CN111192928B - 一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，包括第一导电类型高掺杂GaN层、第一导电类型低掺杂GaN层、第二导电类型NiO填充层、SiO2与Si3N4混合介质层、浮空金属场板、欧姆阴极和肖特基阳极、蓝宝石衬底和AlN成核层。本发明提到的器件结构运用了两步刻蚀工艺，克服了深刻蚀技术的操作性难题；设计的第二导电类型NiO填充层克服了GaN材料第二导电类型掺杂的技术难题，有效屏蔽高电场、保护肖特基势垒从而有效降低了器件的反向漏电流；设计的多场板结构有效利用了两步刻蚀工艺带来的高场板接触面积优势，削弱了器件的边缘电场集中效应，有效提高了器件的反向击穿电压。
Description
技术领域
本发明属于微电子氮化镓功率器件技术领域，具体涉及一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构。
背景技术
宽禁带半导体GaN材料因具有高击穿场强、高电子饱和漂移速率、低介电常数等出色的物理特性，使得GaN功率半导体器件迅速成为高频大功率领域电子设备的首选。
在GaN肖特基功率器件中，横向结构器件因提高击穿电压必须成比例增大阴极距离导致器件尺寸增大，制造成本大大提高；此外，当器件传输大电流的时候还会存在自热效应，严重影响了器件的稳定性。GaN基垂直结构器件在只需增加外延层厚度的情况下即可有效提高器件击穿电压，可有效降低器件制造成本；垂直结构肖特基器件电场和电流分布更均匀，能容许更大电流和更高的电流密度传输，器件可靠性更高。因此在应对击高穿电压、低反向漏电流等方面的要求时，垂直结构器件有更大的优势。
但是当垂直GaN肖特基功率器件在外加较大的反向偏压时，肖特基结承受电压迅速升高，肖特基势垒会因为镜像力作用而降低，其反向击穿电压相对较低，反向漏电流较大。
为了提高垂直GaN肖特基器件的击穿电压，一般需要增大第一导电类型低掺杂GaN层的厚度，为了减小垂直GaN肖特基器件的反向漏电流，一种引入P+注入区的垂直GaN肖特基器件结构已经被提出，由于GaN材料的第二导电类型掺杂难度很大，P+离子激活率较低，使得器件的正向电流密度变小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，运用了两步刻蚀工艺，克服了深刻蚀技术的操作性难题；设计的第二导电类型NiO填充层克服了GaN材料第二导电类型掺杂的技术难题，有效屏蔽高电场、保护肖特基势垒，因而有效降低了器件的反向漏电流；设计的多场板结构有效利用了两步刻蚀工艺带来的场板接触面积高的优势，削弱了器件的边缘电场集中效应，有效提高了器件的反向击穿电压。
本发明采用以下技术方案：
一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，从下至上依次包括第一导电类型高掺杂GaN层、第一导电类型低掺杂GaN层和第二导电类型NiO填充层，第二导电类型NiO填充层淀积设置在第一导电类型低掺杂GaN层的沟槽内，与第一导电类型高掺杂GaN层形成两阶台面结构，在第一导电类型低掺杂GaN层的台面结构上方设置有肖特基电极，肖特基电极的上方设置有金属场板，在第一导电类型低掺杂GaN层的台面结构下方两侧对称设置有欧姆电极；第一导电类型高掺杂GaN层与第一导电类型低掺杂GaN层之间，以及肖特基电极与金属场板之间分别通过介质层连接，第二导电类型NiO填充层被介质层包裹。
具体的，第一导电类型高掺杂GaN层的厚度为1～3μm，掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。
具体的，第一导电类型低掺杂GaN层的厚度为5～8μm，掺杂浓度5×1015～2×1016cm-3。
具体的，第二导电类型NiO层的厚度为0.5～1.5μm，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
具体的，介质层为SiO2与Si3N4的混合物，厚度为200～500nm。
