CN111987151A - 一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体是涉及一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管。本发明的结构，主要是在传统结构中，提出了低功函数阳极金属与等效固定负电荷的区域形成的高场转移结构。本发明的结构使二极管具有低开启电压、良好正向导通性能和高耐压性能，器件能正向快速导通且具有良好的电流传输性能。在器件处于反向高压状态时，能有效分散阳极附近高场聚集，有效保护器件和电路，具有较高阻断电压的性能，且能在高频、微波领域如实现零偏探测器等场合广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体是涉及一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管(SBD)。
背景技术
III-V族化合物半导体氮化镓(GaN)作为化合物半导体的典型代表，已经成为最具前景的第三代半导体之一。GaN异质结器件具有许多优良的电学特性，如：其高电子迁移率、高的二维电子气(2DEG)浓度等。另外，氮化镓(GaN)材料是一种宽禁带半导体，其化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势，因此在最近十几年得到迅速发展。
二极管是功率电路系统中一种重要组件，GaN基SBD在功率电路或高频电路中可作为电源开关模块或变频驱动模块等等。而基于横向GaN基异质结的SBD可与横向HEMT单片集成，以减少芯片面积而提高效率。
对于SBD应用，反向耐压与开启电压是两个重要性能指标。为了在横向SBD中同时实现高反向击穿电压与低开启电压的两种器件性能，学界进行了许多探索，提出了诸如高功函数金属与低功函数金属混合阳极、阳极附近的凹槽形场板、P-GaN帽层与异形阳极等等结构。如文献Qi,Zhou.,Yang,J.,&Bo,Zhang.(2015).“High Reverse Blocking and LowOnset Voltage AlGaN/GaN-on-Si Lateral Power Diode With MIS-Gated HybridAnode.”IEEE Electron Device Letters,36,660–662报道了一种混合阳极结构，实现了开启电压的降低与击穿电压的提高，但是其混合阳极结构中的凹槽组件对刻蚀精度要求极高，且工序复杂，很难在一般工艺线上精确实现。
另外，公开号为CN110364574A的中国专利公开了一种基于P-GaN帽层和浮空金属环的AlGaN/GaN异质结肖特基二极管器件。此器件的阳极金属在实际中为形成更好的抗压能力往往会选择功函数较高的金属，这样便会大大影响器件的电流运输能力，导致较大的开启电压，弱化了高频性能，阻碍了其更广范围的应用。另外若结合上文提及的混合阳极结构(Zhou et.al.,2015,IEEE Electron Device Letters,36,660–662)和最近新报道的超薄异质结势垒层技术(Huang,Sen et al.2016.“High Uniformity Normally-OFF GaNMIS-HEMTs Fabricated on Ultra-Thin-Barrier AlGaN/GaN Heterostructure.”IEEEElectron Device Letters 37(12):1617–20.http://ieeexplore.ieee.org/document/7590090/.)，其凹槽栅结构的构造过程对刻蚀精度有极高要求，难以保证不伤及势垒层而影响器件性能。目前诸多高击穿电压，低开启电压的实现方法各有缺陷，因此新的实现方法是相关研究的热点。
除此之外，仍有许多问题阻碍GaN SBD的发展，如多个器件性能很难同时提高等等。与此同时，许多实现GaN异质结增强型HEMT的技术手段备受学界关注，如：凹槽栅结构，P型盖帽层技术与F(氟)离子注入技术等等。其中有许多思路对GaN SBD的研究方向有启发作用。
