CN111785785B - Sbd器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SBD器件结构及其制备方法，SBD器件结构包括衬底、生长于衬底上的外延层、制备于外延层上的容纳槽内的纳米柱阵列、制备于外延层上位于纳米柱阵列区域的肖特基接触电极和制备于衬底背离外延层一侧的欧姆接触电极。本发明利用纳米柱实现SBD器件阳极肖特基型金属‑半导体肖特基接触面积的增大，从两个方面综合提升SBD器件的正向导通特性：一方面，纳米柱能够增大导通时的电流密度，从而提高饱和电流并降低导通电阻；另一方面，纳米柱能加强外接偏压对外延层的控制能力，有效提高SBD器件的电流驱动能力，从而降低了SBD器件的开启电压，减小开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种基于纳米柱结构的SBD器件结构及其制备方法。
背景技术
长期以来，市场上主流电力电子器件都是基于硅制备的，但硅基器件性能已经趋于材料理论极限，无法满足新型应用的要求。而禁带宽度大于2.2eV的第三代半导体氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、临界击穿电场强、饱和电子漂移速度大、热导率高、化学稳定性高和抗辐射能力强等优异的材料性能；因而GaN电力电子器件的击穿电压高、导通电阻低、开关频率高，可以应用于高温、高压、高频和强辐射等更为复杂的工作环境，特别是在白色家电、电动汽车、工业应用等领域中有利于降低功率损失、提高转换效率，近年来受到了国内外的高度重视，引起大量研究人员的深入探讨。
肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)是一种基础、重要的功率器件，相对简单的结构使SBD在功率市场上易于推广应用，得到了产业界的重视，其基本工作原理如下：正向偏压时，肖特基接触的势垒高度降低，电子容易从半导体流向金属，形成从金属到半导体的电流；反向偏压时，势垒高度增大，电子很难通过高势垒，从而达到反向截止的目的，整体实现了器件的单向导电性。相较于PN二极管，SBD的反向恢复时间短、工作频率高、开关损耗低。
早在2013年，日本夏普和松下公司就相继推出耐压600V的GaN SBD产品，近些年来，随着高质量晶体外延技术的日益成熟、异质结构二维电子气(2DEG)量子效应的发现和应用，以及诸如场板等终端结构的提出和优化，GaN SBD在国内外取得了长足的发展。然而，现有GaN SBD仍存在一些亟待解决的问题：(1)在导通GaN SBD时，导通电阻大、饱和电流小；(2)导通GaN SBD所需的开启电压大、开关损耗高。
发明内容
本发明旨在提供一种提升SBD器件正向导通特性的新结构及其制备方法，为SBD的进一步发展和应用提供新途径。新的SBD器件结构利用纳米柱有效增大器件金属-半导体肖特基的接触面积，降低导通电阻、减小开启电压，从而提升SBD器件的正向导通特性。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种SBD器件结构，衬底、生长于衬底上的外延层，在外延层上刻蚀有纳米柱容纳槽，SBD器件结构还包括：制备于凹槽内的纳米柱阵列、制备于外延层上位于纳米柱阵列区域的肖特基接触电极和制备于衬底背离外延层一侧的欧姆接触电极。
优选地，在外延层上避开纳米柱阵列的区域刻蚀有浮动金属环容纳槽，在浮动金属环容纳槽内制备有浮动金属环。
优选地，在外延层上对应于浮动金属环的区域生长有绝缘层，绝缘层的材料为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝。
本发明还提供一种SBD器件结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上生长外延层；
S2、通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方式在外延层上制备纳米柱阵列；
S3、在外延层上对应于纳米柱阵列的区域制备肖特基接触电极，及在衬底背离外延层一侧制备欧姆接触电极。
优选地，干法刻蚀的具体包括如下步骤：
S201、在外延层的表面涂覆光刻胶；
S202、在外延层上带胶沉积出厚度为5～15nm的金属薄膜层；其中金属薄膜层的材料为镍、金、铂或铜；
