一种GaN异质结功率二极管的制作方法
【专利摘要】本发明涉及半导体器件【技术领域】，涉及GaN异质结功率二极管。本发明中阳极的肖特基金属淀积在凹槽中而不是直接淀积在异质结表面，并且在凹槽的右下方靠近阴极一侧淀积电介质在阳极形成结终端结构，并通过刻蚀势垒层降低肖特基金属下方沟道中的二维电子气（2DEG）的浓度实现器件具有极低的正向开启电压。本发明的有益效果为，具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗等优点，同时其制造工艺与传统GaN异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统GaN异质结HEMT器件的单片集成。本发明尤其适用于GaN异质结功率二极管。
【专利说明】一种GaN异质结功率二极管
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件【技术领域】，涉及GaN异质结功率二极管。
【背景技术】
[0002]作为第三代宽禁带半导体的典型代表，氮化镓(GaN)具有很多优良的特性:高临界击穿电场(?3.5X106V/cm)、高电子迁移率(?2000cm2/vs)、高的二维电子气(2DEG)浓度(?IO13CnT2)和良好的高温工作能力等。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管M0DFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经得到应用，尤其是在射频/微波领域已经应用于无线通信、卫星通信等。另外，基于宽禁带GaN材料的该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高、效率高等特性，可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积、更低功耗和更恶劣工作环境的要求。
[0003]二极管在半导体领域占有极其重要的地位，近年来，基于GaN异质结材料的二极管也已经取得了较大发展。然而，传统的GaN异质结肖特基二极管受肖特基接触势垒的影响其开启电压较大且其耐压能力取决于肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触。较大的开启电压会增加器件的正向工作损耗，因此开发一种具有低正向开启电压、高反向耐压的GaN功率二极管对于实际应用具有重要意义。文献Jae-Gil Lee, et.al.，“Low Turn-on Voltage AlGaN/GaN-on-Si Rectifier With Gated Ohmic Anode”, IEEEElectron Device Letters, vol.34, n0.2, Feb2013 提出的凹槽结构具有 0.37V 的开启电压，远小于肖特基势垒二极管>1.0V的开启电压，但是在反向耐压方面该结构受传统肖特基接触反向漏电的限制。文献 Silvia Lenci, et.al., “Au-Free AlGaN/GaN PowerDiode on8_in Si Substrate With Gated EdgeTermination，，，IEEE Electron DeviceLetters, vol.34，n0.8，Aug2013提出一种具有结终端的肖特基二极管。该结构利用结终端结构减小肖特基接触反向漏电，但器件正向导通电流受到肖特基接触载流能力的限制。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的，就是针对上述传统GaN异质结功率二极管存在的问题，提出了一种具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗的新型GaN异质结
二极管。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种GaN异质结功率二极管，包括衬底基片1、设置在衬底基片I上端面的GaN层2、设置在GaN层2上端面的AlMN层3，所述GaN层2和AmN层3构成异质结，所述AmN层3上端面的两侧分别设置有第一肖特基金属5和第二肖特基金属9，所述第一肖特基金属5和第二肖特基金属9之间设置有钝化层7，所述第一肖特基金属5与AlMN层3之间设置有第一欧姆接触层4，其特征在于，所述AlMN层3与第二肖特基金属9的接触面设置有凹槽8，所述凹槽8中靠近第一肖特基金属5的一侧设置有电介质6，另一侧设置第二欧姆接触层10。[0006]本发明总的技术方案，基于刻蚀AlMN势垒层局部减薄AlMN势垒层的厚度从而降低异质结的二维电子气(2DEG)的浓度实现对二极管正向开启电压的调制从而获得较低的器件正向开启电压，并利用电介质引入到阳极结终端来降低反向漏电以提高器件反向耐压，形成基于结终端实现高耐压的GaN异质结横向二极管。该二极管具有极低的开启电压和高的耐压能力。需要指出的是当AlMN势垒层的厚度、AlMN势垒层Al的组分，或是异质结中插入了 AlN层，或是AUlN势垒层中有掺杂以及掺杂的分布不同时，要实现同样低的正向开启电压所对应的凹槽的深度会有所不同