具体的，第一导电类型高掺杂GaN层的下方依次设置有AlN成核层和第一导电类型蓝宝石衬底。
进一步的，第一导电类型蓝宝石衬底是厚度为100～1mm、中等掺杂浓度的蓝宝石衬底片；AlN成核层的厚度为10～100nm。
具体的，在第一导电类型低掺杂GaN层和第二导电类型NiO填充层形成台面的台阶处也设置有金属场板，金属场板分别位于肖特基电极上方金属场板的左右两侧；肖特基电极上方的金属场板和两侧的金属场板之间的间距为10～20μm。
进一步的，金属场板的厚度为0.5～2μm。
具体的，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，利用第一导电类型低掺杂GaN和第二导电类型NiO填充层形成了两阶台面结构，降低了每次所需要的刻蚀深度，同时每一步刻蚀可以通过感应耦合等离子体刻蚀得到，可以有效控制刻蚀精度；NiO填充层的第二导电类型掺杂易于实现，在一定程度上克服了GaN第二导电类型掺杂存在的杂质激活率低等技术难题，并能够有效屏蔽高电场并保护肖特基势垒，因而有效降低了器件的反向漏电流，器件表面所沉积的SiO2/Si3N4复合介质层也可以在一定程度上降低漏电流；器件电极和介质层上制作了多个浮空金属场板，可以扩展耗尽区的宽度，降低峰值电场，从而有效提高器件的击穿电压。
进一步的，第一导电类型GaN层掺浓度较高(1×1018～1×1019cm-3)，目的是减小电流集边效应，降低正向导通电阻。
进一步的，第一导电类型低掺杂GaN层4的厚度较大(5～8μm)，掺杂浓度较低(5×1015～2×1016cm-3)是为了在器件的正向导通电阻保持相对较低水平的前提下提高器件的击穿电压。
进一步的，第二导电类型NiO层增加了P+离子注入区，在阻断状态下由于PN结的耗尽作用有效降低器件的反向漏电流。
进一步的，SiO2/Si3N4混合介质层结合了Si3N4临界击穿场强高和SiO2稳定性、强度大的优点，200～500nm的介质层厚度保证了介质层不会先于整体器件击穿。
进一步的，多个浮空金属场板可以有效抑制第一导电类型GaN层台阶边缘的电场集中效应。
综上所述，本发明利用第一导电类型低掺杂GaN和第二导电类型NiO填充层形成了两阶台面结构，降低了每次所需要的刻蚀深度，同时每一步刻蚀可以通过感应耦合等离子体刻蚀得到，可以有效控制刻蚀精度；NiO填充层的第二导电类型掺杂易于实现，在一定程度上克服了GaN第二导电类型掺杂存在的杂质激活率低等技术难题，并能够有效屏蔽高电场并保护肖特基势垒，因而有效降低了器件的反向漏电流，器件表面所沉积的SiO2/Si3N4复合介质层也可以在一定程度上降低漏电流；器件电极和介质层上制作了多个浮空金属场板，可以扩展耗尽区的宽度，降低器件台阶边缘的峰值电场，从而有效提高器件的击穿电压。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构图；
图2为淀积形成第一导电类型高掺杂GaN层示意图；
图3为淀积形成第一导电类型低掺杂GaN层示意图；
图4为第一步刻蚀第一导电类型低掺杂GaN层示意图；
图5为第二步刻蚀第一导电类型低掺杂GaN层示意图；
图6为淀积形成第二导电类型NiO填充层示意图；
图7为制造欧姆电极和肖特基电极示意图；
图8为淀积介质层示意图；
图9为刻蚀介质层示意图；
图10为制备金属场板示意图；
图11为本发明制备的GaN肖特基器件电学性能参数图。
其中：1.第一导电类型蓝宝石衬底；2.AlN成核层；3.第一导电类型高掺杂GaN层；4.第一导电类型低掺杂GaN层；5.第二导电类型NiO填充层；6.欧姆电极；7.肖特基电极；8.介质层；9.金属场板。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供了一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，从下至上依次包括第一导电类型高掺杂GaN层3、第一导电类型低掺杂GaN层4和第二导电类型NiO填充层5，第二导电类型NiO填充层5通过淀积充满部分沟槽，与第一导电类型高掺杂GaN层3形成两阶台面结构，在第一导电类型低掺杂GaN层4的台阶上方设置有肖特基电极7，肖特基电极7的上方设置有金属场板9，在第一导电类型低掺杂GaN层4的台阶下方设置有欧姆电极6；第一导电类型高掺杂GaN层3与第一导电类型低掺杂GaN层4之间，以及肖特基电极7与金属场板9之间分别通过介质层8连接，第二导电类型NiO填充层5生长在第一导电类型低掺杂GaN层4刻蚀形成的台阶上，并被介质层8所包裹。
