CN112038411B - 基于碳化硅衬底的垂直氮化铝pn结二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，主要解决现有PN结二极管击穿电压低和额定功率低的问题。其自下而上包括阴极(1)、衬底(2)、n型外延层(3)、p型外延层(4)、阳极(5)，阳极的两侧与p型外延层上部的相交处设有钝化层(6)。其中，衬底采用n型高掺碳化硅，其掺杂浓度为1017‑1020cm‑3；n型外延层和p型外延层采用氮化铝材料，且n型外延层的掺杂浓度为1013‑1019cm‑3，p型外延层的掺杂浓度为1013‑1019cm‑3；该p型外延层两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区。本发明抑制了反向漏电，提高了器件的击穿电压。可用作大功率的电力电子器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种垂直结构的氮化铝PN结二极管，可用作大功率的电力电子器件。
背景技术
电力电子器件主要作为电力设备中的大功率电子器件的功率转换和控制，目前已经广泛应用于机械行业、冶金业、电力系统中，并扩展到汽车、家用电器、医疗设备和照明这一系列领域中。PN结二极管作为电力电子器件的核心之一，其基本特点就是高耐压耐流和大功率。如今，硅基PN结二极管占据了主流PN结二极管的消费市场。随着科技的快速发展，对电力电子器件提出了更高的耐压耐流和高功率的需求。为了满足需求对硅基PN结二极管进行了进一步的优化：对器件进行表面钝化、设计缓冲层和器件终端结构以抑制电流崩塌；将器件设计成垂直结构，使峰值电场和高电场区从表面转移到器件内部，以进一步提高击穿电压。这些措施使得硅基二极管在实现更高耐压耐流和高功率方面的性能已经接近硅基材料的理论极限，面对电力电子器件更高的耐压耐流和高功率的需求，这种硅基PN结二极管已经无法满足需求。属于超宽禁带半导体材料的氮化铝凭借其高达6.1eV的禁带宽度、较高的电子迁移率、高达12MV/cm的临界电场强度、数量级高达104的巴利加优值、小的介电常数、高的电阻率和热导率为340W/(m*K)的优良特性，成为制备耐高压、高温电力电子器件的理想选择，在解决目前硅基PN结二极管在电力电子领域的困境拥有巨大的发展潜力。然而，目前关于氮化铝在电力电子器件的研究中并无氮化铝PN结二极管。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管及制备方法，以提高PN结二极管的额定功率和耐高压耐流，满足电力电子器件的实际需求。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，自下而上包括：阴极、衬底、n型外延层、p型外延层、阳极，阳极两侧与p型外延层上部的相交处设有钝化层，其特征在于：
所述衬底采用n型高掺碳化硅，其掺杂浓度为1017-1020cm-3，以提高外延层的质量；
所述n型外延层和p型外延层采用氮化铝材料，其中n型外延层的掺杂浓度为1013-1019cm-3，p型外延层的掺杂浓度为1013-1019cm-3，以提高击穿电压；
所述p型外延层两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区，以抑制反向漏电，提高器件的击穿电压。
进一步，阴极与衬底形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。
进一步，阳极与p型外延层形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合。
进一步，钝化层为绝缘材料Al2O3、SiO2、SiNx、HfO2中的任意一种或两种及以上的组合。
进一步，所述衬底的厚度为100-5000μm；所述n型外延层与p型外延层的总厚度不超过20μm。
2.一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管的制备方法，其特征在于，包括如下：
1)选用外延片，并依次进行有机清洗与无机清洗，该外延片自下而上包括掺杂浓度为1017-1020cm-3且厚度为100-5000μm的n型高掺杂碳化硅衬底、掺杂浓度为1013-1019cm-3n型氮化铝外延层和掺杂浓度为1013-1019cm-3p型氮化铝外延层，且氮化铝外延层的总厚度不超过20μm；
2)在高掺杂n型碳化硅衬底背侧采用蒸发工艺淀积阴极金属，并根据阴极金属的材料，在400-1200℃条件下进行退火30s-10min处理，形成欧姆接触，获得阴极；
3)在p型氮化铝外延层上制作掩膜，并采用离子注入工艺在p型氮化铝外延层两侧注入高能离子，形成高阻区；
4)将完成离子注入的外延片进行光刻，获得阳极图形，并采用蒸发工艺在p型氮化铝外延层上淀积阳极金属，形成欧姆接触，获得阳极；
5)将完成上述步骤的外延片采用电感耦合等离子体增强型化学气相淀积工艺生长钝化层；