S203、对金属薄膜层进行快速热退火处理或进行金属膜蒸镀处理，使金属薄膜层收缩成金属颗粒；
S204、以金属颗粒作为掩模，对光刻胶及外延层进行刻蚀，在外延层上刻蚀出纳米柱容纳槽；
S205、在光刻胶的表面及纳米柱容纳槽内沉积出金属薄层；
S206、去除光刻胶及其上的金属薄层，保留纳米柱容纳槽内的金属薄层形成纳米柱阵列。
优选地，快速热退火处理的工艺参数如下：
退火温度为500～900℃；
退火时间为60～120秒。
优选地，湿法腐蚀的具体步骤包括：
S201`、在外延层的表面涂覆光刻胶；
S202`、在外延层上带胶沉积出厚度为5～15nm的金属薄膜层；其中金属薄膜层的材料为镍、金、铂或铜；
S203`、对金属薄膜层进行快速热退火处理或进行金属膜蒸镀处理，使金属薄膜层收缩成金属颗粒；
S204`、以金属颗粒作为掩模，对光刻胶及外延层进行湿法化学腐蚀，在外延层上形成纳米柱容纳槽；
S205`、在光刻胶的表面及纳米柱容纳槽内沉积出金属薄层；
S206`、去除光刻胶及其上的金属薄层，保留纳米柱容纳槽内的金属薄层形成纳米柱阵列。
优选地，在步骤S2之后还包括如下步骤：
步骤S210、在外延层上避开纳米柱阵列的区域制备浮动金属环。
优选地，步骤S210具体包括如下步骤：
S2101、在外延层上位于纳米柱阵列的外圈涂覆光刻胶并形成图案；
S2102、将光刻胶的图案转移到外延层上，形成浮动金属环容纳槽；
S2103、在光刻胶的表面及浮动金属环容纳槽内沉积出金属薄层；
S2104、去除光刻胶及其上的金属薄层，保留浮动金属环容纳槽内的金属薄层形成浮动金属环。
优选地，在步骤S3之后，还包括如下步骤：
S4、在外延层上对应于浮动金属环的区域生长绝缘层。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)利用纳米柱实现SBD器件阳极肖特基型金属-半导体肖特基接触面积的增大，从两个方面综合提升SBD器件的正向导通特性：一方面，纳米柱能够增大导通时的电流密度，从而提高饱和电流并降低导通电阻；另一方面，纳米柱能加强外接偏压对外延层的控制能力，有效提高SBD器件的电流驱动能力，从而降低了SBD器件的开启电压，减小开关损耗。
(2)绝缘层能够抑制SBD器件表面及电极边缘的电场击穿，增加反向击穿电压，有效提高SBD器件的性能。
(3)浮动金属环能够调节电场分布，有效避免纳米柱边缘局部电场集中引起SBD器件提早击穿，提高SBD器件的击穿性能。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的SBD器件结构的结构示意图。
图2是根据本发明一个实施例的SBD器件结构的制备方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：基底1、衬底1-1、外延层1-2、n型氮化镓层1-2-1、n+型氮化镓层1-2-2、纳米柱阵列2、浮动金属环3、欧姆接触电极4、肖特基接触电极5、绝缘层6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供的SBD器件结构及其制备方法在外延层上与肖特基接触电极的接触区域制备有多个纳米柱形成的纳米柱阵列，利用纳米柱阵列增大器件阳极的肖特基型金属与半导体的接触面积，从而降低导通电阻和减小开启电压，提高SBD器件结构的正向导通特性。
下面将对本发明实施例提供的SBD器件结构及其制备方法进行详细说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的SBD器件结构的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的SBD器件结构，包括：基底1、纳米柱阵列2、欧姆接触电极4和肖特基接触电极5。
基底1包括衬底1-1和外延层1-2，衬底1-1可以为硅、碳化硅、氮化镓或蓝宝石等衬底，下述以氮化镓为例进行说明。
外延层1-2采用有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)法或氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HPVE)法生长于衬底1-1的上表面。
外延层1-2可以采用如下两种结构：
一、n型氮化镓层
n型氮化镓层1-2-1作为偏移层，在偏移层外加反向偏压时，会处于耗尽状态，可用于承受高反向偏压。
二、n+型氮化镓层和n型氮化镓层