因此，在简化工艺难度且保证工艺精度的前提下，如何实现横向GaN异质结SBD的高性能是目前的一个热门研究方向。国际上的研究者对相关研究投入了极大兴趣，如文献Feiyu,Shen.,Ronghui,Hao.,Baoshun,Zhang.,et al.Enhancement mode AlGaN/GaNHEMTs by fluorine ion thermal diffusion with high Vth stability[J].AppliedPhysics Express,2019,12,066501.报道了稳定F离子注入后阈值电压的手段。相比于刻蚀凹槽栅的方法去实现增强型器件，F离子注入这种技术手段不会刻蚀势垒层，不易引入表面陷阱等缺陷，且将F离子注入技术手段应用于横向SBD鲜有报道，所以此技术手段具有较高的价值。
以上这些探索刚刚起步，如何应对GaN器件发展中的阻碍，更大地挖掘材料性能，开发出新型器件是迫切需要的。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，使SBD同时具备高击穿电压与低开启电压器件特性。
本发明的技术方案是：一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，如图1所示，包括衬底1、位于衬底上表面的缓冲层2和位于缓冲层2上表面的势垒层3，所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；在二极管上表面一侧，具有贯穿势垒层3并延伸入缓冲层2中的阴极金属7，阴极金属7与势垒层3形成欧姆接触；在势垒层3上表面具有钝化层4；在二极管上表面另一侧，具有贯穿势垒层3并延伸入缓冲层2中的阳极金属6，与阳极金属6接触的部分钝化层4，具有带负电荷的区域5，阳极金属6与带负电荷的区域5形成高场转移结构；所述阳极金属6为功函数低于4.7eV的低功函数金属。所述高场转移结构，即是一种特殊的器件耐压结构，包括一种特殊的结终端和所保护的低功函数金属电极。具体来说，此结构的功能是在器件反向偏置下有效保护低功函数金属肖特基阳极不被击穿，且在正向偏置下基本不影响器件正向性能。与一般的耐压结构如场板结构的显著区别在于这里提出的高场转移结构能有效保护低功函数金属制备的电极。实现此性能的物理基础即高电场点的位置的转移，或称高场转移。具体来说即在器件的反向阻断过程中能在所保护的低功函数电极被击穿前，将高电场聚集的点的位置从此电极附近转移到结终端附近。由于结终端的击穿电压远远高于低功函数金属，因此实现了有效的保护作用。
在上述方案中，在钝化层4中形成具有带负电荷的区域5，可以依靠直接引入固定负电荷的方法，也可以依靠降低此区域及附近区域固定正电荷浓度或总量的方法。
本发明总的技术方案即在二极管阳极处实现能形成高场转移的结构。此结构包含具有低功函数金属(如功函数低于4.7eV，下同)的肖特基结，与等效负电荷区域，即上述的一种特殊的结终端。本发明中阳极(A)为低金属功函数的、“Γ”形状的、直接接触异质结界面处2DEG导电沟道的肖特基接触，而非一般二极管中的仅仅置于势垒层上表面的高功函数(如功函数大于4.7eV，下同)阳极接触，因此本发明能开启电压很低，能有效提高电流传输能力；本发明的而另一部分，则由能引入等效固定负电荷的技术实现。所述“能引入等效固定负电荷的技术”包括但不限于：负电荷或负离子直接注入技术如F离子注入或处理技术、势垒层极化效应降低或缓解技术如部分刻蚀或故意晶格损伤技术、正电荷耗尽或部分耗尽技术如引入P型半导体，等等。这种“能引入等效固定负电荷”的区域或结构的特点是其能在不断提高的反向偏置下，有效转移阳极附近的反向高电场集中点位置，用以提供较高的反向电压阻断能力。此过程具体来说即是，当对器件施加反偏电压时，在阳极的金属-半导体接触被击穿之前，2DEG沟道受到等效固定负电荷区域的影响，在此区域附近形成一个空间电荷区，即将原先集中在阳极金属附近的高电场集中点转移到固定负电荷区域附近，阻断反向电流延2DEG沟道的传输，保护了阳极金属和器件、以及整个电路的安全，提高了器件和电路稳定性。
进一步的，阳极金属6还沿势垒层3上表面向靠近阴极金属7的一侧延伸。
更进一步的，所述阳极金属6的功函数大于阴极金属7的功函数，所述金属6为铝或铜等功函数大于4eV的金属或合金，所述阴极金属7为锂或镁等功函数小于或接近4eV的金属和合金。
上述方案中，在靠近阳极一侧采用功函数大于4eV且小于4.7eV的金属形成肖特基接触，使器件在阻断较高反向电压的同时又能在正向偏压下存在较小的开启电压。紧贴阳极的等效负电荷区域能有效分散阳极下的电场集中，承受大部分反向电压，在反向高压击穿阳极前，转移高场峰值，与此同时，夹断导电沟道而减小反向泄露电流从而提高了本器件耐压能力。肖特基接触与F离子注入区域同时作用，增强了SBD对反向电流的阻碍能力，进一步提高了器件和电路稳定性。
