TWI416740B - 氮化鎵異質結肖特基二極體 - Google Patents
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Description
本發明涉及氮化鎵異質結半導體器件，尤其是高反偏擊穿電壓的氮化鎵(GaN)異質結肖特基二極體。
肖特基二極體是通過讓金屬接觸半導體層，而形成的一種半導體器件。金屬和半導體層之間的結起到一個整流結的作用，相對于完全在半導體層中形成的p-n結二極體而言，其二極體的開關性能得到了改善。因此，肖特基二極體比p-n結二極體的開啟電壓更低，開關速度更快。在開關損耗占能量消耗的絕大部分的應用中，例如開關電源(SMPS)等，使用肖特基二極體是理想的選擇。
由氮化物半導體材料組成的電子器件如今已廣為人知。這種器件多由Ⅲ族氮化物材料組成，因此常被稱為Ⅲ-氮化物半導體器件。由於氮的化合物半導體器件具有帶隙較寬、擊穿電壓較高等特點，致使它們適用於高壓高溫器件，尤其是Ⅲ-V族氮化鎵(GaN)半導體肖特基二極體，其擊穿電壓很高、導通電阻很低。可使用Ⅲ-氮半導體肖特基勢壘二極體，來提升開關電源的工作效率。
使用異質結結構的氮化物半導體器件也已廣為人知。例如，用AlGaN異質結製備的GaN肖特基二極體。在AlGaN異質結肖特基二極體中，要在GaN層上製備一個AlGaN層，以便形成肖特基二極體的陰極區。其中AlGaN層的帶隙要比下面的GaN層的帶隙寬，在異質結介面上會產生二維電子氣。由於這個二維電子氣形成的層中，電子遷
移率很高，電阻很小。因此，AlGaN異質結肖特基二極體就比沒有二維電子氣層的器件的導通電阻小得多。
美國公開號為2007/0210335 A1，由Ikeda等人發明的的專利中，提出了一種GaN半導體器件，使用一個帶有兩種不同陽極金屬的複合陽極，其中第一個陽極電極的肖特基勢壘高度遠小於第二陽極電極。第1圖為Ikeda等人的發明中的第1圖，表示含有一個第一陽極電極17A和一個第二陽極電極17B的一個複合陽極電極17。Ikeda等人還提出了一種GaN半導體器件，其中Ⅲ-V氮化物半導體中的帶隙能量小於周圍的陽極材料，這種Ⅲ-V氮化物半導體形成的層位於陽極的上層，與第一陽極電極接觸。當施加反向偏壓，並且陽極和陰極之間的電場濃度受到抑制時，Ikeda等人提出的GaN半導體器件的導通電阻很低、漏電流很小。
找到一種適用於高壓器件、帶有高擊穿電壓的氮化物半導體肖特基二極體，是十分必要的。
依據本發明的一個實施例，氮化鎵半導體二極體包括一個襯底、一個形成在襯底上的GaN層、一個形成在GaN層上的AlGaN層(其中GaN層和AlGaN層形成二極體的陰極區)、一個形成在AlGaN層上的金屬層形成肖特基結(其中金屬層形成二極體的陽極電極)，以及一個形成在AlGaN層頂面中、位於金屬層邊緣下方的高勢壘區。高勢壘區的帶隙能量比AlGaN層的帶隙能量更高，或者說高勢壘區的阻抗比AlGaN層的阻抗更高。
在一個實施例中，氮化鎵半導體二極體還包括一個形成在AlGaN層上的介質層，其中介質層在形成陽極電極的金屬層中有一個開口。在另一個實施例中，在介質層中形成一個場板結構，在金屬層和AlGaN層的交界處包圍著金屬層。這個場板結構還含有減薄厚度的介質層的延伸部分，在金屬層和AlGaN層的交界處延伸到金屬層中。
閱讀上述詳細說明並參考附圖之後，即可較好地掌握本發明。
17‧‧‧複合陽極電極
17A、17B‧‧‧陽極電極
100、200‧‧‧GaN肖特基二極體
102‧‧‧絕緣襯底
104‧‧‧GaN層
106‧‧‧AlGaN層
108‧‧‧介電層
110、110a‧‧‧肖特基金屬層
112‧‧‧陰極歐姆接觸
114‧‧‧高勢壘區
116‧‧‧陰極電極
120‧‧‧二維電子氣區
208、850‧‧‧介質層
208a‧‧‧場板結構
303、403‧‧‧導電襯底
312、412‧‧‧通孔結構
852‧‧‧介質掩膜層
854‧‧‧掩膜
860‧‧‧溝道
第1圖為美國專利公開號為2007/0210335 A1的圖1，表示一種使用複合陽極結構的GaN半導體器件。
第2圖表示依據本發明的第一實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。