[0007]具体的，所述AlMN层3中M为Ga、In和Ga与In的混合物中的一种。
[0008]具体的，所述电介质6为Si02、Si3N4、AlN、Al203、Mg0和HfO2中的一种。
[0009]具体的，所述凹槽8的深度为20nm。
[0010]本发明的有益效果为，具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗等优点，同时其制造工艺与传统GaN异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统GaN异质结HEMT器件的单片集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的GaN异质结功率二极管的结构示意图；
[0012]图2为本发明的GaN异质结功率二极管的工艺流程中器件隔离示意图；
[0013]图3为本发明的GaN异质结功率二极管的工艺流程中淀积欧姆接触示意图；
[0014]图4为本发明的GaN异质结功率二极管的工艺流程中刻蚀AWN，形成凹槽示意图；
[0015]图5为本发明的GaN异质结功率二极管的工艺流程中淀积电介质示意图；
`[0016]图6为本发明的GaN异质结功率二极管的工艺流程中淀积淀积肖特基金属示意图；
[0017]图7为本发明的GaN异质结功率二极管的工艺流程中有源区钝化示意图；
[0018]图8为凹槽横向场效应二极管结构示意图；
[0019]图9为图8所示结构的仿真示意图，在凹槽深度为20nm时有正的开启电压，约为
0.25V (定义Ia=ImAAim时为器件正向开启)；
[0020]图10为图8所示器件结构的开启电压(定义Ia=ImAAim时为器件正向开启)随凹槽深度的变化示意图；
[0021]图11为传统肖特基势鱼二极管SBD结构不意图；
[0022]图12为三种结构的正向电流能力对比示意图；
[0023]图13为三种结构的正向开启电压对比示意图；
[0024]图14为图8和图1所示结构在反向耐压时的电场分布图；
[0025]图15为图8所示结构在反向耐压522.5V下的电流分布图；
[0026]图16为图1所示结构在反向耐压522.5V下的电流分布图；
[0027]图17为图1和8所述两种结构的反向漏电与耐压对比示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，详细描述本发明的技术方案:[0029]本发明提出一种高性能GaN异质结功率二极管，与常规的横向场效应整流器不同，本发明中阳极的肖特基金属淀积在凹槽中而不是直接淀积在异质结表面，并且在凹槽的右下方靠近阴极一侧淀积电介质在阳极形成结终端结构。本发明通过刻蚀势垒层降低肖特基金属下方沟道中的二维电子气(2DEG)的浓度实现器件具有极低的正向开启电压，且电介质只在凹槽的右下方靠近阴极一侧有淀积，并没有覆盖到整个凹槽，所以开启电压不会受到电介质的影响；并且本发明所提供的二极管在阳极采用欧姆/肖特基混合阳极设计，其中肖特基接触控制器件的开启/关断，欧姆接触是器件的导电通道。因此，本发明所提供二极管具有极低的阳极接触电阻，从而整个器件的导通电阻大大降低且导通电流大幅增力口。另一反面，器件在方向工作模式中，电场集中在靠近阴极一侧的肖特基金属边缘，当引入结终端结构后能够有效降低流经肖特基金属的反向漏电，从而能够提高器件反向耐压能力。故本发明提供的GaN异质结二极管具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗等优点，与此同时本发明所公布的器件制备工艺与传统GaN HEMT工艺兼容，可以实现GaN 二极管与HEMT的单片集成。
[0030]如图1所示，本发明的GaN异质结功率二极管，包括衬底基片1、设置在衬底基片I上端面的GaN层2、设置在GaN层2上端面的AmN层3，所述GaN层2和AmN层3构成异质结，所述AUlN层3上端面的两侧分别设置有第一肖特基金属5和第二肖特基金属9，所述第一肖特基金属5和第二肖特基金属9之间设置有钝化层7，所述第一肖特基金属5与AlMN层3之间设置有第一欧姆接触层4，所述AlMN层3与第二肖特基金属9的接触面设置有凹槽8，所述凹槽8中靠近第一肖特基金属5的一侧设置有电介质6，另一侧设置第二欧姆接触层10。
[0031]本发明的工作原理为:
