CN116387368A - 垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物铁电半导体肖特基二极管，主要解决现有氮化物肖特基二极管击穿电压低、开启电压难调控的问题。其自下而上包括阴极(6)、衬底(1)、传输层(2)、漂移层(3)、铁电介质层(4)、氧化层(5)及阳极(7)。其中漂移层(3)和铁电介质层(4)均为具有铁电特性的氮化物半导体，铁电介质层(4)采用原位外延生长且其禁带宽度小于漂移层(3)，氧化层(5)通过氧化铁电介质层(4)表面形成。本发明利用漂移层(3)和铁电介质层(4)的铁电极化特性提高了反向耐压并能调控器件开启电压，利用原位生长和离位氧化相结合方法减少介质层缺陷并降低器件反向漏电，提高击穿电压和可靠性，可用于微波整流和功率开关电路。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种肖特基二极管，可用于微波整流和功率开关电路。
背景技术
肖特基二极管是利用金属和半导体接触形成金属-半导体结而制备的电子器件，具有低开启电压、高开关频率和低噪声的特点。肖特基二极管器件分为横向结构和垂直结构，横向结构肖特基二极管需要消耗大的芯片面积来保证高的耐压能力。相比之下，垂直结构肖特基二极管仅需通过增加漂移层厚度而不增加器件横向尺寸即可提高击穿特性。同时，垂直结构肖特基二极管依靠体材料导电，导电通道宽、电流密度大、不易受表面态影响且具有更好的动态特性。由于其具有高的击穿场强和高的介电常数，基于氮化镓材料的垂直结构肖特基二极管凭借其优异的材料特性与结构特点，在微波整流和功率开关领域具有重要应用前景。
传统的垂直结构GaN肖特基二极管器件结构如图1所示，其自下而上包括阴极、衬底、传输层、漂移层和阳极。在施加反向偏置电压时，该器件仅依靠漂移层承受电压，存在大的反向漏电导致击穿电压低的问题。针对传统的垂直结构GaN肖特基二极管击穿电压低、不能满足实际应用需求的问题，现有技术主要通过调整垂直结构GaN肖特基二极管漂移层材料的掺杂浓度、设计阳极场板终端结构、阳极金属界面优化等方案来解决。
2021年，西安电子科技大学在申请号为CN202110658267的专利文件中公布了一种基于原位生长MIS结构的垂直GaN肖特基二极管及其制备方法，该器件对传统的垂直结构GaN肖特基二极管进行了结构改进。即在传统垂直结构GaN肖特基二极管的漂移层与阳极之间插入原位生长的介质层，通过增加介质层及提高界面质量来减小反向漏电，从而提高器件反向击穿电压。但该方法对器件反向击穿特性的改善效果有限，且不能调控器件开启电压。
2022年，Huang等人在文章《MIS-Based GaN Schottky Barrier Diodes:Interfacial Conditions on the Reverse and Forward Properties》中提出：在垂直结构GaN肖特基二极管漂移层与阳极金属之间插入1nm的Al2O3介质层可以降低漏电流，从而提高器件击穿电压，但采用原子层淀积工艺等在漂移层上离位生长的Al2O3介质层材料质量不高，介质层和漂移层之间存在高密度的界面态，影响器件动态可靠性，且对击穿电压的提升有限。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管及制备方法，以利用铁电极化特性来调控器件内部电场和极化分布，提高器件反向击穿电压，改善器件可靠性，并在器件开启电压调控方面带来更大自由度。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管，其自下而上包括阴极、衬底、传输层、漂移层及阳极，其特征在于：所述漂移层采用铁电材料，其与阳极之间自下而上依次设置有铁电介质层和氧化层；利用漂移层和铁电介质层的铁电极化特性，调控器件内部电场和极化分布，提高反向耐压并调控器件开启电压；通过铁电介质层和氧化层的结合，提高器件的反向击穿电压并减少表面缺陷。
进一步，所述铁电介质层采用具有铁电极化特性的氮化物单晶材料，其禁带宽度小于漂移层的禁带宽度，其厚度为5nm-20nm。
进一步，所述漂移层采用具有铁电极化特性的氮化物半导体材料，其厚度为1μm-10μm。
进一步，所述氧化层为氧化铁电介质层表面形成的氧化物，其厚度为1nm-3nm。
进一步，所述传输层采用GaN、AlGaN、InGaN中的任意一种材料，其厚度为0.2μm-5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1020cm-3。
进一步，所述衬底采用n型氮化镓、n型氮化铝、n型碳化硅、n型硅中的任意一种材料。
进一步，所述阳极采用Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种组合的金属材料；所述阴极采用Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合的金属材料。
