TWI508308B - 具有雙金屬、部分凹陷電極之氮化鎵為基的肖特基二極體 - Google Patents

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Description

具有雙金屬、部分凹陷電極之氮化鎵為基的肖特基二極體
本發明係有關具有雙金屬、部分凹陷電極之氮化鎵為基的尚特基二極體。
肖特基二極體係藉由接觸半導體層的金屬形成的半導體裝置。相較於完全形成在半導體層中的p-n接面二極體，在金屬及半導體層之間的接面形成具有經改良二極體切換能力的整流接面。肖特基二極體因此具有比p-n接面二極體更低的開啟電壓及更快的切換速度。肖特基二極體對切換損耗係主要能量消耗源的應用係理想的，諸如，在切換式電源供應器(SMPS)中。
從氮化物基質化合物半導體材料製造的電子裝置已為人所知。此種電子裝置正如其係從III族氮化物基質材料形成的，也稱為III族氮化物半導體裝置。氮化物基質化合物半導體裝置的可取之處係彼等的較寬能帶隙及較高崩潰電壓特徵，表示彼等適用於高電壓及高溫度應用。特別係已描述具有高崩潰電壓及低導通電阻的III-V 族氮化鎵(GaN)化合物半導體肖特基二極體。切換式電壓供應器的效率可經由使用III族氮化物半導體肖特基能障二極體而改善。
III族氮化物基質半導體裝置能藉由將2-維電子氣體形成在二種不同III族氮化物，諸如，AlGaN及GaN，的異質介面而最大化電子遷移率。2-維電子氣體據信能補償由III族氮化物晶體結構的非理想本質所引起的應變感應壓電極化電荷及自發極化電荷。將2-維電子氣體量子局限在較窄能帶隙III族氮化物(例如，GaN)聯結較大能帶隙III族氮化物(例如，AlGaN)之異質接面的能帶彎曲區域中。因此在類肖特基二極體中，電子將沿著陽極電極及陰極電極之間的局限通道流動。電荷密度係由異質結構參數決定，諸如，Al組成、AlGaN層厚度、及固有晶體極性。在III族氮化物電源裝置中，電荷密度將回應於施用的閘極電壓，並可根據能量能帶隙中的變化區域地移除。因此，III族氮化物電源裝置的切換速度可非常迅速。
圖1顯示GaN-基質肖特基二極體的範例。二極體100包括基板10、緩衝層20、形成在緩衝層20上的GaN層30、及形成在GaN層30上的AlGaN層40。陽極60及陰極70作為該裝置的電接點使用。將陽極60形成在AlGaN層40上，並將肖特基介面建立於其間。將陰極70形成在GaN層30上，並與其建立電阻接點。
使用肖特基二極體，諸如，顯示於圖1中的 裝置，的問題係彼等常具有高順向電壓降。此問題因為導通電流必需行進通過由AlGaN層上的肖特基接點建立的相對大電位能障而發生。通常，電位肖特基能障越大，所產生的順向電壓降越大。一種改良該問題的方式係減少AlGaN層的厚度。然而，此也不幸地降低在AlGaN層下方的二維電子氣體。例如，由AlxGaN層上的Ni/Au金屬形成的肖特基接點的電位能障約1.1eV，然而高電壓矽基質肖特基二極體的電位能障約為0.7eV，其導致明顯較低的順向電壓降。
根據本發明的一實施樣態，一種半導體裝置包括基板、在該基板上方的第一主動層、及設置在該第一主動層上的第二主動層。該第二主動層具有比該第一主動層更高的能帶隙，使得二維電子氣體層出現在該第一主動層及該第二主動層之間。第一電極具有設置在該第二主動層中的凹陷中的第一部分及設置在該第二主動層上的第二部分，使得肖特基接面形成於其間。該第一電極的該第一部分具有比該第一電極之該第二部分更低的肖特基電位障壁。第二電極與該第一主動層接觸。該第二電極建立與該第一主動層的電阻接面。
依據本發明的另一實施樣態，提供形成半導體裝置的方法。該方法包括將第一主動層形成在基板上並將第二主動層形成在該第一主動層上方。該第二主動層具 有比該第一主動層更高的能帶隙，使得二維電子氣體層出現在該第一主動層及該第二主動層之間。將第一電極形成在該第二主動層上，使得肖特基接面形成於其間。該第一電極具有設置在該第二主動層上的第一部分，及與該二維電子氣體接觸的第二部分。該第一電極的該第一部分具有比該第一電極之該第二部分更高的肖特基電位障壁。將第二電極形成在該第一主動層上，以將電阻接面形成於其間。
