一种III-V族氮化物功率器件的制作方法

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种iii-v族氮化物功率器件。

背景技术：

相较于以硅为代表的第一代半导体和以砷化镓为代表的第二代半导体，以碳化硅和iii-v族氮化物为代表的第三代半导体，因其禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和速率高等特点，在电力电子应用中具有显著优势。

p型半导体与n型半导体接触之后会形成pn结，并且在界面附近的p型与n型半导体会相互耗尽形成空间电荷区，同时该空间电荷区的厚度会随着外加电场的变化而发生改变。临界的情况下，p型与n型半导体将会完全耗尽，即p型半导体中由负电荷构成，n型半导体由正电荷构成，此时的空间电荷区由于缺少可移动的载流子将具有较大的电阻率。

在硅和碳化硅体系中，常用的功率器件p型结构的制造，往往涉及到局部p型掺杂。但由于局部p型离子注入和激活效率的根本限制，通过热扩散和离子注入实现iii-v族氮化物局部p型掺杂极其困难，这使得在iii-v族氮化物中获得高效稳定的p型结构颇具挑战。

为了在iii-v族氮化物中实现在特定区域范围耗尽n型半导体，形成具有较高电阻率的耗尽层的目的，需要在保证实验室和工业生产的条件下可行性较高的基础之上，寻找一种新的解决方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的一个或多个技术问题，本发明提出一种iii-v族氮化物功率器件，

根据本发明的实施例提出了一种iii-v族氮化物功率器件，包括阳极、阴极和衬底，所述iii-v族氮化物功率器件包括：缓冲层，位于衬底上方；半绝缘氮化镓层，位于所述缓冲层上方；第一n型氮化镓层，具有第一n型掺杂浓度，位于所述半绝缘氮化镓层上方；第二n型氮化镓层，位于所述第一n型氮化镓层上方，具有第二n型掺杂浓度，所述第二n型掺杂浓度小于第一n型掺杂浓度；以及至少一层空间电荷层，位于所述第二n型氮化镓层内，所述至少一层空间电荷层包括类p型区和空间电荷窗口，其中所述类p型区中引入电负性离子，所述空间电荷窗口位于相邻的两个类p型区之间，所述空间电荷窗口具有第三n型掺杂浓度。

根据本发明又一实施例提出了一种iii-v族氮化物功率器件的制作方法，所述iii-v族氮化物功率器件包括阳极、阴极和衬底，所述制作方法包括：在衬底上生长一层缓冲层；在缓冲层上生长半绝缘氮化镓层；在半绝缘氮化镓层上生长第一n型氮化镓层，所述第一n型氮化镓层具有第一n型掺杂浓度；在第一n型氮化镓层上生长第二n型氮化镓层，所述第二n型氮化镓层具有第二n型掺杂浓度，所述第二n型掺杂浓度小于所述第一n型掺杂浓度；以及通过离子注入形成至少一层空间电荷层，所述至少一层空间电荷层包括类p型区和空间电荷窗口，其中所述类p型区中引入电负性离子，所述空间电荷窗口位于相邻的两个类p型区之间，所述空间电荷窗口具有第三n型掺杂浓度。

所述iii-v族氮化物功率器件及其制造方法将目前iii-v族氮化物实现局部p型掺杂极其困难的现状转化为一种实现较为简单且易于实现的负离子等效p型区域的制造，大大降低了工艺难度，并且可以有效改善在iii-v族氮化物器件中对高效稳定局部p型结构的需求，使得器件的阻断能力和可靠性得到较为明显的改善和提升，通过该结构还可以在指定的区域形成具有较高电阻率的耗尽层，从而实现降低漏电流大小等作用，增加器件的关断能力。

附图说明

图1-1为根据本发明一实施例的氮化镓二极管100-1的截面图；

图1-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管100-2的截面图；

图2-1为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管200-1的截面图；

图2-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管200-2的截面图；

图3-1为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管300-1的截面图；

图3-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管300-2的截面图；

图4-1为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管400-1的截面图；

图4-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管400-1的截面图；

图5为根据本发明实施例的制作氮化镓二极管的流程图500。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

