CN110600540A - 基于多浮空场板结构的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)、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)，钝化层(8)上淀积有n个浮空场板(9)，n≥2，用于降低阳极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。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，n≥2，用于降低阳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等介质。
二、一种基于多浮空场板结构的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，将预处理后的衬底先置于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30～90nmAlN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)将进行完上述步骤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)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；
8)对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极和阴极。
本发明器件由于在位于阳极与阴极间的钝化层上淀积多个浮空场板，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.减小了漏电，提高了可靠性；
3.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上为多个浮空场板9，这些浮空场板用以降低阳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金属层组合；
所述浮空场板采用Ni/Au/Ni或Ti/Au或Ti/Pt/Au等金属层组合，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、两个浮空场板采用金属层组合Ni/Au/Ni，且厚度均为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，在该势垒层上方沉积阴极金属Ti/Al，厚度分别为30nm/100nm，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，沉积阳极金属Ni/Au/Ni，厚度分别为45nm/200nm/200nm。
步骤7，制作钝化层。
将进行完上述步骤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，制作浮空场板。
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，在阴极与阳极之间的钝化层上，溅射淀积两个厚度均为20/50/20nm的Ni/Au/Ni金属层组合，形成多浮空场板，浮空场板的长度均为2um，两浮空场板间距离为0.5μm，其与阴极距离为1.5μm，与阳极距离为1.5μm。
步骤9，制作阴极、阳极。
对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极和阴极，完成整个器件的制作。
实施例2，制作以碳化硅为衬底、三个浮空场板采用金属层组合Ti/Au，且厚度均为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阴极金属Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为30/100/30/100nm，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，沉积阳极金属Ni/Au，厚度分别为45nm/200nm。
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，制作多浮空场板。
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，在阴极与阳极之间的钝化层上，溅射淀积三个Ti/Au金属层组合，厚度均为60/150nm,形成多浮空场板，浮空场板长度均为1μm，浮空场板间依次相距0.5μm，其与阴极距离为1.5μm，与阳极距离为1.5μm。
步骤九，对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极和阴极，完成整个器件的制作。
实施例3，制作以氮化镓为衬底、三个浮空场板采用金属层组合Ti/Pt/Au，且厚度均为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阴极金属Ti/Al/Mo/Au，厚度分别为30/100/30/100nm，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，沉积阳极金属W/Au，厚度分别为45nm/200nm。
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，制作多浮空场板。
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，浮空场板长度均为1um，浮空场板间依次相距0.5μm，其与阴极距离为1.5μm，与阳极距离为1.5μm。
步骤I，对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极和阴极，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)，n≥2，用于降低阳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，将预处理后的衬底先置于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)将进行完上述步骤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)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；
8)对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极和阴极。
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工艺参数如下：
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)中，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/A。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5)和步骤7)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。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7)中金属组合采用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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| 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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