的3圖表示依據本發明的第二實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。
第4圖表示依據本發明的第三實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。
第5圖表示依據本發明的第四實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。
第6圖表示依據本發明的一個實施例，製備如第2圖所示的GaN異質結肖特基二極體的製作流程圖。
第7圖表示依據本發明的一個實施例，在第3圖和第5圖所示的GaN異質結肖特基二極體中，形成場板結構的製作流程圖。
第8圖表示依據本發明的一個實施例，在第4圖和第5圖所示的GaN異質結肖特基二極體中，形成到導電襯底中的通孔結構的製作流程圖。
第9圖為在製備的中間過程中的GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖，用來表示依據本發明的第一實施例，高勢壘區的形成過程。
第10圖在製備的中間過程中的GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖，用來表示依據本發明的第二實施例，高勢壘區的形成過程。
第11圖為帶有高勢壘區的GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖，依據本發明的一個實施例，使用如圖10所示的陽極金屬結構形成高勢壘區。
第12圖在製備的中間過程中的GaN異質結肖特基二極體的橫截面視
圖，用來表示依據本發明的第三實施例，高勢壘區的形成過程。
第13圖為帶有高勢壘區的GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖，依據本發明的一個實施例，使用如第12圖所示的溝道和填充方法形成高勢壘區。
依照本發明提出的理論，氮化物半導體異質結肖特基二極體(“氮化物肖特基二極體”)含有許多高勢壘區，形成在陽極邊緣周圍的複合半導體陰極區中。形成高勢壘區使用的材料，具有較高的肖特基勢壘高度或較大的帶隙能量，或者比陰極區的氮化物半導體材料更大的電阻。在這種情況下，通過重新分佈區域中的電場，來抑制在陽極邊緣處的電場擁擠，並提升肖特基二極體器件的擊穿電壓。在另一個典型實施例中，在陽極接觸開口處形成的電介質場板結構，用於擴散陽極邊緣處的電場，從而降低了陽極邊緣處的電場濃度。
當氮化物半導體肖特基二極體含有高勢壘區或電介質場板結構時，形成的肖特基二極體，能夠在反向偏壓下正向傳導和高擊穿電壓的情況中，獲得較低的導通電阻。氮化物肖特基二極體在開關電源等高壓器件中應用廣泛，便於限制開關損耗，以及提高開關電源的工作效率。
在下文中，使用氮化鎵(GaN)和鋁鎵氮(AlGaN)異質結以及肖特基二極體，形成的氮化物半導體異質結肖特基二極體，常被稱為“GaN肖特基二極體”。但是，使用GaN和AlGaN作為氮化物半導體異質結，僅作為舉例說明，並且本發明所述的氮化物半導體異質結肖特基二極體，也可以使用其他已知或未知的Ⅲ-V化合物半導體材料製備。
第2圖表示依據本發明的第一實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。參見第2圖，GaN肖特基二極體100形成在絕緣襯底102上。製備絕緣襯底102的材料可以選用藍寶石、ZnO、AlN、GaN、半絕緣的SiC或玻璃。GaN肖特基二極體100含有具有不同帶隙能量的Ⅲ-氮化物半導體的至少一個異質結，這些Ⅲ-氮化物半導體形
成GaN肖特基二極體的陰極區。在本實施例中，GaN層104位於絕緣襯底102上，AlGaN層106位於GaN層104上。AlGaN層106的帶隙寬度大於它下面的GaN層104，會在異質結表面產生二維電子氣(120區)。二維電子氣形成一個高電子遷移率層，因此其電阻很小。
為了形成陰極電極，要在肖特基二極體100的陰極區形成歐姆接觸112，歐姆接觸112足夠深，可以與二維電子氣區120形成電接觸。然後，在GaN/AlGaN異質結上覆蓋一層介電層108，介電層108帶有一個陰極電極116的開口，以及一個陽極電極的開口。在陽極電極中形成的肖特基金屬層110，在介電層108中有開口，以便使肖特基金屬層110與AlGaN層106接觸。在肖特基金屬層110和AlGaN層106之間的交界面上，會形成一個肖特基結。因此，如第2圖中的虛線圓所示，在肖特基金屬層110的邊緣處，之所以會發生電場擁擠就不難理解了。