6)将生长完钝化层的外延片材料进行光刻，获得阳极图形；用反应离子刻蚀系统在阳极图形区域刻蚀掉钝化层，完成器件制作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明的n型外延层和p型外延层由于均采用氮化铝材料，因而
提高了器件的击穿电压；
2.本发明的衬底由于采用n型碳化硅衬底，利用氮化铝与碳化硅晶格匹配的特性，提高了外延层的质量，使器件能够充分发挥氮化铝材料具有的超高临界电场强度的优势；
3.本发明由于在p型外延层两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区，抑制了反向漏电，提高了器件的击穿电压。
附图说明
图1是本发明的垂直氮化铝PN结二极管结构图；
图2是本发明制作图1器件的实现流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，本发明基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，自下而上包括阴极1、衬底2、n型外延层3、p型外延层4、阳极5，阳极5两侧与p型外延层4上部的相交处设有钝化层6。该阴极1与衬底2形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合；该衬底2采用n型高掺杂碳化硅，其厚度为100-5000μm，掺杂浓度为1017-1020cm-3；该n型外延层3采用氮化铝材料，掺杂浓度为1013-1019cm-3；该p型外延层4采用氮化铝材料，掺杂浓度为1013-1019cm-3，两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区；n型外延层3与p型外延层4的总厚度不超过20μm；该阳极5与p型外延层4形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合；该钝化层6为绝缘材料Al2O3、SiO2、SiNx、HfO2中的任意一种或两种及以上的组合。
参照图2，本发明制作基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，给出如下三个实施例：
实施例1，制作阳极金属为Ni/Au，阴极金属为钛，离子注入为镁离子，钝化层为氮化硅的垂直氮化铝PN结二极管。
步骤1：对外延片进行清洗。
1.1)选用外延片：
本实施例使用的外延片，其自下而上包括高掺杂n型碳化硅衬底、n型氮化铝外延层、p型氮化铝外延层的外延片材料，其中碳化硅衬底的厚度是400μm，掺杂浓度为8×1018cm-3，n型氮化铝外延层的厚度是1μm，掺杂浓度是1×1016cm-3，p型氮化铝外延层的厚度是800nm，掺杂浓度为5×1015cm-3。
1.2)对外延片进行预处理：
将上述外延片依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5min，然后将外延片放入10％的HF溶液中浸泡2min，最后用去离子水清洗外延片并用氮气吹干。
步骤2：制作阴极。
2.1)将预处理后的外延片放入电子束蒸发台，在碳化硅衬底的一侧淀积厚度为100nm的金属钛作为阴极金属；
2.2)将淀积了阴极金属的外延片放入快速热退火炉中，在900℃温度下的氩气氛围中退火3min，形成欧姆接触。
步骤3：制作高阻区。
3.1)在p型氮化铝外延层上制作掩膜，光刻出离子注入区域，
3.2)将光刻出离子注入区域的外延片放入离子注入系统中，向离子注入区域注入镁离子，设离子注入角度为7°，用不同的能量与剂量分三次注入，最终在深度为0-500nm的范围内形成高阻区域，其中：
第一次注入能量为70keV，注入剂量为1.3×1014cm-2；
第二次注入能量为140keV，注入剂量为2.2×1014cm-2；
第三次注入能量为240keV，注入剂量为4.6×1014cm-2。
步骤4：制作阳极。
4.1)将离子注入后的外延片分别在超净水、无水乙醇中超声清洗10min，最后用高纯氮气吹干；
4.2)将清洗后的外延片光刻出阳极区域，再将外延片放入电子束蒸发台，淀积60/60nm的Ni/Au作为阳极电极。
步骤5：在p型氮化铝外延层上生长钝化层。
5.1)将离子注入后的外延片放入电感耦合等离子体增强型化学气相淀积设备中，设置反应压力为10mtorr、温度为300℃、射频源功率为150W、离子源功率为2400W的条件；
5.2)向反应室同时通入流量为40sccm的SiH4和流量为40sccm的N2，在外延片的p型氮化铝外延层一侧生长厚度为250nm的氮化硅作为钝化层。
步骤6：刻蚀掉阳极上方的氮化硅。
6.1)对生长完氮化硅的外延片材料进行光刻，获得阳极图形；
6.2)用反应离子刻蚀系统在阳极图形区域刻蚀掉氮化硅，完成器件制作。
实施例2：制作阳极金属为Au，阴极金属为镍，离子注入为氮离子，钝化层为氮化硅和二氧化硅的垂直氮化铝PN结二极管。
步骤A：选用外延片，并进行预处理。
A1)选取外延片：