10、210‧‧‧基板
20‧‧‧緩衝層
30‧‧‧GaN層
40‧‧‧AlGaN層
60‧‧‧陽極
601 ‧‧‧第一部分
602 ‧‧‧第二部分
70、270‧‧‧陰極
100、200‧‧‧二極體
220‧‧‧緩衝層
230‧‧‧第一主動層
240‧‧‧第二主動層
250‧‧‧二維電子氣體
260‧‧‧雙金屬、部分凹陷陽極
2601 ‧‧‧低電位部分
2602 ‧‧‧高電位部分
280‧‧‧邊緣
圖1顯示GaN-基質肖特基二極體的範例。
圖2顯示GaN場效肖特基能障二極體(FESBD)的範例。
圖3a及3b分別顯示FESBD及習知GaN肖特基二極體在順向及反向偏壓下的電流電壓曲線。
圖4顯示使用雙金屬、部分凹陷陽極之肖特基二極體的一實施例。
圖5a及5b分別顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體、場效肖特基能障二極體(FESBD)、及本文描述之RGFESBD的順向及反向電流電壓(I-V)曲線的模擬。
圖6顯示使用雙金屬、部分凹陷陽極之肖特基二極體的替代實施例。
圖7顯示使用雙金屬、部分凹陷陽極之肖特基二極體的另一替代實施例。
圖8顯示使用雙金屬、部分凹陷陽極之肖特基二極體的另一替代實施例。
圖9係顯示用於形成半導體裝置，諸如，使用雙金屬、部分凹陷陽極之肖特基二極體，的方法之一範例的流程圖。
已發現使用雙金屬肖特基電極可降低肖特基二極體的肖特基電位能障，其中該電極係以二金屬形成，一者具有相對高的電位能障且另一者具有相對低的電位能障。例如，如在N.Ikeda等人的「用於高功率應用之具有薄AlGaN/GaN異質結構的新穎GaN裝置」Furukawa Review,26,1(2006)所示，使用將較低電位能障金屬嵌入較高電位能障金屬內的雙金屬肖特基電極。
圖2顯示此種雙金屬肖特基電極裝置的一範例，其在本文中稱為場效肖特基能障二極體(FESBD)。在圖1及2中，相似構件以相似參考數字標記。二極體100包括基板10、緩衝層20、形成在緩衝層20上的GaN層30、及形成在GaN層30上的AlGaN層40。陽極60及陰極70作為該裝置的電接點使用。陽極60包括具有較低電位能障的第一部分601 及具有較高電位能障的第二部分602 。將陽極60形成在AlGaN層40上，並將肖特基介面建立於其間。將陰極70形成在GaN層30上，並與其建立電阻接點。
因為較低電位能障金屬的存在，當FESBD在順向階段中操作時，可顯著地降低順向電壓降。當在反向階段中操作時，較高電位能障金屬仍將以與會將具有僅從較高電位能障金屬形成之電極的裝置中之通道夾止的反向電壓大致相同的電壓夾止該二維電子通道。結果，二金屬電極在肖特基二極體中的使用降低順向電壓而不實質減少反向阻遏電壓。
場效肖特基能障二極體的一限制係其導通電阻隨AlGaN厚度增加而變大，且因此當AlGaN層厚度非常小，通常約5奈米時，僅在練習中有用。圖3a及3b分別顯示習知肖特基二極體在順向及反向偏壓下的電流電壓曲線。習知二極體具有其工作函數與FESBD中的高能障高度金屬相同的肖特基金屬。圖3a及3b也顯示具有從圖2所示之二金屬形成且如上文提及之Ikeda參考文件所描述的肖特基電極之FESBD的電流-電壓曲線。顯示於圖3中的二裝置具有相對厚的AlGaN層(在此範例中為25奈米)。雖然FESBD的順向電壓相對小，其導通電阻由於較高電位能障金屬的能障高度而甚大。
因為AlGaN層需要用於二維電子氣體以到達高密度的臨界厚度(例如，約5nm，取決於Al百分比)，在FESBD中使用薄AlGaN層以降低其開啟電壓不係相當實際的，因為AlGaN層的厚度必需受精準控制。因此，FESBD之操作特徵的更精確描述係其對給定的AlGaN厚度降低順向電壓而未實質減少反向阻遏電壓。不幸地，其 不可應用於常用的AlGaN/GaN磊晶晶圓，因為AlGaN層通常成長得較厚，以維持高二維電子氣體密度及低薄層電阻率。再者，已發現FESBD具有相對大的漏電流，其係由較低電位能障金屬的能障高度引起。