欧姆电极6对称设置在第一导电类型高掺杂GaN层3的两侧。
第一导电类型高掺杂GaN层3的厚度为1～3μm，掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。
第一导电类型低掺杂GaN层4的厚度为5～8μm，掺杂浓度5×1015～2×1016cm-3。
介质层8为SiO2与Si3N4的混合物，厚度为200～500nm，采用化学沉积工艺形成。
金属场板9的为金、银、镍、铝、钛、钨、铜、多晶硅的一种或多种组合，经磁控溅射法或电子束蒸发法形成，厚度为0.5～2μm。
第二导电类型NiO层5的厚度为0.5～1.5μm，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
第一导电类型高掺杂GaN层3的下方依次设置有AlN成核层2和第一导电类型蓝宝石衬底1，AlN成核层2与第一导电类型蓝宝石衬底1、第一导电类型高掺杂GaN层3接触用来消除蓝宝石与GaN材料之间的晶格失配，降低GaN材料的缺陷密度。
第一导电类型蓝宝石衬底是厚度为100～1mm、中等掺杂浓度的蓝宝石衬底片；AlN成核层2的厚度为10～100nm。
在第一导电类型低掺杂GaN层3和第二导电类型NiO填充层5形成台面的台阶处也设置有金属场板9，金属场板9分别位于肖特基电极7上方金属场板9的左右两侧；肖特基电极7上方金属场板9和两侧的金属场板9之间留有一定的距离并形成了浮空场板结构，可扩展耗尽区的宽度，从而降低峰值电场。
通过优化与场板相接触的介质层8厚度，可抑制场板边缘存在的电场集中问题。
本发明的垂直GaN肖特基器件中，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2～图10，本发明一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构的制备工艺如下：
S1、在第一导电类型蓝宝石衬底1上生长AlN成核层2，厚度为10～100nm，如图2所示；
S2、淀积形成第一导电类型高掺杂GaN层3，厚度为1～3μm，掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3，如图2所示；
S3、淀积形成第一导电类型低掺杂GaN层4，厚度为5～8μm，掺杂浓度5×1015～2×1016cm-3，如图3所示；
S4、分两步刻蚀第一导电类型低掺杂GaN层4，第一步刻蚀深度为1～3μm，第二步刻蚀深度为剩余的第一导电类型低掺杂GaN层4厚度，控制第一步刻蚀宽度比第二步刻蚀宽度为30～60μm，如图4和图5所示；
S5、淀积形成第二导电类型NiO填充层5，厚度为0.5～1.5μm，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，如图6所示；
S6、制造欧姆电极6和肖特基电极7，如图7所示；
S7、淀积形成SiO2与Si3N4混合介质层8，厚度为200～500nm，并刻蚀掉欧姆电极6和肖特基电极7上面的介质层8，如图8和图9所示；
S8、在肖特基电极7和肖特基电极接触的介质层8上方用磁控溅射法或电子束蒸发法制造一层金属场板9，如图10所示；
其中，金属场板9为金、银、镍、铝、钛、钨、铜、多晶硅的一种或多种组合，厚度为0.5～2μm；
S9、用同样的方法在第二导电类型NiO填充层5的上方的台面上制造一层金属场板9，与步骤S8制备的金属场板间距为10～20μm，如图10所示。
本发明制备工艺涉及到的两步刻蚀工艺可以降低刻蚀深度，提高每一步的刻蚀精度，降低深刻蚀引入的器件表面缺陷；此外，该制备工艺不涉及工程上难以实现的GaN P型掺杂问题，可以有效降低制备成本，提高成品率。
