TW201340335A - 蕭特基位障二極體及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種蕭特基位障二極體(Schottky barrier diode,SBD)及其製造方法。SBD形成於基板上，包含：形成於基板上之氮化鎵(gallium nitride,GaN)層；形成於GaN層上之氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)層；形成於AlGaN層上之高功函數導電層，且高功函數導電層與AlGaN層間，形成第一蕭特基接觸；形成於AlGaN層上之低功函數導電層，且低功函數導電層與AlGaN層間，形成第二蕭特基接觸；以及形成於AlGaN層上之歐姆接觸導電層，並與AlGaN層間，形成歐姆接觸，且歐姆接觸導電層與高功函數導電層及低功函數導電層間，由絕緣層隔開。

Description

蕭特基位障二極體及其製造方法

本發明係有關一蕭特基位障二極體(Schottky barrier diode,SBD)及其製造方法，特別是指一種降低漏電流之SBD及其製造方法。

蕭特基位障二極體(SBD)為一半導體元件，相較於p-n接面二極體，其利用金屬與半導體的蕭特基接觸(Schottky contact)所產生之蕭特基位障(Schottky barrier)，使得操作時順向電流較大，且回復時間較短。然而由於使得SBD操作於逆向偏壓時，會產生很大的漏電流，因此造成電能的損失。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種蕭特基位障二極體及其製造方法，使得蕭特基位障二極體操作於逆向偏壓，降低漏電流，以減少蕭特基位障二極體操作時的電能損耗。

本發明目的在提供一種蕭特基位障二極體及其製造方法。

為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種蕭特基位障二極體形成於一基板中，包含：一氮化鎵(gallium nitride,GaN)層，形成於該基板之一上表面上；一氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)層，形成於該GaN層上，且該GaN層與該AlGaN層形成該SBD之一陰極(cathode)；一高功函數導電層，形成於該AlGaN層上，且該高功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第一蕭特基接觸；一低功函數導電層，形成於該AlGaN層上，且該低功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第二蕭特基接觸，該低功函數導電層之功函數低於該高功函數金數層之功函數，且該高功函數導電層與該低功函數導電層電連接，形成該SBD之陽極；以及一歐姆接觸金屬層，形成於該AlGaN層上，並與該AlGaN層間，形成一歐姆接觸，且該歐姆接觸金屬層與該高功函數導電層及該低功函數導電層間，由一絕緣層隔開。

就另一觀點言，本發明也提供了一種蕭特基位障二極體製造方法，包含：形成一氮化鎵(gallium nitride,GaN)層於一基板上；形成一氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)層於該GaN層上，且該GaN層與該AlGaN層形成該SBD之一陰極(cathode)；形成一高功函數導電層於該AlGaN層上，且該高功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第一蕭特基接觸；形成一低功函數導電層於該AlGaN層上，且該低功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第二蕭特基接觸，該低功函數導電層之功函數低於該高功函數金數層之功函數，且該高功函數導電層與該低功函數導電層電連接，形成該SBD之陽極；以及形成一歐姆接觸金屬層於該AlGaN層上，並與該AlGaN層間，形成一歐姆接觸，且該歐姆接觸金屬層與該高功函數導電層及該低功函數導電層間，由一絕緣層隔開。

在其中一種較佳實施型態中，該絕緣層由上視圖視之，環繞該高功函數導電層及該低功函數導電層，且該歐姆接觸金屬層，環繞該絕緣層。

上述較佳實施型態中，該低功函數導電層，由上視圖視之，位於該高功函數導電層之中。

在另一種較佳實施型態中，該基板包含一絕緣基板或一導體基板。

在另一種較佳實施型態中，該高功函數導電層包括一鎢(W)或金(Au)層，且該低功函數導電層包括一鋁(Al)或鈦(Ti)層。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本說明書之圖示均屬示意，其維度並未完全按照比例繪示。

請參閱第1A-1C圖，顯示本發明的第一個實施例，蕭特基位障二極體100的製造流程。如第1A圖所示，於基板11上，形成氮化鎵(gallium nitride,GaN)層12於基板11之上表面上。其中基板11可以為不導電之絕緣基板，例如但不限於為藍寶石(sapphire)基板，亦可以為導體基板，例如但不限於為碳化矽(SiC)基板。接著形成氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)層13於GaN層12上，GaN層12與AlGaN層13形成蕭特基位障二極體100之陰極(cathode)。