2.制作上述垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底的上部，采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术淀积厚度为0.2μm-5μm、掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1020cm-3的传输层；
2)采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术，在传输层上生长厚度为1μm-10μm的漂移层；
3)采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术，在漂移层上原位外延生长厚度为5nm-20nm的单晶氮化物铁电介质层；
4)采用氧等离子体处理技术，对铁电介质层表面离位氧化，形成厚度为1nm-3nm的氧化层；
5)在衬底的下部，制备出阴极；
6)在氧化层的上部，制备出阳极，完成器件制作。
进一步，所述步骤5)制作阴极，是先采用光刻工艺定义阴极图形，并采用电子束蒸发工艺在其上淀积阴极金属；再根据阴极金属材料，在800℃-1200℃条件下进行退火30s-5min形成欧姆接触。
进一步，所述步骤6)制作阳极，是先采用光刻工艺定义阳极图形，并采用电子束蒸发工艺在其上淀积阳极金属，形成肖特基接触。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明采用具有铁电极化特性的氮化物半导体作为漂移层和铁电介质层，由于该材料介电常数大、临界场强大，可在保持漂移层厚度不变的情况下增大反向击穿电压，获得高的击穿特性；同时由于漂移层和铁电介质层具有铁电极化特性，在施加反向电压时极化方向可发生反转，进一步提高器件的反向击穿电压。
2.本发明在漂移层上方设置铁电介质层，由于这两层氮化物材料具有自发极化和压电极化效应，且漂移层的禁带宽度大于铁电介质层的，可在铁电介质层下方产生二维空穴气，漂移层与铁电介质层沿着生长方向形成整体的反向PN结结构，提高了器件的反向击穿电压。
3.本发明的铁电介质层采用原位外延方法生长，可以避免在铁电介质层与漂移层界面引入界面态，提高器件动态特性稳定性。
4.本发明采用离位氧化铁电介质层表面的方法形成氧化层，形成高击穿场强介质，可钝化铁电介质层表面缺陷，降低器件反向漏电，进一步提高器件反向击穿电压和可靠性。
附图说明
图1是传统垂直结构GaN肖特基二极管的结构示意图；
图2是本发明垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管的结构示意图；
图3是本发明制作垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管的实现流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施例作进一步详细描述：
参照图2，本发明的垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管，包括阴极7，衬底1，传输层2，漂移层3，铁电介质层4，氧化层5和阳极6。
所述衬底1，采用n型氮化镓、n型氮化铝、n型碳化硅、n型硅中的任意一种材料。
所述传输层2，位于衬底1的上方，采用GaN、AlGaN、InGaN中的任意一种材料，其厚度为0.2μm-5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1020cm-3。
所述漂移层3，位于传输层2的上方，采用具有铁电极化特性的氮化物半导体材料，其厚度为1μm-10μm。
所述铁电介质层4，位于漂移层3上方，采用具有铁电极化特性的氮化物单晶半导体材料，其禁带宽度小于漂移层3的禁带宽度，厚度为5nm-20nm。
所述氧化层5，位于铁电介质层4的上方，其采用氧化铁电介质层4表面形成的氧化物，厚度为1nm-3nm。
所述阳极6，位于氧化层5的上方，采用Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种组合的金属材料。
所述阴极7，位于衬底1下方，采用Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合的金属材料。
参照图3，本发明制作垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管给出如下三种实施案例。
实施例一，制作漂移层采用厚度为10μm的BAlN材料，铁电介质层采用厚度为20nm的BGaN材料，衬底采用n型碳化硅材料，传输层采用n型InGaN，阳极金属采用Ni/Au，阴极金属采用Ti的垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管。