本实施例使用的外延片，其自下而上包括高掺杂n型碳化硅衬底、n型氮化铝外延层、p型氮化铝外延层的外延片材料，其中碳化硅衬底的厚度是100μm，掺杂浓度为5×1017cm-3，n型氮化铝外延层的厚度是12μm，掺杂浓度是1×1013cm-3，p型氮化铝外延层的厚度是7μm，掺杂浓度为3×1018cm-3。
A2)对外延片进行预处理：
将上述外延片依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5min，然后将外延片放入10％的HF溶液中浸泡2min，最后用去离子水清洗外延片并用氮气吹干。
步骤B：制作阴极。
B1)将预处理后的外延片先放入电子束蒸发台，在碳化硅衬底的一侧淀积厚度为180nm的金属镍作为阴极金属；
B2)将淀积了阴极金属的外延片放入快速热退火炉中，在950℃温度下的退火5min形成欧姆接触。
步骤C：制作高阻区。
C1)在p型氮化铝外延层上先制作掩膜，光刻出离子注入区域；
C2)将光刻出离子注入区域的外延片放入离子注入系统中，设离子注入角度为5°，用不同的能量与剂量分三次向离子注入区域注入氮离子，即第一次注入能量为30keV，注入剂量为1.6×1014cm-2；第二次注入能量为85keV，注入剂量为1.8×1014cm-2；第三次注入能量为130keV，注入剂量为3.6×1014cm-2，最终在深度为0-800nm的范围内形成高阻区域。
步骤D：制作阳极。
D1)将离子注入后的外延片分别在超净水、无水乙醇中超声清洗10min，最后用高纯氮气吹干；
D2)在清洗后的外延片上光刻出阳极区域，再将外延片放入电子束蒸发台，在反应室压强为5×10-4Pa，温度为200℃的条件下，淀积厚度为200nm的Au作为阳极电极。
步骤E：在p型氮化铝外延层上生长钝化层。
E1)将离子注入后的外延片放入电感耦合等离子体增强型化学气相淀积设备中，设置反应压力为10mtorr、温度为300℃、射频源功率为150W、离子源功率为2400W，向反应室同时通入流量为40sccm的SiH4和流量为40sccm的N2，在外延片的p型氮化铝外延层一侧生长厚度为150nm的氮化硅；
E2)再次调整电感耦合等离子体增强型化学气相淀积工艺参数，设置反应压力为90mtorr、温度为75℃、射频源功率为100W、离子源功率为2000W的条件，向反应室同时通入流量为17sccm的SiH4和流量为80sccm的N2O，在氮化硅上生长厚度为150nm的二氧化硅，完成钝化层的生长。
步骤F：刻蚀掉阳极上方的氮化硅和二氧化硅钝化层。
F1)对生长完氮化硅和二氧化硅钝化层的外延片进行光刻，获得阳极图形；
F2)用反应离子刻蚀系统在阳极图形区域刻蚀掉氮化硅和二氧化硅钝化层，完成器件制作。
实施例3：制作阳极金属为Pt/Au，阴极金属为Ti/Al，离子注入为氟离子，钝化层为二氧化硅的垂直氮化铝PN结二极管。
步骤一：选用对外延片并进行清洗。
本实施例使用的外延片，其自下而上包括高掺杂n型碳化硅衬底、n型氮化铝外延层、p型氮化铝外延层的外延片材料，其中碳化硅衬底的厚度是5000μm，掺杂浓度为8×1019cm-3，n型氮化铝外延层的厚度是3μm，掺杂浓度是5×1018cm-3，p型氮化铝外延层的厚度是10μm，掺杂浓度为8×1013cm-3；
将上述外延片依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5min，然后将外延片放入10％的HF溶液中浸泡2min，最后用去离子水清洗外延片并用氮气吹干。
步骤二：制作阴极。
将预处理后的外延片放入电子束蒸发台，在碳化硅衬底一侧淀积厚度为60/120nm的Ti/Al为阴极金属；再将淀积了阴极金属的外延片放入快速热退火炉中，在1000℃温度下的退火5min形成欧姆接触。
步骤三：制作高阻区。
在p型氮化铝外延层上先制作掩膜，光刻出离子注入区域；再将光刻出离子注入区域的外延片放入离子注入系统中向离子注入区域注入氟离子，离子注入角度为5°，用不同的能量与剂量分三次注入，即第一次注入能量为50keV，注入剂量为1.4×1014cm-2；第二次注入能量为125keV，注入剂量为2×1014cm-2；第三次注入能量为250keV，注入剂量为9.8×1014cm-2，最终在深度为0-800nm的范围内形成高阻区域。
步骤四：制作阳极。
对离子注入后的外延片分别在超净水、无水乙醇中超声清洗10min，最后用高纯氮气吹干；清洗之后光刻出阳极区域，再将外延片放入电子束蒸发台，淀积60/200nm的Pt/Au作为阳极电极。
步骤五：在p型氮化铝外延层上生长钝化层。
将离子注入后的外延片放入电感耦合等离子体增强型化学气相淀积设备中，设置反应压力为90mtorr、温度为75℃、射频源功率为100W、离子源功率为2000W，并向反应室同时通入流量为17sccm的SiH4和流量为80sccm的N2O，在氮化硅上生长厚度为300nm的二氧化硅，完成钝化层的生长。
步骤六：刻蚀掉阳极上方的钝化层。
对生长完二氧化硅钝化层的外延片材料进行光刻，获得阳极图形；用反应离子刻蚀系统在阳极图形区域刻蚀掉二氧化硅钝化层，完成器件制作。