然後如第1B圖所示，形成高功函數導電層14a與低功函數導電層14b於AlGaN層13上，高功函數導電層14a與AlGaN層13間，形成第一蕭特基接觸，且低功函數導電層14b與AlGaN層13間，形成第二蕭特基接觸；其中，高功函數導電層14a與低功函數導電層14b例如以金屬材料製作，且低功函數導電層14b之功函數(work function)低於高功函數導電層14a之功函數。高功函數導電層14a與低功函數導電層14b電連接以形成蕭特基位障二極體100之陽極(anode)金屬層14。

接著如第1C圖所示，於AlGaN層13上，形成歐姆接觸金屬層15，其與AlGaN13層間，形成歐姆接觸(Ohmic contact)，且歐姆接觸金屬層15與功函數導電層14間，由絕緣層16隔開。

第2A-2C圖舉例顯示本發明的第一個實施例中，其上視圖不同的實施方式。如第2A-2C圖所示，由上視圖視之，絕緣層16、高功函數導電層14a、與低功函數導電層14b之形狀大小並無限制，只要高功函數導電層14a與低功函數導電層14b電連接且歐姆接觸金屬層15與陽極導電層14間，由絕緣層16隔開即可。

請參閱第3圖，以高功函數金屬導電材料與低功函數金屬導電材料應用本發明之SBD電流-電壓特性曲線來說明本發明優於先前技術之處。如第3圖所示，粗線顯示以高功函數金屬作為陽極之SBD電流-電壓特性曲線，操作於順向偏壓時，導通臨界電壓Vth1高，但操作於逆向偏壓時，其漏電流Lk1低，崩潰防護電壓高；而細線顯示以低功函數金屬作為陽極之SBD電流-電壓特性曲線，相較於高功函數金屬，其操作於順向偏壓時，導通臨界電壓Vth2低，但操作於逆向偏壓時，其漏電流Lk2高，崩潰防護電壓低。利用本發明，可保持其操作於順向偏壓時之導通臨界電壓稍高於導通臨界電壓Vth2；但操作於逆向偏壓時，其漏電流明顯低於漏電流Lk2，並有較高之崩潰防護電壓。

請參閱第4圖，舉例顯示應用本發明且具有不同高功函數金屬與低功函數金屬寬度比例之SBD的電流-電壓特性曲線模擬圖。比較第4圖與第3圖之第一象限可以看出，低功函數金屬寬度佔陽極導電層寬度的比例，只要高於25%，SBD之導通臨界電壓，即明顯低於完全由高功函數金屬所形成之陽極金屬。

請參閱第5A-5C圖，以蕭特基接觸能帶圖來解釋本發明操作的原理。第5A圖顯示典型的金屬-半導體接面之蕭特基接面的能帶圖。其中，Φm為金屬功函數，Φs為半導體功函數，Ef為費米能階，Ec與Ev分別為半導體的導通能階與共價能階，其相互間的關係為此技術領域中，具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。比較第5A與5B圖，分別顯示SBD操作於順向偏壓與逆向偏壓之能帶示意圖，並標示高功函數金屬(如圖中最粗的線段所示意)與低功函數金屬(如圖中次粗的線段所示意)於順向偏壓與逆向偏壓操作時之能階。由圖中可知，當利用本發明時，於順向偏壓時，可有效降低金屬與半導體間之能障；且於逆向偏壓時，提高金屬與半導體間之能障。

第6圖顯示本發明的另一個實施例。與第一個實施例不同的是，在本實施例中，蕭特基位障二極體300利用高功函數導電層34a與低功函數導電層34b電連接，以形成蕭特基位障二極體300之陽極(anode)金屬層34；其中，低功函數導電層34b並未包覆於高功函數導電層34a中，而是由剖視圖視之，為並排連接，其寬度比例則可依照需要調整。

需說明的是，由上視圖視之(可參考第2A-2C圖)，絕緣層16例如可環繞陽極導電層34，且歐姆接觸金屬層15，例如可環繞絕緣層16。另外，高功函數導電層34a與低功函數導電層34b，只需選擇不同功函數之導電層組合即可，只要高功函數導電層34a之功函數相對高於低功函數導電層34b之功函數即可。請參閱第7圖，舉例示出金屬的功函數，須注意表列之功函數僅為參考，其值可因晶格排列等因素而改變。根據第7圖的列表，可選擇不同金屬的組合作為高功函數導電層34a與低功函數導電層34b的材料，其例如但不限於選擇鎢(W)或金(Au)形成高功函數導電層34a，而選擇鋁(Al)或鈦(Ti)形成低功函數導電層34b。此外，高、低功函數導電層亦可為金屬矽化物如：矽化鈦(TiS2)、矽化鉻(CrSi2)、矽化鉬(MoSi2)、矽化鉑(PtSi2)、矽化鎢(WSi2)，或其他金屬化合物或合金等。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，在不影響元件主要的特性下，可加入其他製程步驟或結構，如在形成歐姆接觸金屬層前，先於SBD之陰極，定義並蝕刻出歐姆接觸區等；又如，SBD陽極導電層並不限於由兩種材料合成，亦可以為三種以上等。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