步骤一，淀积InGaN传输层，如图3(a)。
使用金属有机物化学气相淀积技术在n型碳化硅衬底1上淀积厚度为0.2μm、掺杂浓度为5×1020cm-3的n型InGaN传输层2。
淀积的工艺条件：温度为600℃，压强为200Torr，氨气流量为5000sccm，氢气流量为3500sccm，镓源流量为200sccm，铟源流量为120sccm。
步骤二，淀积BAlN漂移层，如图3(b)。
使用金属有机物化学气相淀积技术在n型InGaN传输层2上淀积厚度为10μm的BAlN漂移层3。
淀积的工艺条件：温度为1300℃，压强为400Torr，氨气流量为4000sccm，氢气流量为5000sccm，铝源流量为60sccm，硼源流量为30μmol/min。
步骤三，淀积BGaN铁电介质层，如图3(c)。
使用金属有机物化学气相淀积技术在BAlN漂移层3上原位淀积20nm的BGaN铁电介质层4。
淀积的工艺条件：温度为1000℃，压强为300Torr，氨气流量为3000sccm，氢气流量为3500sccm，镓源流量为50sccm，硼源流量为10μmol/min。
步骤四，生长BGaON氧化层，如图3(d)。
使用氧等离子体氧化BGaN铁电介质层4表面，氧化生成3nm的BGaON氧化层5。
氧化的工艺条件：氧等离子体流量500sccm，氧等离子体处理功率300W，氧化时间300s。
步骤五，制作阴极，如图3(e)。
采用光刻工艺定义阴极图形，使用电子束蒸发工艺，在n型碳化硅衬底1底部淀积厚度为100nm的Ti作为阴极金属，使用快速热退火技术，对制作好的阴极金属进行退火，形成欧姆接触，制备出阴极7。
电子束蒸发采用的工艺条件：真空度小于1.2×10-3Pa，功率为400W，蒸发速率为
退火采用的工艺条件：氮气氛围，温度为830℃，退火时间5min。
步骤六，在BGaON氧化层上制作阳极，如图3(f)。
采用光刻工艺在BGaON氧化层5上定义阳极图形，使用电子束蒸发工艺在BGaON氧化层5上淀积50/100nm的Ni/Au作为阳极金属，形成肖特基接触，制备出阳极6，完成器件制作。
电子束蒸发采用的工艺条件：真空度小于1.2×10-3Pa，功率为400W，蒸发速率为
实施例二，制作漂移层采用厚度为1μm的YAlN材料，铁电介质层采用厚度为5nm的YGaN材料，衬底采用n型氮化铝材料，传输层采用n型AlGaN，阳极金属采用Ni/Au/Ni，阴极金属采用Ti/Al/Ni/Au的垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管。
步骤1，使用分子束外延技术外延n型AlGaN传输层，如图3(a)。
设置温度为750℃，氮气流量为3.2sccm，铝束流平衡蒸气压为3.5×10-7Torr，镓束流平衡蒸气压为9.5×10-7Torr，氮气射频源功率为380W的工艺条件，在n型氮化铝衬底1上外延厚度为1μm、掺杂浓度为1×1020cm-3的n型AlGaN传输层2。
步骤2，使用分子束外延技术外延YAlN漂移层，如图3(b)。
设置温度为620℃，氮气流量为3.2sccm，铝束流平衡蒸气压为0.6×10-7Torr，钇束流平衡蒸气压为1.8×10-8Torr，氮气射频源功率为380W的工艺条件，在n型AlGaN传输层2上外延厚度为1μm的YAlN漂移层3。
步骤3，使用分子束外延技术外延YGaN铁电介质层，如图3(c)。
设置温度为580℃，氮气流量为0.6sccm，镓束流平衡蒸气压为3.2×10-7Torr，钇束流平衡蒸气压为0.6×10-8Torr，氮气射频源功率为320W的工艺条件，在YAlN漂移层3上原位外延厚度为5nm的YGaN铁电介质层4。
步骤4，使用氧等离子体氧化YGaN铁电介质层表面，形成YGaON氧化层，如图3(d)。
设置氧气流量为100sccm，等离子体处理功率为300W，氧化时间为30s，在YGaN铁电介质层4表面，离位氧化生长1nm的YGaON氧化层5。
步骤5，在衬底底部淀积阴极金属，退火形成阴极，如图3(e)。
采用光刻工艺定义阴极图形，设置真空度小于1.2×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为
的工艺条件，在n型氮化铝衬底1底部淀积厚度为30/150/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属；
再设置温度为850℃，在氮气气氛中对阴极金属退火30s形成欧姆接触，制备出阴极7。
步骤6，在YGaON氧化层上制作阳极，如图3(f)。
使用光刻工艺在YGaON氧化层5上制作掩膜，形成阳极图形窗口；再使用电子束蒸发工艺在真空度小于1.2×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为