进一步的，所述缓冲层2采用的材料为GaN，或者类似于GaN的能与势垒层形成2DEG的材料，所述势垒层3采用的材料为可以为InAlN、AlGaN、InGaN等III族元素与GaN形成的多元合金，或者其他能与缓冲层2形成2DEG的材料。
进一步的，所述介质区域4采用的材料一般但不限于为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3。
本发明的有益效果是：使二极管具有低开启电压、良好正向导通性能和高耐压性能，器件能正向快速导通且具有良好的电流传输性能。在器件处于反向高压状态时，能有效分散阳极附近高场聚集，有效保护器件和电路，具有较高阻断电压的性能，且能在高频、微波领域如实现零偏探测器等场合广泛应用。
附图说明
图1为使用本发明的横向SBD结构示意图；
图2为传统的横向SBD结构示意图；
图3为实施例的结构示意图；
图4为空载状态下传统横向SBD阳极附近电子分布图；
图5为空载状态下实施例阳极附近电子分布图；
图6为实施例正向I-V特性曲线仿真结果；
图7为实施例反向I-V特性曲线仿真结果；
图8为实施例反向耐压时阳极附近电场强度分布；
图9为实施例发生高场转移的示意图；
图10为实施例制作工艺流程中在异质结材料上形成欧姆接触阴极和功函数大于4eV部分的肖特基接触阳极后结构示意图；
图11为在钝化层淀积于AlGaN层后的结构示意图；
图12为实施例制作工艺流程中利用离子注入技术对钝化层进行离子注入后的高场转移结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例
如图3所示，本例包括衬底1、位于衬底上表面的缓冲层2、位于缓冲层2上表面的势垒层3和位于势垒层上面的钝化层4，所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上层一侧具有与其形成欧姆接触的漏极金属7，其另一侧具有高场转移结构，所述高场转移结构由F离子注入区域5和与低功函数阳极金属6构成；所述F离子注入区域5形成于钝化层4之中，阳极金属6底部嵌入缓冲层2中；所述阴极金属与阳极金属与2DEG导电沟道直接接触，且所述阳极金属6与势垒层和缓冲层形成肖特基接触，所述阴极金属7与势垒层和缓冲层形成欧姆接触；阳极金属6还沿势垒层3上表面向靠近阴极金属7的一侧延伸。
本例与常规SBD器件(如图2)不同的是：
1、本例中的SBD中阳极(A)为低金属功函数的、“Γ”形状的、直接接触异质结界面处2DEG导电沟道的肖特基接触，非使用传统技术的由金、镍、铂等高功函数金属形成的在SBD中贴于势垒层表面的阳极。且阳极由功函数大于4eV、小于4.7eV的金属形成，用以提供较低开启电压，且对电压变化有较灵敏的反应，在高频负载电路中可以得到广泛应用。
2、本例中由F离子注入，实现了在阳极附近形成一种引入等效负电荷的结构，使得器件在阻断反向高压时，能有效分散聚集在阳极下的电场分布，在高压击穿阳极前，转移高场峰值，极大提高了器件的耐压能力，保证了器件的稳定性。
本例中为AlGaN/GaN异质结，异质结界面由于极化效应形成高浓度2DEG，这种2DEG是器件电流输运通道，一般横向SBD器件由于阳极贴于势垒层表面肖特基结，选用低功函数金属获得器件的低开启电压，则难以保证实现合理的反向击穿电压。而应用本技术，在使用低功函数金属阳极的前提下，使得阳极成“Γ”形状，直接接触2DEG并形成肖特基结以获得低开启电压，且高场转移技术的实现使得器件拥有良好的耐压性能，为器件提供了良好的反向击穿电压。如图4、图5所示，其中图4是阳极未加电压时2DEG沟道附近电子分布、图5是阳极电压未加电压时2DEG沟道附近的电子分布，应用此技术也保证了正向电流的输运能力。
利用仿真软件Silvaco-Altas对应用此技术的一种器件进行建模并对器件电特性进行仿真。在本仿真中，阴极长4um，阳极由功函数大于4eV、小于5eV的金属合金构成肖特基接触，其中2um与2DEG沟道接触，2um贴于势垒层表面，阴极由功函数小于4eV的金属构成欧姆接触，阳极阴极之间距离5um。AlGaN势垒层厚5nm，GaN层厚3um。为了更合理地模拟实际器件，仿真中对AlGaN层和GaN层引入了1016cm-3数量级的受主型陷阱。