本发明所提到的GaN肖特基器件的电学性能参数如图11所示。可以看出与传统的GaN肖特基器件相比，反向漏电流有一定降低，击穿电压有所提高。
综上所述，本发明利用第一导电类型低掺杂GaN和第二导电类型NiO填充层形成了两阶台面结构，降低了每次所需要的刻蚀深度，同时每一步刻蚀可以通过感应耦合等离子体刻蚀得到，可以有效控制刻蚀精度；NiO填充层的第二导电类型掺杂易于实现，在一定程度上克服了GaN第二导电类型掺杂存在的杂质激活率低等技术难题，并能够有效屏蔽高电场并保护肖特基势垒，因而有效降低了器件的反向漏电流，器件表面所沉积的SiO2/Si3N4复合介质层也可以在一定程度上降低漏电流；器件电极和介质层上制作了多个浮空金属场板，可以扩展耗尽区的宽度，降低器件台阶边缘的峰值电场，从而有效提高器件的击穿电压。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，其特征在于，从下至上依次包括第一导电类型高掺杂GaN层（3）、第一导电类型低掺杂GaN层（4）和第二导电类型NiO填充层（5），第二导电类型NiO填充层（5）淀积设置在第一导电类型低掺杂GaN层（4）的沟槽内，与第一导电类型高掺杂GaN层（3）形成两阶台面结构，在第一导电类型低掺杂GaN层（4）的台面结构上方设置有肖特基电极（7），肖特基电极（7）的上方设置有金属场板（9），在第一导电类型低掺杂GaN层（4）的台面结构下方两侧的第一导电类型高掺杂GaN层（3）上对称设置有欧姆电极（6）；第一导电类型高掺杂GaN层（3）的上方与第一导电类型低掺杂GaN层（4）的连接处被介质层（8）包裹，第二导电类型NiO填充层（5）被介质层（8）包裹；
其中，第一导电类型高掺杂GaN层（3）的厚度为1~3μm，掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3，第一导电类型低掺杂GaN层（4）的厚度为5~8μm，掺杂浓度5×1015~2×1016cm-3，第二导电类型NiO层（5）的厚度为0.5~1.5μm，掺杂浓度为1×1017~1×1019cm-3，介质层（8）为SiO2与Si3N4的混合物，厚度为200~500nm。
2.根据权利要求1所述的高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，其特征在于，第一导电类型高掺杂GaN层（3）的下方依次设置有AlN成核层（2）和第一导电类型蓝宝石衬底（1）。
3.根据权利要求2所述的高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，其特征在于，第一导电类型蓝宝石衬底是厚度为100μm~1mm；AlN成核层（2）的厚度为10~100nm。
4.根据权利要求1所述的高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，其特征在于，在第一导电类型低掺杂GaN层（4）和第二导电类型NiO填充层（5）形成台面的台阶处也设置有金属场板（9），第一导电类型低掺杂GaN层（4）和第二导电类型NiO填充层（5）台面的台阶处的金属场板（9）分别位于肖特基电极（7）上方金属场板（9）的左右两侧；肖特基电极（7）上方的金属场板（9）和两侧的金属场板（9）之间的间距为10~20μm。
5.根据权利要求4所述的高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，其特征在于，第一导电类型低掺杂GaN层（4）和第二导电类型NiO填充层（5）台面的台阶处的金属场板（9）和肖特基电极（7）上方金属场板（9）的厚度均为0.5~2μm。
6.根据权利要求1所述的高击穿电压低反向漏电的垂直GaN肖特基器件结构，其特征在于，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
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