的工艺条件下，在阳极图形窗口中淀积厚度为50/90/150nm的Ni/Au/Ni金属，形成肖特基接触，制备出阳极6，完成器件制作。
实施例三，制作漂移层采用厚度为2μm的ScAlN材料，铁电介质层采用厚度为10nm的ScGaN材料，衬底采用n型氮化镓衬底，传输层采用n型GaN，阳极金属为W/Au，阴极金属为Ti/Al的垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管。
步骤A，淀积n型GaN传输层，如图3(a)。
使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为3000sccm，氢气流量为4000sccm，镓源流量为180sccm的条件下，在n型氮化镓衬底1上淀积厚度为5μm、掺杂浓度为1×1019cm-3的n型GaN传输层2。
步骤B，淀积ScAlN漂移层，如图3(b)。
使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为900℃，压强为300Torr，氨气流量为3000sccm，氢气流量为4000sccm，铝源流量为4sccm，钪源流量为5000sccm的条件下，在n型GaN传输层2上，淀积厚度为2μm的ScAlN漂移层3。
步骤C，淀积ScGaN铁电介质层，如图3(c)。
使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为900℃，压强为300Torr，氨气流量为3000sccm，氢气流量为4000sccm，镓源流量为50sccm，钪源流量为2000sccm的条件下，在ScAlN漂移层3上原位淀积厚度为10nm的ScGaN铁电介质层4。
步骤D，制备ScGaON氧化层，如图3(d)。
使用氧等离子体处理技术，在氧气流量为300sccm，等离子体处理功率为300W，氧化时间180s的条件下，在ScGaN铁电介质层4上离位氧化形成2nm的ScGaON氧化层5；
步骤E，淀积阴极金属并进行退火处理，形成阴极，如图3(e)。
采用光刻工艺定义阴极图形，使用电子束蒸发技术，在真空度小于1.2×10-3Pa，功率500W，蒸发速率为
的工艺条件下，在n型氮化镓衬底1底部淀积厚度为50/150nm的Ti/Al阴极金属；再使用快速退火技术，在1200℃氮气氛围中对阴极金属退火30s形成欧姆接触，制备出阴极7。
步骤F，在ScGaON氧化层上制备阳极，如图3(f)。
使用光刻工艺在ScGaON氧化层5上制作掩膜，形成阳极图形窗口；再使用电子束蒸发技术，在真空度小于1.2×10-3Pa，功率为500W，蒸发速率为
的工艺条件下，在阳极图形窗口中淀积厚度为50/150nm的W/Au金属，形成肖特基接触，制备出阳极6，完成器件制作。
以上描述仅是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，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，例如漂移层除以上使用的材料外，还可以使用其他具有铁电特性的氮化物材料；铁电介质层除以上使用的材料外，还可以使用其他禁带宽度小于漂移层材料的具有铁电特性的氮化物材料；阴极金属材料除以上使用的金属外，还可以使用Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合；阳极金属材料除以上使用的金属外，还可以使用Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合；衬底材料除以上使用的材料外，还可以使用n型硅材料。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 (12)
1.一种垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管，其自下而上包括阴极(7)、衬底(1)、传输层(2)、漂移层(3)及阳极(6)，其特征在于：所述漂移层(3)采用铁电材料，其与阳极(6)之间自下而上依次设置有铁电介质层(4)和氧化层(5)；利用漂移层(3)和铁电介质层(4)的铁电极化特性，调控器件内部电场和极化分布，提高反向耐压并调控器件开启电压；通过铁电介质层(4)和氧化层(5)的结合，提高器件的反向击穿电压并减少表面缺陷。
2.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：铁电介质层(4)采用具有铁电极化特性的氮化物单晶材料，其禁带宽度小于漂移层(3)的禁带宽度，其厚度为5nm-20nm。
3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述漂移层(3)采用具有铁电极化特性的氮化物半导体材料，其厚度为1μm-10μm。