从图4、图5可以看出，此器件引入带负电的F离子区域，对2DEG沟道并未造成很大的影响，保证了正向电流输运能力，原因是：
根据F离子注入的理论，将带负电的F离子注入靠近阳极金属的钝化层，注入层下方的势垒层导带能带会被提高，当导带底部高到一定程度时，器件的正向性能不受影响却可以在反向高压偏置下，迅速耗尽异质结界面的2DEG，夹断导电沟道。同时，结合不同功函数的金属淀积技术和退火技术，形成低功函数金属阳极，调制肖特基接触势垒厚度，形成高场转移结构，并且在阴极以低功函数金属阴极形成欧姆接触，实现了一种具有低开启电压高击穿电压肖特基势垒二极管(SBD)器件。
图6分别是器件正向I-V特性仿真结果曲线。NFI表示离子注入浓度，LFI表示离子注入区域长度，由图可以看出器件在适当的正向电压下能实现优秀的SBD器件性能，器件电流输运能力很强，且在合理的F离子注入浓度下有良好的导通能力。
图7是器件反向I-V特性仿真结果曲线的半对数坐标图。由图中可看出，按1mA/mm漏电为击穿节点算，本发明耐压能力在探讨范围内最高可达到700V左右。
图8是本例反向耐压时电场强度分布，可见本器件在反向耐压时，F离子注入区域部分承受大部分电压的同时，有效地使阳极金属部分承受的电压减小，提高了本器件耐压能力。
图9是本例发生高场转移的示意图。由图可以看出，当反向压为2V时，电场峰值出现在阳极边界，而当反向电压高达500V时，高场峰值发生了转移，出现在氟离子注入区域边界。
仿真结果表明，本发明所公开的SBD器件不仅具有优秀的正向导通性能，还具有能承受很高的击穿电压的性能。另外，本技术的实现，不会损伤势垒层，且不易引入陷阱等缺陷，且对工艺精度要求较低，工序简单。
本例的一种制造方法可以为：
1.首先形成异质结，以及在其上形成欧姆接触阴极和功函数大于4eV、小于5eV金属部分的肖特基接触Γ型阳极，如图10所示；
2.利用离子体增强化学气淀积法(PECVD)生成Si3N4钝化层，如图11所示；
3.使用高能离子注入机对阳极附近钝化层进行离子注入，并打开电极窗口最终器件成型，如图12所示。
Claims (5)
1.一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，包括衬底(1)、位于衬底上表面的缓冲层(2)和位于缓冲层(2)上表面的势垒层(3)，所述缓冲层(2)与势垒层(3)形成异质结；在二极管上表面一侧，具有贯穿势垒层(3)并延伸入缓冲层(2)中的阴极金属(7)，阴极金属(7)与势垒层(3)形成欧姆接触；在势垒层(3)上表面具有钝化层(4)；其特征在于，在二极管上表面另一侧，具有贯穿势垒层(3)并延伸入缓冲层(2)中的阳极金属(6)，与阳极金属(6)接触的部分钝化层(4)，具有带负电荷的区域(5)，阳极金属(6)与带负电荷的区域(5)形成高场转移结构；所述阳极金属(6)为功函数低于4.7eV的低功函数金属；所述高场转移结构的定义是，通过带负电荷的区域(5)保护阳极金属(6)不被击穿的结构，是通过高电场点的位置转移，在器件的反向阻断过程中在所保护的低功函数金属电极被击穿前，将高电场聚集的点的位置从低功函数金属电极附近转移到带负电荷的区域(5)附近。
2.根据权利要求1所述的一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，其特征在于，阳极金属(6)还沿势垒层(3)上表面向靠近阴极金属(7)的一侧延伸。
3.根据权利要求2所述的一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，其特征在于，所述阳极金属(6)的功函数大于阴极金属(7)的功函数。
4.根据权利要求3所述的一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，其特征在于，所述缓冲层(2)采用的材料为GaN，所述势垒层3采用的材料为InAlN、AlGaN、InGaN中的一种与GaN形成的多元合金。
5.根据权利要求4所述的一种具有高场转移结构的异质结肖特基势垒二极管，其特征在于，所述钝化层(4)采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2和Sc2O3中的一种。
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