CN110707157B - 基于P+型保护环结构的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P+型保护环结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管器件及制作方法，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(7)和阴极(8)，势垒层(5)中的阳极下方1～3μm长度内注有Mg离子，形成P+型保护环(6)，该阳极与阴极之间为钝化层(9)。本发明由于在势垒层中设有P+型保护环，降低了阳极下方边缘电场峰值，提高了击穿电压，且工艺简单、成品率高和可靠性好，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，如图1所示，其自下而上包括衬底、成核层、缓冲层、插入层、势垒层，势垒层上方设有阳极和阴极，阳极与阴极之间有钝化层。该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，由于该异质结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现有技术的不足，提供一种基于P+型保护环结构AlGaN/GaN肖特基势垒二极管及制作方法，以降低阳极下方边缘电场峰值和高场下的反向漏电流，提高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：
1.一种基于P+型保护环结构的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，势垒层中的阳极下方1～3μm长度内注有Mg离子，形成P+型保护环，以降低阳极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。
进一步，所述衬底采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料。
进一步，所述成核层采用AlN，厚度为30～90nm；缓冲层采用GaN，厚度为0.5～5um。
进一步，所述插入层采用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。
2.一种基于P+型保护环结构的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，并采用离子注入工艺在势垒层中注入能量为30～50keV、剂量为5×1013～5×1014cm-2的Mg离子，形成长度为1～3μm的P+型保护环；
6)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，并在830℃的高温下进行退火，再在势垒层上方的另一侧上，采用磁控溅射工艺沉积阳极金属，该阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au，该阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au；
7)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；
8)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，完成整个器件的制作。
本发明器件由于在位于势垒层中的阳极下方设有P+型保护环，因而与现有技术相比具有如下优点：
1.使得阳极下方边缘电场峰值下降，击穿电压增大，实现了高输出功率；
2.减小了高场下的反向漏电，提高了可靠性；
3.工艺简单成品率高。
附图说明
图1是现有AlGaN/GaN肖特基势垒二极管结构图。
图2是本发明基于P+型保护环结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管结构图。
图3是本发明制作图2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2，本发明具有P+型保护环的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中的阳极下方1～3μm长度内注有F离子，形成P+型保护环6，以降低阳极下方边缘电场峰值，提高了击穿电压，势垒层5上方的两侧为阳极7和阴极8，阳极7和阴极8之间为钝化层9。其中：
该衬底1采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料；该成核层2采用厚度为30～90nm的AlN；该缓冲层3采用厚度为0.5～5μm的GaN；该插入层4采用厚度为0.5～2nm的AlN；该势垒层5采用厚度为15～30nm的AlGaN，该P+型保护环6采用长度为1～3μm的P+型AlGaN；该钝化层9采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2介质；该阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au的金属层组合；该阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au的金属层组合。
参照图3，本发明制作基于P+型保护环结构的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、P+型保护环长度为1μm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，再将其取出。
步骤6，制作P+型保护环。
在AlGaN势垒层上制作掩膜，并将制作掩膜后的样片放置在离子注入机反应室中进行Mg离子注入，Mg离子的能量为30keV，注入剂量为5×1013cm-2，然后在1100℃的高温下进行30s退火，形成长度为1μm的P+型保护环，并取出样片。
步骤7，制作阴极、阳极。
在AlGaN势垒层上二次制作掩膜，将该样片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，先在该势垒层上方沉积厚度分别为30nm/100nm阴极金属Ti/Al，并在830℃的高温下进行30s退火；再在势垒层上方的另一侧上，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8，制作钝化层。
将进行完上述步骤的样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9，制作阴极、阳极接触孔。
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，完成整个器件的制作。
实施例2，制作以碳化硅为衬底、P+型保护环长度为2μm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，并取出样片。
步骤六，制作P+型保护环。
在AlGaN势垒层上制作掩膜；
将制作掩膜后的样片放置在离子注入机反应室中注入能量为40keV，注入剂量为1×1014cm-2的Mg离子；
再在1100℃的高温下进行30s退火，形成长度为2μm的P+型保护环，并取出样片。
步骤七，制作阴极、阳极。
在AlGaN势垒层上二次制作掩膜；
将二次制作掩膜后的样片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，先在该势垒层上方沉积厚度分别为30/100/30/100nm的阴极金属Ti/Al/Ni/Au，并在830℃的高温下进行30s退火；再在势垒层上方的另一侧上，利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，沉积厚度分别为45nm/200nm的阳极金属Ni/Au。
步骤八，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8相同。
步骤九，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，完成整个器件的制作。
实施例3，制作以氮化镓为衬底、P+型保护环长度为3μm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，并取出样片。
步骤F，制作P+型保护环。
在AlGaN势垒层上制作掩膜，并将制作掩膜后的样片放置在离子注入机反应室中进行Mg离子注入，Mg离子的能量为50keV，注入剂量为5×1014cm-2；然后在1100℃的高温下进行30s退火，形成长度为3μm的P+型保护环，并取出样片。
步骤G，制作阴极、阳极。
在AlGaN势垒层上二次制作掩膜，并将二次制作掩膜后的样片放置在磁控射反应室中，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，并在830℃的高温下进行30s退火；
再利用纯度均为99.999％的钨和金靶材在势垒层上方的另一侧上，沉积阳极金属W/Au，厚度分别为45nm/200nm。
步骤H，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8相同。
步骤I，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，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P+型保护环结构的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）的上方设有阳极（7）和阴极（8），该阳极（7）与阴极（8）之间为钝化层（9），其特征在于，势垒层（5）中的阳极下方从阳极边缘到阴极方向的1~3μm长度内注有Mg离子，形成P+型保护环（6），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。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：钝化层（9）采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2介质。
6.一种基于P+型保护环结构的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，并采用离子注入工艺在势垒层中注入能量为30~50keV、剂量为5×1013~5×1014cm-2的Mg离子，形成长度为1~3μm的P+型保护环；
6）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，并在830℃的高温下进行退火，再在势垒层上方的另一侧上，采用磁控溅射工艺沉积阳极金属，该阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au，该阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au；
7）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；
8）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，完成整个器件的制作；P+型保护环形成于势垒层中的阳极下方从阳极边缘到阴极方向的1~3μm长度内。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求6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。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：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。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤6）中的磁控溅射工艺，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。
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