4.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述氧化层(5)为对铁电介质层(4)表面氧化而形成的氧化物，其厚度为1nm-3nm。
5.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述传输层(2)采用GaN、AlGaN、InGaN中的任意一种材料，其厚度为0.2μm-5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1020cm-3。
6.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述衬底(1)采用n型氮化镓、n型氮化铝、n型碳化硅、n型硅中的任意一种材料。
7.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：
所述阳极(6)采用Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种组合的金属材料；
所述阴极(7)采用Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合的金属材料。
8.一种垂直型氮化物铁电半导体肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底(1)的上部，采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术淀积厚度为0.2μm-5μm、掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1020cm-3的传输层(2)；
2)采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术，在传输层(2)上生长厚度为1μm-10μm的漂移层(3)；
3)采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术，在漂移层(3)上原位外延生长厚度为5nm-20nm的单晶氮化物铁电介质层(4)；
4)采用氧等离子体处理技术，对铁电介质层(4)表面离位氧化，形成厚度为1nm-3nm的氧化层(5)；
5)在衬底(1)的下部，制备出阴极(7)；
6)在氧化层(5)的上部，制备出阳极(6)，完成器件制作。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤1)-3)中的金属有机物化学气相淀积方法，其工艺条件如下：
温度为600℃-1300℃；
压强为40Torr-400Torr；
氨气流量为3000sccm-5000sccm；
氢气流量为3500sccm-5000sccm；
铝源流量为4sccm-60sccm；
镓源流量为50sccm-200sccm；
铟源流量为30sccm-120sccm；
钪源流量为2000sccm-5000sccm；
钇源流量为1000sccm-3000sccm；
硼源流量为10μmol/min-30μmol/min。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤1)-3)中的分子束外延方法，其工艺条件如下：
温度为580℃-750℃；
氮气流量为0.6sccm-3.2sccm；
镓束流平衡蒸气压为3.2×10-7Torr-9.5×10-7Torr；
铝束流平衡蒸气压为0.6×10-7Torr-3.5×10-7Torr；
铟束流平衡蒸气压为2.0×10-7Torr-6.0×10-7Torr；
钪束流平衡蒸气压为0.9×10-8Torr-2.8×10-8Torr；
钇束流平衡蒸气压为0.6×10-8Torr-1.8×10-8Torr；
硼束流平衡蒸气压为1.2×10-8Torr-3.0×10-8Torr；
氮气射频源功率为320W-380W。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中的氧等离子体处理技术，其工艺条件如下：
氧气流量为100sccm-500sccm；
氧化时间为30s-300s；
等离子体处理功率为300W。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述步骤5)制作阴极(7)，是先采用光刻工艺定义阴极图形，并采用电子束蒸发工艺在其上淀积阴极金属；再根据阴极金属材料，在800℃-1200℃条件下进行退火30s-5min形成欧姆接触；
所述步骤6)制作阳极(6)，是先采用光刻工艺定义阳极图形，并采用电子束蒸发工艺在其上淀积阳极金属，形成肖特基接触。
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