依據本發明的一個實施例，GaN肖特基二極體100含有一個或多個高勢壘區114，形成在肖特基二極體陰極區的頂面中，位於陽極電極的邊緣處。高勢壘區114是由一種可以承受高電場的材料組成的。它在陽極電極中的位置，通常是有高濃度電場的地方，以便抑制電場擁擠。在本實施例中，高勢壘區114就位於肖特基二極體100的AlGaN層106的頂面中。
在一個實施例中，高勢壘區114是由寬頻隙材料組成的，其帶隙寬度比周圍陰極區裏的化合物半導體材料的帶隙還要寬。也就是說，形成高勢壘區114的材料的帶隙寬度比AlGaN半導體層的帶隙寬度還要寬。因此，當與肖特基金屬層110接觸時，高勢壘區114會形成較高的肖特基勢壘。在這種情況下，陽極電極邊緣處的電場擁擠就會受到抑制。在另一個實施例中，高勢壘區114是由比周圍陰極區裏的化合物半導體材料的電阻還要高的材料組成的。這種高電阻率的高勢壘區114，會降低陽極電極邊緣處的電場濃度。可以通過離子植入、擴散、溝道以及再填充/再生長等方法，形成高勢壘區114，下文還將詳細介紹。
在肖特基金屬層110中的區域110a為肖特基金屬層，它與肖特基金屬層
110相同或不同。形成區域110a是為了方便地通過自對準的方法製備高勢壘區114，下文還將詳細介紹。若要使用不同于肖特基金屬層110的肖特基金屬，來製備區域110a，典型的區域110a，典型的方法是使用肖特基勢壘高度低於肖特基金屬層110的肖特基金屬。無論是用單一金屬，還是用複合結構製備陽極電極的結構，對於本發明的實施都不是至關重要的。當使用其他製備方法時，可以選用也可以省去區域110a。
第3圖為依據本發明的第二實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。它表示在GaN肖特基二極體的陽極電極邊緣處，使用高勢壘區以及場板結構，來抑制電場擁擠的另一種方法。參見第3圖，使用與GaN肖特基二極體100相同的方法，製備GaN肖特基二極體200，參考資料等相關資訊都已給出，在此不再詳述。使用帶圖案的、含有場板結構208a的介質層208製備GaN肖特基二極體200。場板結構208a是介質層的延伸部分，形成圖案，以使其比介質層208更薄，延伸到肖特基金屬與AlGaN層之間的交界面中。場板結構208a用於擴散在陽極電極邊緣附近聚集的電場。通過這個場板結構208a，陽極電極邊緣處的電場擁擠得到了抑制。
如上所述，參見第2圖，在肖特基金屬層110中形成區域110a是為了方便地通過自對準的方法製備高勢壘區114，下文還將詳細介紹。當使用其他製備方法時，可以選用也可以省去區域110a。
在如第2圖和第3圖所示的實施例中，GaN肖特基二極體形成在絕緣襯底上。在其他實施例中，GaN肖特基二極體形成在矽或SiC等導電襯底上。第4圖表示依據本發明的第三實施例，一種GaN異質結肖特基二極體的橫截面視圖。從第4圖可知，使用與GaN肖特基二極體100相同的方法，製備GaN肖特基二極體300，參考資料等相關資訊都已給出，在此不再詳述。在本實施例中，GaN肖特基二極體300形成在導電襯底303上。一旦使用了導電襯底，就要形成一個通孔結構312，以便與導電襯底303建立歐姆接觸。GaN肖特基二極體300含有高勢壘區114，用於抑制在陽極電極邊緣處的電場擁擠。
第5圖表示依據本發明的第四實施例，一種GaN肖特基二極體的橫截面
視圖。從第5圖可知，使用與GaN肖特基二極體200相同的方法，製備GaN肖特基二極體400，參考資料等相關資訊都已給出，在此不再詳述。GaN肖特基二極體400形成在導電襯底403上。一旦使用了導電襯底，就要形成一個通孔結構412，以便與導電襯底403建立歐姆接觸。GaN肖特基二極體400含有高勢壘區114以及場板結構208a，用於抑制在陽極電極邊緣處的電場擁擠。