图1示出了外延层1-2为n+型氮化镓层1-2-2和n型氮化镓层1-2-1的情况，n+型氮化镓层1-2-2和n型氮化镓层1-2-1依次生长于衬底1-1的上表面。
n+型氮化镓层1-2-2和n型氮化镓层1-2-1的掺杂元素为硅或锗，且n+型氮化镓层1-2-2的掺杂浓度高于n型氮化镓层1-2-1的掺杂浓度。
锗元素相比硅元素，外延层1-2的应力可大幅度减小，使得外延层1-2的缺陷减少，提高器件性能。
掺杂浓度较高的n+型氮化镓层1-2-2作为缓冲层，可以减小外延层1-2的内应力；同时在SBD器件工作时起到均匀电流传导的作用，减小微纳结构造成的电流集边效应，从而降低导通电阻。
因此，作为一种优选实施例采用第二种结构的外延层1-2，其效果优于第一种结构的外延层1-2，下面以第二种结构为例进行说明。
优选地，n+型氮化镓层1-2-2的厚度为1～2μm、载流子浓度为1～4×1018cm-3，n型氮化镓层1-2-1厚度的10～20μm、载流子浓度为5～10×1015cm-3。
欧姆接触电极4采用传统工艺制备于衬底1-1的下表面。传统工艺为：利用光刻技术获得欧姆接触电极图形，通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方式制备阴极(阴极材料可以为与衬底1-1形成欧姆接触的金属材料，如Ti/Al、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au等复合金属材料)，然后采用金属剥离工艺(metal lift-off technology，lift-off)洗掉光刻胶(所用溶液可为NMP或者丙酮)，最后在650℃、N2环境下退火。
肖特基接触电极5采用传统工艺制备于n型氮化镓层1-2-1上。传统工艺为：利用光刻技术获得肖特基接触电极图形，通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发制备阳极(阳极材料可以为与n型氮化镓层1-2-1形成肖特基接触的金属材料，如Ni/Au、Pt等)，然后采用lift-off技术洗掉光刻胶(所用溶液可为NMP或者丙酮)。
纳米柱阵列2通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方式制备在n型氮化镓层1-2-1上与肖特基接触电极5接触的区域，使外延层1-2形成具有纳米结构的氮化镓区。
纳米柱阵列2由多根集中在与肖特基接触电极5接触的区域的纳米柱组成。纳米柱阵列2的制备方法为：先制作金属颗粒的掩模，对n型氮化镓层1-2-1刻蚀纳米柱容纳槽，然后在纳米柱容纳槽内沉积出纳米柱，形成纳米柱阵列2，保证纳米柱阵列2与n型氮化镓层1-2-1齐平。
纳米柱阵列2能够增大肖特基接触电极5与外延层1-2的接触面积，加大SBD器件导通时的电流密度，从而提高饱和电流并降低导通电阻；纳米柱阵列2还能加强外接偏压对外延层的控制能力，有效提高SBD器件的电流驱动能力，从而降低了SBD器件的开启电压，减小开关损耗。
在本发明的一个具体实施例中，在外延层1-2上避开纳米柱阵列2的区域制备有浮动金属环3，浮动金属环3位于纳米柱阵列2的外圈，能够调节电场分布，有效避免纳米柱边缘局部电场集中引起SBD器件提早击穿，提高SBD器件的击穿性能。
浮动金属环3的制备方法为：在外延层1-2上刻蚀有浮动金属环容纳槽，在浮动金属环容纳槽内沉积出浮动金属环3，保证浮动金属环3与外延层1-2齐平。例如：浮动金属环3的环宽度为3-5μm，环间距为3-5μm。
在本发明的另一个具体实施例中，在外延层1-2上对应于浮动金属环3的区域生长有绝缘层6，绝缘层6的材料为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝。
绝缘层6有效抑制肖特基接触电极5边缘及器件表面的电场击穿，增加了反向击穿电压，有效提高了SBD器件的性能。
上述详细说明了本发明实施例提供的SBD器件结构的结构，与该SBD器件结构相对应，本发明还提供一种SBD器件结构的制备方法。
图2示出了根据本发明一个实施例的SBD器件结构的制备方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提供的SBD器件结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上生长外延层。