11．．．基板

12．．．GaN層

13．．．AlGaN層

14．．．陽極導電層

14a．．．高功函數導電層

14b．．．低功函數導電層

15．．．歐姆接觸金屬層

16．．．絕緣層

100,300．．．蕭特基位障二極體

Ef．．．費米能階

Ec．．．導通能階

Ev．．．共價能階

I．．．電流

Lk1,Lk2．．．漏電流

V．．．電壓

Vth1,Vth2．．．導通臨界電壓

Φm．．．金屬功函數

Φs．．．半導體功函數

第1A-1C圖顯示本發明的第一個實施例。

第2A-2C圖舉例顯示第一個實施例中，其上視圖不同的實施方式。

第3圖顯示SBD電流-電壓特性曲線

第4圖顯示應用本發明之SBD的電流-電壓特性曲線模擬圖。

第5A-5C圖以蕭特基接觸能帶圖來解釋本發明操作的原理。

第6圖顯示本發明的另一個實施例。

第7圖舉例顯示金屬的功函數。

11．．．基板

12．．．GaN層

13．．．AlGaN層

14．．．陽極導電層

14a．．．高功函數導電層

14b．．．低功函數導電層

15．．．歐姆接觸金屬層

16．．．絕緣層

100．．．蕭特基位障二極體

Claims (10)

1. 一種蕭特基位障二極體(Schottky barrier diode,SBD)，形成於一基板上，包含：一氮化鎵(gallium nitride,GaN)層，形成於該基板之一上表面上；一氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)層，形成於該GaN層上，且該GaN層與該AlGaN層形成該SBD之一陰極(cathode)；一高功函數導電層，形成於該AlGaN層上，且該高功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第一蕭特基接觸；一低功函數導電層，形成於該AlGaN層上，且該低功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第二蕭特基接觸，該低功函數導電層之功函數低於該高功函數金數層之功函數，且該高功函數導電層與該低功函數導電層電連接，形成該SBD之陽極；以及一歐姆接觸金屬層，形成於該AlGaN層上，並與該AlGaN層間，形成一歐姆接觸，且該歐姆接觸金屬層與該高功函數導電層及該低功函數導電層間，由一絕緣層隔開。
2. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基位障二極體，其中該絕緣層由上視圖視之，環繞該高功函數導電層及該低功函數導電層，且該歐姆接觸金屬層，環繞該絕緣層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之蕭特基位障二極體，其中該低功函數導電層，由上視圖視之，位於該高功函數導電層之中。
4. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基位障二極體，其中該基板包含一絕緣基板或一導體基板。
5. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基位障二極體，其中該高功函數導電層包括一鎢(W)或金(Au)層，且該低功函數導電層包括一鋁(Al)或鈦(Ti)層。
6. 一種蕭特基位障二極體(Schottky barrier diode,SBD)製造方法，包含：形成一氮化鎵(gallium nitride,GaN)層於一基板上；形成一氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)層於該GaN層上，且該GaN層與該AlGaN層形成該SBD之一陰極(cathode)；形成一高功函數導電層於該AlGaN層上，且該高功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第一蕭特基接觸；形成一低功函數導電層於該AlGaN層上，且該低功函數導電層與該AlGaN層間，形成一第二蕭特基接觸，該低功函數導電層之功函數低於該高功函數金數層之功函數，且該高功函數導電層與該低功函數導電層電連接，形成該SBD之陽極；以及形成一歐姆接觸金屬層於該AlGaN層上，並與該AlGaN層間，形成一歐姆接觸，且該歐姆接觸金屬層與該高功函數導電層及該低功函數導電層間，由一絕緣層隔開。
7. 如申請專利範圍第6項所述之蕭特基位障二極體製造方法，其中該絕緣層由上視圖視之，環繞該高功函數導電層及該低功函數導電層，且該歐姆接觸金屬層，環繞該絕緣層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之蕭特基位障二極體製造方法，其中該低功函數導電層，由上視圖視之，位於該高功函數導電層之中。
9. 如申請專利範圍第6項所述之蕭特基位障二極體製造方法，其中該基板包含一絕緣基板或一導體基板。
10. 如申請專利範圍第6項所述之蕭特基位障二極體製造方法，其中該高功函數導電層包括一鎢(W)或金(Au)層，且該低功函數導電層包括一鋁(Al)或鈦(Ti)層。