钝化层上，溅射淀积厚度为60/150nm的Ti/Au金属层组合，形成阴极场板；
9.2)在阴极与阳极之间的钝化层上，溅射淀积三个Ti/Au金属层组合，每个金属层组合厚度均为60/150nm，以形成多浮空场板，每个浮空场板的长度均为1μm，浮空场板间依次相距0.5μm，多浮空场板与阴极场板距离为1μm，与阳极距离为1.5μm。完成整个器件的制作。
实施例3，制作以氮化镓为衬底、多浮空场板与阴极场板采用金属层组合Ti/Pt/Au，且厚度为80/300/300nm的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管。
步骤A，对氮化镓衬底表面进行消除悬挂键的预处理。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤B，外延AlN成核层。
将预处理后的氮化镓硅衬底放入金属有机物化学气相淀积MOCVD系统中，在腔室压力为100Torr、温度为900℃的条件下，向反应室同时通入流量为100μmol/min的Al源、流量为2000sccm的氢气和流量为6000sccm的氨气，生长90nm厚的AlN成核层。
步骤C，制作缓冲层。
向MOCVD反应室同时通入流量为100μmol/min的Ga源、流量为2000sccm的氢气和流量为6000sccm的氨气，在AlN成核层上生长5μm厚的GaN缓冲层。
步骤D，制作插入层。
向MOCVD反应室同时通入流量为100μmol/min的Al源、流量为2000sccm的氢气和流量为6000sccm的氨气，在GaN缓冲层上生长2nm厚的AlN插入层。
步骤E，制作势垒层。
向MOCVD反应室同时通入流量为100μmol/min的Ga源、流量为100μmol/min的Al源、流量为2000sccm的氢气和流量为6000sccm的氨气，在AlN插入层上生长30nm厚的AlGaN势垒层。
步骤F，制作阴极、阳极。
在AlGaN势垒层上制作掩膜后，将其放置在磁控溅射反应室中，保持反应室压强为9.2×10-2Pa，利用纯度均为99.999％的铝、镆、金和钛靶材，在该势垒层上方沉积厚度分别为80/300/130/200nm的阴极金属Ti/Al/Mo/Au，再在830℃的高温下进行30S退火；在势垒层上方的另一侧上，再利用纯度均为99.999％的钨和金靶材，沉积厚度分别为80nm/200nm的阳极金属W/Au。
步骤G，在外延片上制作30nm厚的Al2O3钝化层。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤7相同。
步骤H，对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔。
步骤I，制作多浮空场板与阴极场板。
首先，将淀积有Al2O3钝化层的外延片放置在磁控溅射反应室中，保持反应室压强为9.2×10-2Pa，利用纯度均为99.999％的钛、铅和金靶材，在阴极一侧的钝化层上，溅射淀积厚度为80/300/300nm的Ti/Pt/Au金属层组合，形成阴极场板；
然后，在阴极与阳极之间的钝化层上，溅射淀积三个Ti/Pt/Au金属层组合，厚度均为80/300/300nm,形成多浮空场板，每个浮空场板的长度均为1um，浮空场板间依次相距0.5μm，浮空场板与阴极场板距离为1μm，与阳极距离为1.5μm，完成整个器件的制作。
以上描述仅为本发明的三个具体实例，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多浮空场板与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、插入层(4)和势垒层(5)，势垒层(5)上方设有阳极(6)和阴极(7)，该阳极(6)与阴极(7)之间为钝化层(8)，其特征在于，钝化层(8)上淀积有n个浮空场板(9)与阴极场板(10)，n≥1，用于降低阳极与阴极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，衬底(1)采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料。
3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
成核层(2)采用AlN，厚度为30～90nm。
缓冲层(3)采用GaN，厚度为0.5～5μm。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
插入层(4)采用AlN,厚度为0.5～2nm；
势垒层(5)采用AlGaN,厚度为15～30nm。
钝化层(8)采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2介质。
5.一种基于多浮空场板结构与阴极场板复合结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对衬底表面进行消除悬挂键的预处理，将预处理后的衬底置于H2氛围的反应室在950℃的高温下进行热处理，再采用MOCVD工艺，在衬底上外延生长厚度为30～90nm AlN成核层；
2)在AlN成核层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～5μm的本征GaN缓冲层；
3)在GaN缓冲层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～2nm的AlN插入层；
4)在AlN插入层上采用MOCVD工艺淀积厚度为15～30nm的AlGaN势垒层；
5)在AlGaN势垒层上制作掩膜，并采用磁控溅射工艺在该势垒层上方沉积阴极金属，再在830℃的高温下进行退火；在势垒层上方的另一侧上，再采用磁控溅射工艺沉积阳极金属；
6)将完成上述步骤(5)的外延片放入等离子体增强化学气相淀积PECVD反应室内，进行钝化层沉积；
7)对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔；
8)在阴极与阳极之间的钝化层上，采用磁控溅射工艺沉积多个金属层，形成多浮空场板，同时在阴极靠近阳极侧的钝化层上采用磁控溅射工艺沉积金属层，形成阴极场板。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1)和步骤3)的MOCVD工艺参数是：反应室压力为10～100Torr，Al源流量为40-100μmol/min，氨气流量为3000-6000sccm，氢气流量为1000-2000sccm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述步骤2)的MOCVD工艺参数是：反应室压力为10～100Torr，Ga源流量为40-100μmol/min，氨气流量为3000-6000sccm，氢气流量为1000-2000sccm。
所述步骤4)中的MOCVD工艺参数是：反应室压力为10～100Torr，Al源流量为40-100μmol/min，Ga源流量为40-100μmol/min，氨气流量为3000-6000sccm，氢气流量为1000-2000sccm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5)和步骤8)中的磁控溅射工艺，其条件是采用纯度均为99.999％的铝、钛、镍、镆、钨、铅和金为靶材，并将反应室压强保持在8.8～9.2×10-2Pa。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5)中的阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au，阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤8)中的金属组合采用Ni/Au/Ni或Ti/Au或Ti/Pt/Au，且第一层金属Ni/Ti厚度为20～80nm,第二层金属Au/Pt厚度为50～300nm,第三层金属Ni/Au厚度为20～300nm。
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|---|---|---|---|---|
| CN114050099A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-15 | 中山大学 | 一种高压tft驱动的冷阴极平板x光源及制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011210752A (ja) * | 2010-03-26 | 2011-10-20 | Nec Corp | 半導体装置、電子装置、半導体装置の製造方法、および半導体装置の動作方法 |
| CN104813454A (zh) * | 2012-09-30 | 2015-07-29 | 传感器电子技术股份有限公司 | 具有防击穿层的半导体器件 |
| CN107230623A (zh) * | 2016-03-25 | 2017-10-03 | 北京大学 | 氮化镓肖特基二极管及其制作方法 |
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