第6圖表示依據本發明的一個實施例，製備如第2圖所示的GaN異質結肖特基二極體的製作流程圖。從第6圖和第2圖可知，製備方法500從製備絕緣襯底102(工序502)開始。然後，在絕緣襯底上，通過外延生長(工序504)等方法，形成Ⅲ-V化合物半導體異質結。在本實施例中，GaN層104和AlGaN層106是外延生長在絕緣襯底102上。然後，在GaN層和AlGaN層中定義陰極接觸開口(工序506)。並在陰極接觸開口中，進行金屬沉積，形成陰極歐姆接觸112(工序508)。
伴隨著AlGaN/GaN異質結的形成，在AlGaN層106的頂面上將形成高勢壘區114(工序510)。可以通過不同的製備方法，製備高勢壘區114。第9圖一第13圖表示依據本發明的不同實施例，可用于製備高勢壘區的三種不同方法。
從第9圖可知，在製備高勢壘區的第一種方法中，在AlGaN/GaN異質結上沉積一個介質層850，作為掩膜，並形成圖案，在高勢壘區114形成的地方定義開口。然後，通過離子注入或擴散、或等離子暴露，將裸露的區域變成帶有較高帶隙能量或較高電阻率的區域。在一個實施例中，使用Mg、Cd、Ca或Zn等典型的II族金屬，植入高勢壘區114。在另一個實施例中，使用O、N、Ar或C等絕緣材料，植入高勢壘區114。當形成高勢壘區之後，除去介質掩膜層850，進行方法500中後續的處理工序。
參見第10圖，在製備高勢壘區的第二種方法中，介質掩膜層852定義了高勢壘區的外邊界，然後通過沉積一個肖特基金屬層並形成圖案，所形成的肖特基金屬區110a，定義高勢壘區的內邊界。肖特基金屬區110a還形成了帶有下麵的AlGaN層106的肖特基結。形成肖特基金屬區110a之後，對AlGaN層106的裸露區域進行離子注入、擴
散或等離子暴露，以便將裸露的區域變成高勢壘區114。
在第10圖所示的方法中，高勢壘區114的邊緣與肖特基金屬區110a自對準。因此，將肖特基金屬區110a用作掩埋，可以方便地進行高勢壘區114的自對準。第11圖表示在肖特基金屬區110a上方形成肖特基金屬層110之後的後續處理過程。肖特基金屬區110的邊緣為陽極電極的邊緣，位於高勢壘區114之內，因此高勢壘區可以抑制陽極電極邊緣處的電場擁擠。
在一個實施例中，使用相同的肖特基金屬材料製備肖特基金屬區110a和肖特基金屬110。因此，在最後陽極結構中，肖特基金屬區110a會併入肖特基金屬110。在另一個實施例中，使用不同的肖特基金屬材料製備肖特基金屬區110a和肖特基金屬110。在這種情況下，使用一種肖特基勢壘高度低於肖特基金屬110的肖特基金屬，來製備複合陽極電極以及肖特基金屬區110a。
參見第12圖，在製備高勢壘區的第三種方法中，採用帶圖案的掩膜854，用於定義要形成高勢壘區的區域。然後，通過刻蝕過程，在裸露區域中形成溝道860。用沉積或再生長的方式重新填充溝道，形成高勢壘區114(第13圖)。在一個典型實施例中，用一個氧化層填充溝道860，氧化層的帶隙高於AlGaN層，因此非常適合作為電場抑制器使用。然後除去掩膜854，按照方法500中的後續工藝處理AlGaN/GaN結構。第13圖中的點線框表示在後續工藝中形成的肖特基金屬層110的位置。
再回到第6圖和第2圖，在AlGaN層中形成高勢壘區之後(工序510)，方法500隨後在AlGaN/GaN半導體結構上沉積一個介質層108(工序512)。將介質層108形成圖案，定義陰極和陽極的開口(工序514)。在陽極電極開口中，沉積肖特基金屬110，以便與下面的AlGaN層106形成肖特基結(工序516)。此後，在整個器件上方沉積一個鈍化層，鈍化最終的結構(工序518)。鈍化層中的開口用於形成陽極和陰極電極的接合焊盤，以便與GaN肖特基二極體形成外部連接(工序520)。第2圖中並沒有表示出鈍化層和接合焊盤。
在使用高勢壘區之外，還使用場板結構的情況下，比如在第3圖所示的GaN二極體200中，依據本發明的一個實施例，第7圖中的方法600可用於製備場板結構208a。當需要場板結構208a時，如上所述參照方法500，實施工序502至512。在工序512中，在GaN/AlGaN半導體結構上沉積一個介質層。方法600繼續在介質層中定義陽極開口(工序630)。將介質層向下刻蝕到氮化物半導體層(工序632)。然後，用照相平板印刷的方法定義場板開口(工序634)。也就是說，在介質層和氮化物半導體襯底上，沉積一層光致抗蝕劑。將光致抗蝕劑形成圖案，用於曝光場板開口。然後，通過刻蝕過程，腐蝕介質層，在陽極開口之外形成場板208a。