總之，FESBD已顯示具有：i)由具有較低電位能障的肖特基金屬之工作函數決定的已減少順向電壓降；ii)在由具有較高電位能障之肖特基金屬的工作函數支配之高偏壓下的順向電流密度；iii)由低肖特基能障金屬支配的最初漏電流；及iv)由高電位能障金屬的工作函數支配的實質崩潰電壓。
如下文所詳述，可藉由使用將具有較低電位能障的金屬凹陷通過AlGaN層使得其接觸二維電子氣體，而具有較高電位能障的金屬留駐在AlGaN層表面上的雙金屬肖特基電極克服使用薄AlGaN層所引起之在FESBD中的阻遏電壓降低。藉由以此方式將陽極凹陷，載體可藉由熱離子發射直接從二維通道行進至陽極而不跨越AlGaN能障行進，從而藉由降低電位能障而增加電流。因為電位能障降低，該裝置的順向電壓降降低。此外，在反向偏壓下，在非凹陷AlGaN層上的高電位能障金屬將空乏並阻遏該通道，並改良FESBD中的高洩漏問題。也已發現此電極組態降低該裝置的漏電流。
圖4顯示使用雙金屬、部分凹陷陽極之肖特基二極體200的一實施例。可能將此種二極體稱為凹陷閘極場效肖特基能障二極體(RGFESBD)。二極體200可從許 多不同材料系統製造。為了易於描述及理解，將二極體200顯示為單一裝置，但二極體典型地以晶圓級製造，然後分割為單獨裝置。在部分情形中，可從單一晶圓級處理製造數千個裝置。
二極體200係使用III族氮化物基質材料系統製造。III族氮化物包括形成在氮及週期表中之III族元素，通常係鋁(Al)、鎵(Ga)、及銦(In)，之間的半導體化合物。該族也包括三元化合物，諸如，AlGaN及AlInGaN。為了說明的目的，下文描述的二極體係由GaN及AlGaN形成，雖然也可能使用其他III族氮化物。
二極體200包括可能從各種材料形成的基板210，諸如，藍寶石、矽、或碳化矽。各種製造技術可能使用待沈積在基板210及第一主動層230之間的一或多層材料層。例如，在部分情形中，可能將緩衝層220形成在基板210上。緩衝層220可能從GaN、AlGaN、或氮化鋁(AlN)形成，並提供從非-GaN基板至GaN-基質主動結構的介面。緩衝層220可降低主動裝置層中的缺陷濃度。可將緩衝層220視為係基板210的一部分，從而可能將形成在緩衝層220上的殘餘層視為係結構的裝置層。在圖4的範例中，第一主動層230由氮化鎵(GaN)組成。在其他範例中，包含來自元素週期表之第III族的其他元素之氮化合物的不同半導體材料可能包含第一主動層230。
在圖4之範例中的第二主動層240係由氮化鋁鎵(AlGaN)組成。在其他範例中，不同的III族氮化物半 導體材料，諸如，氮化鋁銦(AlInN)及氮化鋁銦鎵(AlInGaN)，可能包含第二主動層240。第二主動層240的材料可能係非化學計量化合物。在此種材料中，元素的比率不能輕易地由一般整數表示。例如，第二主動層240可能係III族氮化物半導體材料的非化學計量化合物，諸如，AlX Ga1-X N，其中0<X<1。
當電荷因為在材料之間的能帶隙中的差而從第二主動層240轉移至第一主動層230時，在第一及第二主動層230及240之間的介面，高電荷、高遷移率電子的平面區域形成在第一主動層230中。有時將該電荷區域稱為二維電子氣體250，因為局限在由III族氮化物異質結構的極化效應所引起之量子井中的電子自由地在二維中移動，但在第三維中受牢固局限。
跨越第二主動層240轉移至第一主動層230以形成電子氣體250的電荷量取決於第二主動層240的厚度及材料濃度(例如，Al百分比成分)，其最初決定電子氣體250中的電子量。在一實施例中，第二主動層240係由具有在約0.01-0.04微米之範圍內的厚度的AlGaN層形成。AlGaN層可能係摻雜n-型，因此可將n-型摻雜劑均勻地併入第二主動層240中，或僅在部分該層中。AlGaN層中的n-型摻雜劑雜質可能係，例如，矽。