本发明所述的iii-v族氮化物功率器件包括但不限于肖特基二极管、pin二极管、结势垒肖特基器件(jbs)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(vdmosfet、tmosfet)、电流孔径垂直电子晶体管(cavet)、沟道mos势垒肖特基(tmbs)、结型场效应晶体管(jfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、鳍式场效应晶体管(finfet)、集成门极换流晶闸管(igct)、门极可关断晶闸管(gto)。

图1-1为根据本发明实施例的氮化镓二极管100-1的截面图。如图1所示实施例中，所述氮化镓肖特基二极管100-1包括阳极10、阴极11、衬底1、缓冲层2、半绝缘氮化镓层3、n+氮化镓层4、第一n-氮化镓层5、空间电荷层101、第二n-氮化镓层8和p型氮化镓层9。所述n+型氮化镓层4具有第一n型掺杂浓度，位于所述半绝缘氮化镓层3上方；所述第一n-氮化镓层5位于所述n+型氮化镓层4上方，具有第二n型掺杂浓度，所述第二n型掺杂浓度小于所述第一n型掺杂浓度；所述空间电荷层101包括空间电荷窗口6和类p型区7，所述空间电荷层101位于所述第一n-氮化镓层5内，所述类p型区7中引入电负性离子，所述空间电荷窗口6位于相邻的两个类p型区之间，所述空间电荷窗口6具有第三n型掺杂浓度；所述第二n-氮化镓层8位于所述空间电荷层101上方，具有第四n型掺杂浓度，所述第一n型掺杂浓度、第二n型掺杂浓度、第三n型掺杂浓度和第四n型掺杂浓度可以相同，也可以不同，在一个实施例中，所述第三n型掺杂浓度设置为小于第二n型掺杂浓度或者第四n型掺杂浓度，在其它实施例中，所述第三n型掺杂浓度设置为等于第二n型掺杂浓度或者第四n型掺杂浓度；所述p型氮化镓层9位于所述阳极10下方，在其它实施例结构中，所述氮化镓肖特基二极管100也可以不包括所述p型氮化镓层9。

所述衬底1可以为氮化镓、碳化硅、硅、蓝宝石、绝缘体上硅(soi)、氮化铝、金刚石等；所述第一n-氮化镓层5和所述第二n-氮化镓层8可以为同一块n型氮化镓外延层，也可以为不同块n型氮化镓外延。

所述类p型区7位于所述阳极10下方，且位于所述第一n-氮化镓层5或者所述第二n-氮化镓层内，所述空间电荷窗口6也位于所述阳极10下方，并且位于相邻两个类p型区7之间，在所述阳极10与所述阴极11之间提供电流通路；在一个实施例中，所述空间电荷层101内的类p型区7和所述空间电荷窗口6横向交替排列位于器件内部的中间位置，将所述氮化镓二极管100-1的漂移区分为上下两部分，分别为第一n-氮化层5和第二n-氮化镓层8。在一个实施例中，所述类p型区7和所述空间电荷窗口6也可以位于所述第二n-氮化镓层5内。所述空间电荷窗口6的个数大于或等于1个，其宽度和深度可以根据实际需要设定，可以相同也可以不同；所述类p型区7的个数大于或者等于1个，其宽度和深度也可以相同或不同。根据实际需要设定，在一个实施例中，所述每一个类p型区7和所述每一个空间电荷窗口6的大小可以相同，均匀地分布在所述第一n-氮化镓层5或者第二n-氮化镓层8内。

在一个实施例中，当器件正向导通时，由于所述阳极10和所述阴极11之间的电压差较低，所述空间电荷窗口6处形成的空间电荷区较小，正向电流可以由所述阳极10经过所述空间电荷窗口6流向所述阴极10。所述正向电流不流经所述类p型区7。

在一个实施例中，当在器件上施加反向电压时，所述空间电荷窗口在两侧的类p型区7的帮助下，在较低的电压时就能完全耗尽，使所述电流通路变窄甚至阻断，大大降低反向漏电流。此时所述空间电荷窗口6的电阻率大于所述第一n-氮化镓层5或第二n-氮化镓层8的电阻率，电场峰值位于所属类p型区7附近，所述电阻率可以为所述空间电荷窗口6的平均电阻率。

