TWI538225B - 半導體裝置及形成半導體裝置的方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關具有部分凹陷陽極之氮化鎵為基的肖特基二極體。
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、形成在該基板上的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。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，提供一種半導體裝置，其包括基板、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。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。該第一電極具有與二維電子氣體接觸的第一部分及設置在該第二
主動層上的第二部分。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
30‧‧‧GaN層
40‧‧‧AlGaN層
60、260‧‧‧陽極
70、270‧‧‧陰極
100‧‧‧二極體
200‧‧‧肖特基二極體
220‧‧‧緩衝層
230‧‧‧第一主動層
240‧‧‧第二主動層
250‧‧‧二維電子氣體
2601‧‧‧凹陷陽極部分
2602、2603‧‧‧表面部分
圖1顯示GaN-基質肖特基二極體的範例。
圖2顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體及具有完全凹陷陽極之肖特基二極體的順向電流電壓(I-V)曲線的模擬。
圖3顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體及完全凹陷肖特基二極體之反向I-V曲線的模擬。
圖4顯示使用部分凹陷陽極之肖特基二極體的一實施例。
圖5顯示使用具有以步進方式凹陷之組態的部分凹陷陽極之肖特基二極體的替代實施例。
圖6顯示使用具有「T形」組態的部分凹陷陽極之肖特基二極體的另一替代實施例。
圖7顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體、完全凹陷肖特基二極體、及顯示於圖4中之該種類部分凹陷肖特基二極體的順向I-V曲線的模擬。
圖8顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體、完全凹陷肖特基二極體、及顯示於圖4中之該種類部分凹陷肖特基二極體的反向I-V曲線的模擬。
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。
已發現可藉由降低由AlGaN層上的肖特基接點所建立的相對大電位能障而將GaN-基質肖特基二極體的相對高電壓降降低。此可藉由使用在其中藉由移除AlGaN層將陽極直接形成在GaN層上的凹陷陽極而完成。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。如下文所展示的，將AlGaN層完全移除也不幸地導致阻遏電壓減少。
如下文所詳述的，藉由使用部分凹陷的肖特基陽極將氮化鎵基質肖特基二極體的順向電壓降降低，而同時增加其反向阻遏電壓。凹陷陽極部分降低肖特基接點的電位能障，從而降低該裝置的順向電壓降。當將反向偏壓施加至該裝置時，未凹陷陽極部分在正下方產生電荷空乏區，阻遏二維電子氣體的流動，其改良該裝置的反向阻遏能力。
圖2顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體及具有完全凹陷陽極之肖特基二極體(為了簡潔，在本文中將其稱為完全凹陷肖特基二極體)之順向電流電壓(I-V)曲線的模擬。將電壓起始點放大在該圖式的角落。在二情形中，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8×10-12cm-2。如圖所示，不僅將完全凹陷肖特基二極體的開啟電壓降低約0.1ev，也將導通電阻降低。
圖3顯示習知AIGaN/GaN肖特基二極體及完全凹陷肖特基二極體之反向I-V曲線的模擬。如圖所示，當將反向偏壓施加至該等裝置時，全完凹陷肖特基二極體具有已降低的崩潰電壓及相對於習知肖特基二極體更大的漏電流。
總之，圖2及3共同指示雖然完全凹陷陽極可有利地降低開啟電壓，因為AlGaN層的厚度降低，其也不幸地降低該裝置的崩潰電壓。
為克服此問題，提供使用部分凹陷陽極的肖特基二極體，其中該陽極的一部分位於AlGaN層的表面上且該陽極的另一部分在該AlGaN內凹陷並直接暴露於在AlGaN/GaN介面引起的二維電子氣體。該陽極的凹陷部分有利地降低該裝置的開啟電壓。此外，在反向偏壓下，位於AlGaN層之表面上的陽極部分將使在其下方之AlGaN層的部分空乏，阻遏二維通道並因此維持強化崩潰電壓。
圖4顯示使用部分凹陷陽極之肖特基二極體200的一實施例。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，AlXGa1-XN，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。GaN層可能係摻雜n-型，因此可將n-型摻雜劑均勻地併入第一主動層230中，或僅在部分該層中。GaN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。