衬底与衬底上生长的外延层构成SBD器件的基底。
外延层可以为单独生长在衬底上的n型氮化镓层或依次生长在衬底上的n+型氮化镓层和n型氮化镓层。
外延层的生长方法可以为有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)法或氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HPVE)法。
步骤S2：通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方式在外延层上制备纳米柱阵列。
本发明可以采用两种方法来制备纳米柱阵列，一种干法刻蚀，另一种是湿法腐蚀。干法刻蚀为采用电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)进行刻蚀，而湿法腐蚀为采用化学溶剂进行腐蚀。
干法刻蚀制备纳米柱阵列，包括如下步骤：
步骤S201：在外延层的表面涂覆光刻胶。
步骤S202：在外延层上带胶沉积出厚度为5～15nm的金属薄膜层；其中金属薄膜层的材料为镍、金、铂或铜。
金属沉积工艺可以为电子束蒸镀、磁控溅射等金属蒸镀工艺。
步骤S203：对金属薄膜层进行快速热退火处理或进行金属膜蒸镀处理，使金属薄膜层收缩成金属颗粒。
通过对金属薄膜层的收缩，使其变为金属颗粒，可以在最大限度减小掩模尺度的同时实现大量纳米柱的集成。
快速热退火处理(Rapid Thermal Annealing，RTA)的工艺参数为：
退火温度为800～900℃；
退火时间为60～120秒。
金属膜蒸镀处理可以为电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等金属膜蒸镀工艺。
步骤S204：以金属颗粒作为掩模，对光刻胶及外延层进行刻蚀，在外延层上刻蚀出纳米柱容纳槽。
步骤S205：在光刻胶的表面及纳米柱容纳槽内沉积出金属薄层。
步骤S206：去除光刻胶及其上的金属薄层，保留纳米柱容纳槽内的金属薄层形成纳米柱阵列。
纳米柱容纳槽内沉积出的金属薄层的厚度等于纳米柱容纳槽的深度，即纳米柱阵列与外延层齐平。
纳米柱阵列使外延层具有纳米柱结构的氮化镓区，以增大肖特基接触电极与外延层的接触面积，加大SBD器件导通时的电流密度，从而提高饱和电流并降低导通电阻；纳米柱阵列还能加强外接偏压对外延层的控制能力，有效提高SBD器件的电流驱动能力，从而降低了SBD器件的开启电压，减小开关损耗。
湿法腐蚀制备纳米柱阵列，包括如下步骤：
S201`、在外延层的表面涂覆光刻胶；
S202`、在外延层上带胶沉积出厚度为5～15nm的金属薄膜层；其中金属薄膜层的材料为镍、金、铂或铜；
S203`、对金属薄膜层进行快速热退火处理或进行金属膜蒸镀处理，使金属薄膜层收缩成金属颗粒；
S204`、以金属颗粒作为掩模，对光刻胶及外延层进行湿法化学腐蚀，在外延层上形成纳米柱容纳槽；
S205`、在光刻胶的表面及纳米柱容纳槽内沉积出金属薄层；
S206`、去除光刻胶及其上的金属薄层，保留纳米柱容纳槽内的金属薄层形成纳米柱阵列。
其中，其中化学腐蚀试剂采用熔融KOH或85℃下50％的KOH水溶液，腐蚀时间以实验中具体速率及纳米柱所需高度为准。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤S2之后还包括如下步骤：
步骤S210：在外延层上避开纳米柱阵列的区域制备浮动金属环。
制备浮动金属环具体包括如下步骤：
步骤S2101：在外延层上位于纳米柱阵列的外圈涂覆光刻胶并形成图案。
在光刻胶上形成图案的目的是作为掩膜，进行光刻工艺。
步骤S2102：将光刻胶的图案转移到外延层上，形成浮动金属环容纳槽。
将光刻胶作为掩膜，对外延层进行刻蚀，将光刻胶的图案转移到外延层上，形成浮动金属环容纳槽。
步骤S2103：在光刻胶的表面及浮动金属环容纳槽内沉积出金属薄层。
金属沉积工艺可以选用热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等工艺。
步骤S2104：去除光刻胶及其上的金属薄层，保留浮动金属环容纳槽内的金属薄层形成浮动金属环。
在外延层上制备的浮动金属环能够调节电场分布，有效避免局部电场集中造成SBD器件击穿，从而提高SBD器件的击穿性能。
步骤S3：在外延层上对应于纳米柱阵列的区域制备肖特基接触电极，及在衬底背离外延层一侧制备欧姆接触电极。