將電極設置在該裝置上，並建立至該等主動層的電連接。特別將陰極270形成在第一主動層230上，並於其間建立電阻接面。陰極270可能從任何合適金屬形 成。
雙金屬、部分凹陷陽極260與第二主動層240接觸，並於其間建立肖特基接面。陽極260可能從用於建立肖特基接面的任何合適金屬對形成，諸如金屬或金屬鎵化物。合適金屬可能包括鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、及金(Au)。
如圖所示，雙金屬、部分凹陷陽極260包括位於第二主動層240上的高電位部分2602 及位於第一主動層230內或上的低電位部分2601 。用於形成陽極260之高電位部分2602 的材料具有比低電位能障部分2601 更高的肖特基電位能障。例如，在一實施例中，低電位能障材料可能係Mo或Cu，其具有4.65eV的電位能障，且高電位能障材料可能係Ni或Pd，其具有5.15eV的電位能障。
將AlGaN層從較低電位、凹陷陽極部分2601 下方完全地移除，使得凹陷陽極部2601 與二維電子氣體直接接觸。結果載體可藉由熱離子發射以及藉由穿隧行進通過較低電位能障。因此，電流密度可顯著地增加。再者，因為電位能障降低，將該裝置的順向電壓降降低，同時維持在凹陷區域外側之AlGaN層的總體厚度。以此方式，可維持比將整體AlGaN層的厚度降低更高的阻遏電壓，如在Furukawa中所示。
圖5a及5b分別顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體、FESBD、及本文描述之RGFESBD的順向及反向 電流電壓(I-V)曲線的模擬。在所有情形中，具有25%之Al組成的AlGaN層均為25nm厚，GaN層係0.5微米厚的磊晶層，且二維電荷密度在AlGaN/GaN介面係8×1012 cm-2 。所使用的二種肖特基金屬的工作函數係4.65及5.2eV，其係已發現之低及高工作函數金屬的合適組合，以降低漏電流，而習知的SBD為5.2eV。如圖所示，RGFESBD具有該族最高的崩潰電壓及比FESBD更低的漏電流。雖然由於較低的肖特基能障，RGFESBD的最初漏電流高於習知肖特基二極體，在大偏壓時，漏電流更由二維電子氣體中的電荷空乏所抑制。再者，RGFESBD在順向偏壓下的效能在三種裝置之間係最佳的，且其順向電壓降極低。總之，圖5中的曲線展示雙金屬、部分凹陷陽極的使用可顯著地降低順向電壓降而同時強化該裝置的崩潰電壓。
如圖4所示，位於AlGaN層內之部分2601 的凹陷部蝕刻深度可能固定跨越整體低電位凹陷部分2601 。或者，在部分情形中，高電位部分2602 的一或多個段也可能係凹陷的，並位於AlGaN層內的不同深度。例如，如圖6所示，陽極260之高電位部分2602 的部分段係凹陷的，並可能蝕刻成使得不同段位於AlGaN層240內的不同深度。例如，在圖6中，凹陷段具有階形組態。在圖4及6以及之後的圖式中，相似元件以相似參考數字標記。
圖7顯示雙金屬、部分凹陷陽極260的另一說明組態。在此範例中，部分凹陷陽極具有如圖6中的階 形組態，但較高能障部分2602 的蝕刻深度先增加然後減少，而非如圖6中的簡單增加。已展示此組態也可有利地降低該裝置之漏電流的模擬。
圖8描繪雙金屬、部分凹陷陽極260的另一組態。在此範例中，相鄰於AlGaN層240之部分凹陷陽極的邊緣280不在垂直方向上延伸，而係傾斜的，使得其與GaN/AlGaN介面形成非正交角。如上文，低能障部分2601 位於形成在AlGaN層中的凹陷區域內，且高能障部分2602 位於AlGaN表面上。
在部分實施例中，由陽極260的較低電位部2601 及較高電位部2602 佔據的表面面積(亦即，平行於基板於其中延伸之平面的表面的面積)大約彼此相等。在另一實施例中，此等表面面積可能彼此不同。例如，在部分實施例中，使低能障部分2601 的表面面積小於高能障部分2602 的表面面積可能係有利的。在部分情形中，此種組態可能降低漏電流。通常，不同陽極部分的相對尺寸將取決於特定裝置特徵及待使用該裝置的應用。