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，陽極260包括位於第一主動層230上的部分2601及位於第二主動層240內或上的另一部分2602。將AlGaN層從凹陷陽極部分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，該裝置的順向電壓降降低。
如圖4所示，在凹陷陽極部分2601位於AlGaN層內的蝕刻深度可能固定跨越整體凹陷部分2601。或者，在部分情形中，凹陷部分2601的不同段可能位於AlGaN層內的不同深度。例如，如圖5所示，陽極260的凹陷部分2601可能具有不同段位於AlGaN層240內的漸增深度的階狀組態(在從陰極開始並朝向陽極移動的方向上觀看)。在圖4及5以及之後的圖式中，相似元件以相似參考數字標記。模擬已顯示圖5的陽極組態可抑制漏電流並降低開啟電壓。
圖6顯示部分凹陷陽極260的另一說明組態。在此範例中，部分凹陷陽極具有陽極260的凹陷部分2601位於陽極260之二表面部分2602及2603之間的「T形」組態。已展示此組態也可有利地降低該裝置之漏電流的模擬。
在部分實施例中，由陽極260的凹陷部分
2601及非凹陷部分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，使凹陷部分2601的表面面積小於非凹陷部分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。圖7顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體、完全凹陷肖特基二極體、及顯示於圖4中之該種類部分凹陷肖特基二極體的順向I-V曲線的模擬。雖然在較高偏壓，習知及部分凹陷肖特基二極體的順向電壓曲線幾乎彼此合併，部分及完全凹陷肖特基二極體之開啟電壓的起始幾乎相同，並遠低於習知裝置。
部分凹陷二極體的此行為可解釋如下。在較低偏壓，電流導通機制係由與二維電子氣體接觸的凹陷陽極部分2601所支配。在較高偏壓值，多數電子可通過AlGaN/GaN介面，且電位能障變得更大。
圖8顯示習知AlGaN/GaN肖特基二極體、完全凹陷肖特基二極體、及顯示於圖4中之該種類部分凹陷肖特基二極體的反向I-V曲線的模擬。如圖所示，部分凹陷二極體的崩潰電壓顯著地增加超過習知二極體及完全凹陷二極體二者。再者，部分凹陷二極體的漏電流在低偏壓值降低。
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，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。第一電極具有與二維電子氣體接觸的第一部分。在區塊340，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
30‧‧‧GaN層
40‧‧‧AlGaN層
60‧‧‧陽極
70‧‧‧陰極
100‧‧‧二極體
Claims (20)
- 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，使得該第二主動層被完全移除在該第一電極之該第一部分下方；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，該第一電極之該第一部分具有較該第一電極之該第二部分更低的肖特基電位能障；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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 如申請專利範圍第1項的半導體裝置，其中設置 在該第二主動層上之該第一電極的該第二部分包含第一及第二段，使得該第一電極的該第一部分設置在該第一電極的該第一及第二段之間。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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AlXGa1-XN，其中0<X<1。
- 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。
- 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，該第一電極具有第一部分，其中該第二主動層已被完全移除在該第一部分底下使得該第一部分與該二維電子氣體接觸；及設置直接在該第二主動層上的第二部分；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。
- 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。
- 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。
- 如申請專利範圍第12項的方法，其中設置在該第二主動層上之該第一電極的該第二部分包含第一及第二段，使得該第一電極的該第一部分設置在該第一電極的該第一及第二段之間。
- 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。
- 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。
- 如申請專利範圍第17項的方法，其中該第一主 動層包含GaN。
- 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。
- 如申請專利範圍第19項的方法，其中該第二主動層包含AlXGa1-XN，其中0<X<1。
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