如图1-1所示实施例中，当器件内电场强度最大值达到击穿电场强度时，器件内的电场强度沿着器件垂直方向上随着深度变化的趋势情况将会分成两部分，这可以使得器件的漂移区掺杂浓度可以设置为常规器件漂移区掺杂浓度的两倍，即在相同漂移区厚度的情况下，图1-1所示结构的漂移区的导通电阻将会降低为常规器件的一半，所述常规器件与图1-1所示氮化镓二极管100-1的区别在于所述常规器件没有所述空间电荷窗口6和类p型区。这在保证反向阻断能力的同时，又会降低器件在导通时候的损耗，大大提高了功率器件的性能。

在一个实施例中，所述第一n-氮化镓层5和所述第二n-氮化镓层8均通过外延生长得到，所述类p型区7通过负离子注入等方式引入负离子形成稳定的负性电荷，使得该区域为含有负性固定电荷的区域，所述负离子可以为氟离子、氧离子或其他电负性离子。其中所述负离子的引入方式包括但不限于：离子注入、等离子体工艺、在含相应元素的气体氛围中经退火、在含相应元素的液体中浸泡；其中所述负离子的等离子体由反应离子刻蚀、感应耦合等离子体-反应离子刻蚀、等离子体增强原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积中任一种或多种工艺引入。在一个实施例中，所述类p型区7中的负离子以剂量衡量时为1×10¹²至1×10¹⁴cm^-2，以体电荷密度衡量时为1×10¹⁶至5×10¹⁸cm^-3。

在一个实施例中，所述第一n-氮化镓层5和所述第二n-氮化镓层8都是在同一次外延生长时得到的，所述类p型区7通过高能量负离子注入等方式引入负离子在第一n-氮化镓层5和所述第二n-氮化镓层8的界面附近形成稳定的负性电荷，在一个实施例中，所述类p型区7中的负离子以剂量衡量时为1×10¹²至1×10¹⁴cm^-2，以体电荷密度衡量时为1×10¹⁶至5×10¹⁸cm^-3。

图1-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管100-2的截面图。图1-2所示的氮化镓二极管100-2与图1-1所示的氮化镓二极管100-1的区别在于，所述氮化镓二极管100-2的阴极11位于器件背面，在一个实施例中，所述阴极11呈沟槽形状。

图2-1为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管200-1的截面图。图2-1所示的氮化镓二极管200-1与图1-1所示的氮化镓二极管100-1的区别在于，所述氮化镓二极管200-1中的空间电荷层201位于所述第一n-漂移层5的顶部，且不包括第二n-氮化镓层8。这样的结构使得当在器件上施加反向电压时，电场峰值可以向器件内部移动，从而形成电场屏蔽，防止电场峰值出现在器件的表面引起漏电流的增大，并且使得器件的耐压得到了提升。

在图2-1所示的一个实施例中，所述类p型区7包括具有第一负离子浓度的第一区71和具有第二负离子浓度的第二区72，所述第一区71被所述第二区72包围，其中所述第一负离子浓度可以大于或者等于所述第二负离子浓度。在另一个实施例中，所述类p型区7的负离子浓度可以由表面向器件内部随着深度的增加而减小。在另一个实施例中，所述类p型区可以包括多于两种负离子浓度的区域。在另一个实施例中，所述每一个类p型区7和所述每一个空间电荷窗口6大小相同，均匀分布在所述第一n-氮化镓层5内。

图2-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管200-2的截面图。图2-2所示的氮化镓二极管200-2与图2-1所示的氮化镓二极管200-1的区别在于，所述氮化镓二极管200-2的阴极11位于器件背面，在一个实施例中，所述阴极11呈沟槽形状。

图3-1为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管300-1的截面图。图3-1所示的氮化镓二极管300-1与图1所示的氮化镓二极管100-1的区别在于，所述氮化镓二极管300-1包括位于第一n-氮化镓层5顶面的空间电荷层301和位于第一n-氮化镓层5内部的空间电荷层302，且所述氮化镓二极管300-1不包括第二n-氮化镓层8，所述空间电荷层301和所述空间电荷层302均包括交替排列的类p型区6和空间电荷窗口7。所述类p型区和空间电荷窗口7的宽度、深度以及数目不受图3-1所示实施例的限制，可以根据实际情况确定。在其它实施例中，所述氮化镓二极管300-1还可以包括更多如空间电荷层302所示的其它类似空间电荷层，分布于器件内的不同位置，并且每个空间电荷层中的类p型区6和空间电荷窗口7的宽度、深度以及数目不受图3-1所示实施例的限制，可以根据实际情况确定。所述空间电荷层301和空间电荷层302及其它类似空间电荷层中的类p型区和空间电荷窗口可以不填满整个空间电荷层所在的区域。