此後，在陽極電極開口中，沉積肖特基金屬110，形成與下麵的AlGaN層106的肖特基結(工序636)。然後在整個器件上方沉積一個鈍化層，鈍化最終結構(工序518)。鈍化層中的開口用於形成陽極和陰極電極的接合焊盤，以便與GaN肖特基二極體形成外部連接(工序520)。第2圖中並沒有表示出鈍化層和接合焊盤。
因此，方法600用於製備帶有高勢壘區以及場板的GaN肖特基二極體，以便重新分佈陽極電極邊緣附近的電場。
在使用了導電襯底，例如第4圖和第5圖中所示的GaN二極體300和400的情況下，要使用第8圖所示的方法700。參見第8圖，製備一個導電襯底(工序740)。然後，在導電襯底上通過外延生長等方法，製備GaN/AlGaN異質結(工序742)。並在AlGaN/GaN結構中，定義通孔開口，一直通向導電襯底403(工序744)。陰極接觸開口也在AlGaN/GaN結構中定義(工序746)。然後用金屬沉積的方法填充通孔開口和接觸開口，形成陰極歐姆接觸(工序748)。方法700再按照方法500的工序510或方法600，對GaN肖特基二極體進行剩餘的後續處理過程(工序750)。
上述製備過程僅用於解釋說明，本領域的技術人員應瞭解還有許多其他的製備方法，可用于製備本發明所述的帶有高勢壘區和/或介質場板結構的GaN肖特基二極體，以便抑制陽極電極邊緣處的電場擁擠，從而提高GaN肖特基二極體的擊穿電壓。
在一個實施例中，為了不影響二維電子氣層，高勢壘區的厚度不應超過AlGaN層的厚度。典型的AlGaN層的厚度約為20nm，因此，高勢壘區的厚度應小於20nm。
上述詳細說明僅用於對本發明的典型實施例進行解釋說明，但並不僅局限於此。可能還有多種變化和修正都在本發明的保護範圍內。本發明的範圍應由所附的申請專利範圍限定。
100、200‧‧‧GaN肖特基二極體
102‧‧‧絕緣襯底
104‧‧‧GaN層
106‧‧‧AlGaN層
108‧‧‧介電層
110、110a‧‧‧肖特基金屬層
112‧‧‧陰極歐姆接觸
114‧‧‧高勢壘區
116‧‧‧陰極電極
120‧‧‧二維電子氣區
Claims (9)
- 一種氮化鎵半導體二極體，包括：一個襯底；一個形成在襯底上的GaN層；一個形成在GaN層上的AlGaN層，GaN層和AlGaN層構成二極體的陰極區；一個形成在該AlGaN層上的金屬層，在所述AlGaN層和所述金屬層的交界面上構成一個肖特基結，金屬層作為二極體的陽極電極；一個形成在AlGaN層的頂部表面中的高勢壘區，位於金屬層的一個邊緣下方，高勢壘區的帶隙能量高於AlGaN層，或高勢壘區的電阻率比AlGaN層更大。
- 如申請專利範圍第1項所述的二極體，其特徵在於，所述的高勢壘區由AlGaN層組成，所述的AlGaN層中植入Mg、Cd、Zn、Ca、N、O、C、Ar或一個二氧化矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述的二極體，其特徵在於，進一步包括一個形成在AlGaN層上的介質層，所述的介質層帶有一個開口，金屬層在開口中作為陽極電極。
- 如申請專利範圍第3項所述的二極體，其特徵在於，所述的高勢壘區從介質層下面延伸，穿過金屬層邊緣，部分延伸到陽極電極下方。
- 如申請專利範圍第1項所述的二極體，其特徵在於，所述的襯底是由絕緣襯底組成。
- 如申請專利範圍第1項所述的二極體，其特徵在於，所述的襯底是由導電襯底組成。
- 如申請專利範圍第6項所述的二極體，其特徵在於，進一步包括：GaN層和AlGaN層中形成的歐姆接觸，這個歐姆接觸作為陰極電極；一個形成在GaN層和AlGaN層中的通孔，將此歐姆接觸電連接到導電襯底上。
- 如申請專利範圍第1項所述的二極體，其特徵在於，所述的襯底是由絕緣襯底組成。
- 如申請專利範圍第3項所述的二極體，其特徵在於，進一步包括：一個形成在介質層中的場板結構，並且所述的場板結構在金屬層和AlGaN層交界處包圍著金屬層，所述的場板結構還含有減薄厚度的介質層的延伸部分，在金屬層和AlGaN層的交界處延伸到金屬層中。
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