肖特基接触电极是SBD器件的阳极，而欧姆接触电极是SBD器件的阴极。
肖特基接触电极与欧姆接触电极的制备方法均为现有技术，故在此不再赘述。
在本发明的具体实施例中，在步骤S3之后，还包括如下步骤：
步骤S4：在外延层上对应于浮动金属环的区域生长绝缘层。
绝缘层可以为氮化硅、二氧化硅、三氧化二铝等材料。
绝缘层的制备方法为：先对外延层进行光刻，在光刻后利用原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition，ALD)在外延层上生长绝缘层，去胶后得到得到SBD表面的绝缘层。
SBD表面的绝缘层能有效抑制肖特基接触电极边缘及器件表面的电场击穿，增加了反向击穿电压，有效提高了SBD器件的性能。
实施例1
衬底选用一双面抛光的n型高掺杂自支撑氮化镓衬底，再利用有机化学气相沉积(MOCVD)在氮化镓衬底上依次生长厚度为2μm、载流子浓度为1.5×1018cm-3的n+型氮化镓和厚度约为23μm、载流子浓度约为8×1015cm-3的n型氮化镓。氢基硅烷可以用作n型掺杂剂(供体)的Si原料。
干法刻蚀过程中的RTA工艺的工艺参数为：
退火温度为800℃；
退火时间为60秒。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种SBD器件结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在衬底上生长外延层；
S2、通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方式在所述外延层上制备纳米柱阵列；
S3、在所述外延层上对应于所述纳米柱阵列的区域制备肖特基接触电极，及在所述衬底背离所述外延层一侧制备欧姆接触电极；
干法刻蚀的具体包括如下步骤：
S201、在所述外延层的表面涂覆光刻胶；
S202、在所述外延层上带胶沉积出厚度为5～15nm的金属薄膜层；其中所述金属薄膜层的材料为镍、金、铂或铜；
S203、对所述金属薄膜层进行快速热退火处理或进行金属膜蒸镀处理，使所述金属薄膜层收缩成金属颗粒；
S204、以所述金属颗粒作为掩模，对所述光刻胶及所述外延层进行刻蚀，在所述外延层上刻蚀出纳米柱容纳槽；
S205、在所述光刻胶的表面及所述纳米柱容纳槽内沉积出金属薄层；
S206、去除所述光刻胶及其上的金属薄层，保留所述纳米柱容纳槽内的金属薄层形成所述纳米柱阵列。
2.如权利要求1所述的SBD器件结构的制备方法，其特征在于，所述快速热退火处理的工艺参数如下：
退火温度为500～900℃；
退火时间为60～120秒。
3.如权利要求1所述的SBD器件结构的制备方法，其特征在于，所述湿法腐蚀的具体步骤包括：
S201`、在所述外延层的表面涂覆光刻胶；
S202`、在所述外延层上带胶沉积出厚度为5～15nm的金属薄膜层；其中所述金属薄膜层的材料为镍、金、铂或铜；
S203`、对所述金属薄膜层进行快速热退火处理或进行金属膜蒸镀处理，使所述金属薄膜层收缩成金属颗粒；
S204`、以所述金属颗粒作为掩模，对所述光刻胶及所述外延层进行湿法化学腐蚀，在所述外延层上形成纳米柱容纳槽；
S205`、在所述光刻胶的表面及所述纳米柱容纳槽内沉积出金属薄层；
S206`、去除所述光刻胶及其上的金属薄层，保留所述纳米柱容纳槽内的金属薄层形成所述纳米柱阵列。
4.如权利要求1所述的SBD器件结构的制备方法，其特征在于，在步骤S2之后还包括如下步骤：
S210、在所述外延层上避开所述纳米柱阵列的区域制备浮动金属环。
5.如权利要求4所述的SBD器件结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S210具体包括如下步骤：
S2101、在所述外延层上位于所述纳米柱阵列的外圈涂覆光刻胶并形成图案；
S2102、将所述光刻胶的图案转移到所述外延层上，形成浮动金属环容纳槽；
S2103、在所述光刻胶的表面及所述浮动金属环容纳槽内沉积出金属薄层；
S2104、去除所述光刻胶及其上的金属薄层，保留所述浮动金属环容纳槽内的金属薄层形成所述浮动金属环。
6.如权利要求4所述的SBD器件结构的制备方法，其特征在于，在步骤S3之后，还包括如下步骤：
S4、在所述外延层上对应于所述浮动金属环的区域生长绝缘层。
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