[0032]由于肖特基金属下方的AUlN势垒层被刻蚀，所以其对应的沟道处的二维电子气(2DEG)浓度降低。当阳极施加电压，且小于开启电压时，肖特基金属下方的沟道处没有电子积累，2DEG导电沟道断开，不能形成电流通路；当阳极施加正电压，且大于开启电压时，肖特基金属下方的沟道处积累电子，形成从阳极到阴极的电流通路，于是器件开启。图8为对比图，通过仿真图8的结构，得到开启电压与凹槽深度的关系，见图9。通过图8中结构仿真出在凹槽深度为20nm (AlGaN势垒层厚为25nm，Al组分26%)时，具有正的开启电压，约为0.25V。图11为对比结构，传统的肖特基势垒二极管SBD。图12和13为三种结构的正向特性对比图，其中本发明提出的GaN异质结功率二极管的凹槽深度为20nm。以Ia=ImA/mm时为器件开启，则所提出器件的开启电压也为0.25V。然而肖特基势垒二极管SBD的开启电压则有1.5V，可见所提出的器件的开启电压远远小于传统肖特基势垒二极管SBD的开启电压。
[0033]当阳极施加反向电压时，如图14所示，电场集中在肖特基金属靠近阴极的一侧，对比于没有结终端结构的情况而言，本发明能有效降低流经肖特基接触反向漏电，如图15和16所示，进而提高器件的反向耐压。图17为图1和图8所示结构的漏电与耐压对比图。
[0034]本发明可通过优化凹槽8的深度来调节器件正向开启电压。为了实现低的正开启电压，采用刻蚀AlMN势垒层降低肖特基金属下方沟道中二维电子气浓度的方法，并且只在凹槽的右下方靠近阴极一侧淀积电介质，使得电介质的引入并没有改变开启电压。仿真中势垒层Al组分为26%，厚度为25nm，电介质的厚度为10nm，凹槽8中电介质6长度为0.5um。[0035]本发明提供了一种可选制备工艺流程图，包括以下步骤:
[0036]第一步:如图2，制备衬底，实现器件隔离。
[0037]第二步:如图3，淀积欧姆接触金属。
[0038]第三步:如图4，湿法或者干法刻蚀AlMN层，实现整流器正开启电压。
[0039]第四步:如图5，用原子层淀积(ALD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式淀积电介质5102、5“队、41队41203、1%0或者HfO2等以及介质层的图形化。
[0040]第五步:如图6，淀积肖特基金属。
[0041]第六步:如图7，器件有源区钝化。
[0042]其中阳极采用混合阳极的方式由欧姆金属和肖特基金属相连构成。
[0043]采用器件仿真软件Sentaurus对本发明所提出的结构进行了仿真分析。在仿真中，AlGaN势垒层厚度为25nm，Al组分为26%，阴阳极间距离Lac=5 μ m。凹槽在AlGaN势垒层中的深度为trecess,凹槽右下方的电介质材料采用HfO2,其厚为IOnm,下方长为0.5 μ m。在仿真凹槽深度对器件正向开启电压的影响时，由图9可看出当凹槽深度trecess为20nm时，器件正向开启电压仅为0.25V，该开启电压远远小于图11所示的传统肖特基势垒二极管SBD1.5V的开启电压。由图12和13的对比图可得，以正向导通电流Ia=ImAAim时定义为器件正向开启，则图1结构和图8结构的开启电压均为0.25V，结终端结构的引入并没有改变正向开启电压和导通电流，器件导通电流主要流经混合阳极结构中的欧姆接触。从图15和16图17的反向特性对比中可以发现，本发明所提出的二极管中结终端结构的引入使得器件的反向漏电大幅减小，器件反向耐压得到明显提高。上述仿真结果说明了本发明所提出器件的有效性和可实施性。
【权利要求】
1.一种GaN异质结功率二极管，包括衬底基片(I )、设置在衬底基片(I)上端面的GaN层(2)、设置在GaN层(2)上端面的AmN层(3)，所述GaN层(2)和AmN层(3)构成异质结，所述AUlN层(3)上端面的两侧分别设置有第一肖特基金属(5)和第二肖特基金属(9)，所述第一肖特基金属(5 )和第二肖特基金属(9 )之间设置有钝化层(7 )，所述第一肖特基金属(5)与AmN层(3)之间设置有第一欧姆接触层(4)，其特征在于，所述AmN层(3)与第二肖特基金属(9)的接触面设置有凹槽(8)，所述凹槽(8)中靠近第一肖特基金属(5)的一侧设置有电介质(6 )，另一侧设置第二欧姆接触层(10 )。
2.根据权利要求1所述的一种GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述AUlN层(3)中M为Ga、In和Ga与In的混合物中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述电介质(6)为SiO2' Si3N4, AIN, A1203> MgO 和 HfO2 中的一种。
4.根据权利要求1?3任意一项所述的一种GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述凹槽(8)的深度为20nm。
【文档编号】H01L29/861GK103872145SQ201410083056
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】周琦, 汪玲, 鲍旭, 牟靖宇, 施媛媛, 尉中杰, 张波 申请人:电子科技大学