本文描述的GaN-基質肖特基二極體可能使用磊晶成長處理製造。例如，反應性濺鍍處理可能使用在該半導體的金屬成分，諸如，鎵、鋁、及/或銦，係從設置成緊鄰該基板的金屬靶材脫落，同時靶材及基板二者均在包括氮及一或多種摻雜劑的氣體大氣中的情形中。或者，可能使用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)，其中該基板暴露於包含金屬之有機化合物的大氣，並暴露於反應性含氮 氣體，諸如，氨，以及含摻雜劑氣體，同時將該基板維持在高溫，典型約700-1100℃。該氣體化合物分解並將沈積半導體以結晶材料膜的形式形成在基板的表面上。然後將該基板及成長膜冷卻。又或者，可能使用其他磊晶成長方法，諸如，分子束磊晶(MBE)或原子層磊晶。可能使用的其他技術沒有限制地包括流量調節有機金屬氣相磊晶(FM-OMVPE)、有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、氫化物氣相磊晶(HVPE)、及物理氣相沈積(PVD)。
可使用標準金屬化技術，如在半導體製造技術已為人所知的，形成部分凹陷陽極。可能用於形成肖特基接面的說明性金屬例示地包括Nb、Ti、Cr、W、Mo、Ag、Cu、Co、Au、Pd、Ni、及Pt。具有不同工作函數的肖特基金屬導致不同的能障電位。在陽極之凹陷部分位於其中之第二主動層(例如，AlGaN層)中的凹陷可能使用已為人熟知的蝕刻處理形成，諸如，反應性離子蝕刻(RIE)、感應耦合電漿(ICP)、或電子迴旋加速器共振(ECR)電漿蝕刻。
圖9係顯示用於形成半導體裝置的方法之一範例的流程圖。該方法包括在區塊310將第一主動層形成在基板上。在區塊320，將第二主動層形成在第一主動層上方。該主動層具有比該第一主動層更高的能帶隙，使得二維電子氣體層出現在該第一主動層及該第二主動層之間。在區塊330，藉由蝕刻移除第二主動層的部分，以界定凹陷。在區塊340，將肖特基電極的第一部分形成在該 凹陷中。然後在區塊350，將肖特基電極的第二部分形成在第二主動層上。該肖特基電極的第一部分與二維電子氣體接觸。將肖特基金屬選擇成具有不同工作函數，具有肖特基電極的第一部分典型地具有比肖特基電極的第二部分更低的工作函數。在區塊360，藉由直接金屬沈積在第一主動層上或藉由在第二主動層上的金屬沈積加上合金化處理以到達第一主動層，將第二電極形成在第一主動層上，以與其產生電阻接面。
將上述範例及揭示視為係說明性的而非徹底揭示。此等範例及描述將對熟悉本技術的人士建議許多變化及改變。將所有此等改變及變化視為包括在隨附之申請專利範圍的範圍內。熟悉本技術的人士可能承認也將等效於本文描述之特定實施例的其他等效實例視為由隨附於此的申請專利範圍所包含。
10‧‧‧基板
20‧‧‧緩衝層
30‧‧‧GaN層
40‧‧‧AlGaN層
60‧‧‧陽極
601 ‧‧‧第一部分
602 ‧‧‧第二部分
70‧‧‧陰極

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，包含：基板；第一主動層，設置在該基板上方；第二主動層，設置在該第一主動層上，該第二主動層具有比該第一主動層更高的能帶隙，使得二維電子氣體層出現在該第一主動層及該第二主動層之間；第一電極，具有設置在該第二主動層中的凹陷中的第一部分使得將該第二主動層從該第一電極之該第一部分下方完全地移除，及設置直接在該第二主動層上的第二部分，使得肖特基接面形成於其間，該第一電極的該第一部分具有比該第一電極之該第二部分更低的肖特基電位障壁；及第二電極，與該第一主動層接觸，該第二電極建立與該第一主動層的電阻接面。
  2. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中該第一電極的該第一部分與該二維電子氣體接觸。