以上描述仅为本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，例如阴极除以上使用的金属外，还可使用Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合；阳极除以上使用的金属外，还可使用Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合；离子注入的离子元素除以上使用的金属外，还使用H、He、Ne、Ar、Fe中的一种；离子注入工艺参数除以上使用外，注入能量还可为30-250keV，注入计量还可为1×1014-1×1015，离子注入角度还可为5°-7°；电感耦合等离子体增强型化学气相淀积工艺参数除以上使用外，射频源功率还可为50-270W，离子源功率还可为300-2700W，SiH4流量还可为0-90sccm，N2O流量还可为0-100sccm，N2流量还可为20-180sccm，反应压力还可为0-90mtorr，温度范围还可为75-300℃；钝化层除以上使用的绝缘材料外，还可使用Al2O3、SiO2、SiNx、HfO2中的任意一种或两种及以上的组合。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，自下而上包括阴极(1)、衬底(2)、n型外延层(3)、p型外延层(4)、阳极(5)，阳极(5)两侧与p型外延层(4)上部的相交处设有钝化层(6)，其特征在于：
所述衬底(2)采用n型高掺碳化硅，其掺杂浓度为1017-1020cm-3，以提高外延层的质量；
所述n型外延层(3)和p型外延层(4)均采用氮化铝材料，且n型外延层(3)的掺杂浓度为1013-1019cm-3，p型外延层(4)的掺杂浓度为1013-1019cm-3，以提高击穿电压；
所述p型外延层(4)两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区，以抑制反向漏电，提高器件的击穿电压。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：阴极(1)与衬底(2)形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。
3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：阳极(5)与p型外延层(4)形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：钝化层(6)为绝缘材料Al2O3、SiO2、SiNx、HfO2中的任意一种或两种及以上的组合。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
衬底(2)的厚度为100-5000μm；
n型外延层(3)与p型外延层的总厚度不超过20μm。
6.一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选用外延片，并依次进行有机清洗与无机清洗，该外延片自下而上包括掺杂浓度为1017-1020cm-3且厚度为100-5000μm的n型高掺杂碳化硅衬底、掺杂浓度为1013-1019cm-3n型氮化铝外延层和掺杂浓度为1013-1019cm-3p型氮化铝外延层，且氮化铝外延层的总厚度不超过20μm；
2)在高掺杂n型碳化硅衬底背侧采用蒸发工艺淀积阴极金属，并根据阴极金属的材料，在400-1200℃条件下进行退火30s-10min处理，形成欧姆接触，获得阴极；
3)在p型氮化铝外延层上制作掩膜，并采用离子注入工艺在p型氮化铝外延层两侧注入高能离子，形成高阻区；
4)将完成离子注入的外延片进行光刻，获得阳极图形，并采用蒸发工艺在p型氮化铝外延层上淀积阳极金属，形成欧姆接触，获得阳极；
5)将完成上述步骤的外延片采用电感耦合等离子体增强型化学气相淀积工艺生长钝化层；
6)对生长完钝化层的外延片材料进行光刻，获得阳极图形；用反应离子刻蚀系统在阳极图形区域刻蚀掉钝化层，完成器件制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，3)中在p型氮化铝外延层两侧注入高能离子，其元素为H、He、N、F、Ne、Mg、Al、Ar、Fe中的一种。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，3)中的离子注入，其工艺参数如下：
注入能量为30-250keV；
注入剂量为1×1014-1×1015；
离子注入角度5°-7°。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，5)中的电感耦合等离子体增强型化学气相淀积，其工艺参数如下：
射频源功率为50-270W；
离子源功率为300-2700W；
SiH4流量为0-90sccm；
N2O流量为0-100sccm；
N2流量为20-180sccm；
反应压力为0-90mtorr；
温度范围为75-300℃。
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