图3-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管300-2的截面图。图3-2所示的氮化镓二极管300-2与图3-1所示的氮化镓二极管300-1的区别在于，所述氮化镓二极管300-2的阴极11位于器件背面，在一个实施例中，所述阴极11呈沟槽形状。

图4-1为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管400-1的截面图。图4-1所示的氮化镓二极管400-1与图1所示的氮化镓二极管100-1的区别在于，所述氮化镓二极管400-1包括空间电荷层401和空间电荷层402，将所述氮化镓二极管400-1的漂移区分成上下三部分，包括第一n-氮化镓层5、第二n-氮化镓层8和第三n-氮化镓层12。所述第一空间电荷层401和所述第二空间电荷层402均包括交替排列的类p型区6和空间电荷窗口7。所述类p型区7和空间电荷窗口6的宽度、深度以及数目不受图4-1所示实施例的限制，可以根据实际情况确定。在其它实施例中，所述氮化镓二极管400-1还可以包括更多类似空间电荷层401和402所示的其它空间电荷层，分布于器件内的不同位置，并且每个空间电荷层中的类p型区7和空间电荷窗口6的宽度、深度以及数目不受图4-1所示实施例的限制，可以根据实际情况确定。所述空间电荷层401和空间电荷层402及其它类似空间电荷层中的类p型区7和空间电荷窗口6可以不填满整个空间电荷层所在的区域。

图4-2为根据本发明又一实施例的氮化镓二极管400-1的截面图。图4-2所示的氮化镓二极管400-2与图4-1所示的氮化镓二极管400-1的区别在于，所述氮化镓二极管400-2的阴极11位于器件背面，在一个实施例中，所述阴极11呈沟槽形状。

图5为根据本发明实施例的制作氮化镓二极管的流程图500。制作方法包括步骤s1-s5。

步骤s1，在衬底上生长一层缓冲层。

步骤s2，在缓冲层上生长半绝缘氮化镓层。

步骤s3，在半绝缘氮化镓层上生长第一n型氮化镓层，所述第一n型氮化镓层具有第一n型掺杂浓度。

步骤s4，在第一n型氮化镓层上生长第二n型氮化镓层，所述第二n型氮化镓层具有第二n型掺杂浓度，所述第二n型掺杂浓度小于所述第一n型掺杂浓度。

步骤s5，通过离子注入形成至少一层空间电荷层，所述至少一层空间电荷层包括类p型区和空间电荷窗口，其中所述类p型区中引入电负性离子，所述空间电荷窗口位于相邻的两个类p型区之间，所述空间电荷窗口具有第三n型掺杂浓度，所述第三n型掺杂浓度可以与第二n型掺杂浓度相同或不同。在一个实施例中，利用一掩膜在所述第一氮化镓外延层进行离子注入形成类p型区。

在一个实施例中，所述制作方法还包括在第二n型氮化镓层上生长p型氮化镓层，所述至少一层空间电荷层位于所述p型氮化镓层正下方。所述至少一层空间电荷层位于所述第二n型氮化镓层的顶部与p型氮化镓层的底部接触或者位于所述n型氮化镓漂移区内部且不与p型氮化镓层接触。

在一个实施例中，所述制作方法还包括在形成类p型区和空间电荷窗口之后，在所述第二n型氮化镓层上继续生长第三n型氮化镓层，在一个实施例中，所述第二层n型氮化镓层与所述第三n型氮化镓层之间至少包括一层空间电荷层。

在一个实施例中，所述制作方法中离子注入形成类p型区时选用高能量的方案，可以使得所形成类p型区的位置在所述第二n型氮化镓层中心位置附近，并将第二n型氮化镓层分割为至少上下两部分。

虽然图1-1至图4-2均以准垂直型氮化镓二极管作为示例，但应当理解，垂直型氮化镓二极管也可以作为本发明的实施例，在所述垂直型氮化镓二极管的n型漂移区内也可以包括所述类p型区和所述空间电荷窗口。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。