  3. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中該第一電極的該第二部分包含複數個段，該等段各者位於該第二主動層中之該凹陷內的不同深度。
  4. 如申請專利範圍第3項的半導體裝置，其中該等複數個段以步進方式位於完全在該第二主動層內之不同深度。
  5. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中該第 一電極的該第一部分具有與該第二主動層相鄰的邊緣，界定與在該等第一及第二主動層之間的介面的非垂直角。
  6. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中該第一電極的該第一部分具有與該基板於其中延伸之平面平行的表面區域，該表面區域比該第一電極之該第二部分的表面區域更小，該第一電極之該第二部分的該表面區域與該基板於其中延伸的平面平行。
  7. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中該第一主動層包含第三族氮化物半導體材料。
  8. 如申請專利範圍第7項的半導體裝置，其中該第一主動層包含GaN。
  9. 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中該第二主動層包含第三族氮化物半導體材料。
  10. 如申請專利範圍第9項的半導體裝置，其中該第二主動層包含AlX Ga1-X N，其中0<X<1。
  11. 如申請專利範圍第9項的半導體裝置，其中該第二主動層係選自由AlGaN、AlInN、及AlInGaN組成的群組。
  12. 一種形成半導體裝置的方法，包含：將第一主動層形成在基板上；將第二主動層形成在該第一主動層上，該第二主動層具有比該第一主動層更高的能帶隙，使得二維電子氣體層出現在該第一主動層及該第二主動層之間；將第一電極形成在該第二主動層上，使得肖特基接面 形成於其間，該第一電極具有設置直接在該第二主動層上的第一部分及第二部分，其中已將該第二主動層從該第二部分下方完全地移除使得該第二部分與該二維電子氣體接觸，該第一電極的該第一部分具有比該第一電極之該第二部分更高的肖特基電位障壁；且將第二電極形成在該第一主動層上，以將電阻接面形成於其間。
  13. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該第一電極的該第二部分包含複數個段，該等段各者位於該第二主動層中之該凹陷內的不同深度。
  14. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該等複數個段以步進方式位於完全在該第二主動層內之不同深度。
  15. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該第一電極的該第一部分具有與該第二主動層相鄰的邊緣，界定與在該等第一及第二主動層之間的介面的非垂直角。
  16. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該第一電極的該第二部分具有與該基板於其中延伸之平面平行的表面區域，該表面區域比該第一電極之該第一部分的表面區域更小，該第一電極之該第一部分的該表面區域與該基板於其中延伸的平面平行。
  17. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該第一主動層包含第三族氮化物半導體材料。
  18. 如申請專利範圍第17項的方法，其中該第一主動層包含GaN。
  19. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該第二主動層包含第三族氮化物半導體材料。
  20. 如申請專利範圍第19項的方法，其中該第二主動層包含AlX Ga1-X N，其中0<X<1。
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