一种氧化镓SBD器件及其制备方法

一种氧化镓sbd器件及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及但不限于一种氧化镓sbd器件及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，β
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ga2o3作为发展起来的一种超宽禁带半导体材料，虽然采用30μm厚的n型ga2o3材料制备的垂直型肖特基二极管(sbd)能够降低器件的开关损耗，提高电机驱动器的性能，简化开关电源电路中的保护电路，但由于β
‑ꢀ
ga2o3材料难以实现p型掺杂，导致垂直型sbd器件无法使用终端耐压保护结构。因此垂直型β
‑
ga2o3sbd器件如何实现较高击穿电压越来越受到人们的关注。
3.现有sbd器件的制备过程中，形成欧姆接触金属层；在欧姆接触金属层上形成衬底；在衬底上形成外延层；在外延层上形成台阶结构；在外延层上形成第一钝化层；在第一钝化层上形成金属层；在金属层上形成第二钝化层。
4.然而，现有sbd器件的制备过程中由于引入多台阶场板结构，从而导致器件击穿电压的能力和器件泄露电流的能力均不高。
5.

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种氧化镓sbd器件及其制备方法，以解决现有sbd器件中由于引入多台阶场板结构而导致的器件击穿电压的能力和器件泄露电流的能力均不高的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供了一种氧化镓sbd器件，包括：欧姆接触金属层，所述欧姆接触金属为金属钛；衬底层，所述衬底层设置在所述欧姆接触金属层的面上；外延层，所述外延层设在所述衬底层的远离所述欧姆接触金属层的面上；斜面层，所述斜面层设置在所述外延层的远离所述衬底层的面上；介质层，所述介质层设置在所述斜面层的远离所述外延层的面上；肖特基接触金属层，所述肖特基接触金属层设置在所述介质层的远离所述斜面层的面上。
8.可选的，所述欧姆接触金属层为金属钛层时，所述金属钛层的厚度为5～50nm。
9.可选的，所述衬底层为n型重掺杂β
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ga2o3材料，所述肖特基接触金属层中包括ti、ni、mo中的至少一种。
10.可选的，所述外延层为n型轻掺杂β
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ga2o3材料，且所述外延层具有台阶结构。
11.可选的，所述介质层为al2o3材料，厚度为0.1～1μm；并且，所述介质层上设置有肖特基接触窗口，所述肖特基接触窗口竖直向下延伸至所述斜面层上表面。
12.可选的，所述斜面层采用ga2o3斜面终端结构，并且，所述斜面层与水平面之间的角度为30
°
～60
°
，所述斜面层的宽度为10～100μm。
13.本发明还提供了一种氧化镓sbd器件的制备方法，所述方法包括：s201.形成n型重掺杂的衬底层；s202.在所述衬底层上形成n型轻掺杂的外延层；s203.采用v型切割工艺在所述外延层的远离所述衬底层的面上形成斜面层；s204.在所述斜面层的远离所述外延层的面上形成介质层；s205.在所述介质层的远离所述外延层的表面上形成肖特基接触金属层；s206.在所述衬底层的远离所述外延层的表面上形成欧姆接触金属层；其中，所述衬底层为n型重掺杂β
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ga2o3材料，所述外延层为n型轻掺杂β
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ga2o3材料。
14.可选的，步骤s204中采用化学气相淀积工艺在所述斜面层的远离所述外延层的面上形成介质层；所述介质层上设置有肖特基接触窗口，所述肖特基接触窗口竖直向下延伸至所述斜面层上表面。
15.可选的，s205包括：在所述介质层的远离所述外延层的表面上沉积第一金属层，并对所述第一金属层进行图形化处理以及退火处理后，形成所述肖特基接触金属层。
16.可选的，步骤s206包括：在所述衬底层的远离所述外延层的表面上沉积第二金属层，并对所述第二金属层进行退火处理后，形成欧姆接触金属层；其中，所述欧姆接触金属为金属钛。
17.本发明的有益效果是：本发明中的一种氧化镓sbd器件及其制备方法，属于半导体功率器件技术领域，其中氧化镓sbd器件，包括：欧姆接触金属层，所述欧姆接触金属为金属钛；衬底层，所述衬底层设置在所述欧姆接触金属的面上；外延层，所述外延层设在所述衬底层的远离所述欧姆接触金属层的面上；斜面层，所述斜面层设置在所述外延层的远离所述衬底层的面上；介质层，所述介质层设置在所述斜面层的远离所述外延层的面上；肖特基接触金属层，所述肖特基接触金属层设置在所述介质层的远离斜面层的面上。也就是说，本发明通过引入斜面终端结构这一技术手段，不仅能够有效缓解器件表面的电场集中效应，提升器件击穿电压，而且能够将器件的峰值电场移至体内，有效降低了器件泄漏电流，结构简单，工艺简单，能耗低，解决了现有氧化镓sbd器件由于临界击穿电场高导致的平面场板终端易在表面出现电场集中，以及恶化器件的耐压特性的问题，从而大大提高了制备氧化镓sbd器件的高效性和可靠性，也提高了氧化镓sbd器件的使用寿命。
附图说明
18.图1为本发明一实施例提供的氧化镓sbd器件结构示意图；图2为本发明另一实施例提供的氧化镓sbd器件的制备方法流程图；图3为本发明又一实施例提供的氧化镓sbd器件制备流程图；图4为本发明另一实施例提供的制备出的氧化镓sbd器件结构示意图；图5为本发明另一实施例提供的电子设备的结构示意图；其中：1
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欧姆接触金属层、2
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衬底层、3
‑
外延层、4
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斜面层、5
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介质层、6
‑
肖特基接触金属层。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
24.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.首先对本发明所涉及的名词进行解释：ga2o3：ga2o3为三氧化二镓，是一种宽禁带半导体，eg=4.9ev，ga2o3是一种透明的氧化物半导体材料，是白色三角形的结晶颗粒，不溶于水，微溶于热酸或碱溶液，熔点1900℃(在600℃时转化为β型)，易溶于碱金属氢氧化物和稀无机酸，有α
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ga2o3和β
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ga2o3两种变体，α
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ga2o3为六方晶型为白色菱形六面体，β
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ga2o3属于单斜晶型。
26.sbd（schottkybarrierdiode，sbd）：sbd是肖特基势垒二极管，肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（schottky）命名的。sbd不是利用p型半导体与n型半导体接触形成pn结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，sbd也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）a为正极，以n型半导体b为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属
‑
半导体器件。
27.当前，β
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ga2o3作为新近发展起来的一种超宽禁带半导体材料，禁带宽度约为4.8～4.9ev，击穿电场达到8mv/cm，相当于si（约1.1ev）的26倍、sic（约3．4ev）和gan（氮化镓，约3．3ev）的2倍以上。baliga优值（巴利加优值）为si的3000倍、sic材料的8倍以及gan材料
的4倍；高频baliga优值为si材料的150倍、sic的3倍、以及gan材料的1.5倍。对于相同耐压等级的单极功率器件，导通电阻可降为sic的1/10、gan的1/3，可有效降低器件功耗。理论计算表明，采用30μm厚的n型ga2o3材料制备的垂直型肖特基二极管(sbd)，理论击穿电压可以达到24000v，而且反向恢复电流几乎为零，能够大大降低器件的开关损耗，提高电机驱动器的性能，简化开关电源电路中的保护电路。
28.由于β
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ga2o3材料难以实现p型掺杂，导致垂直型sbd功率器件通常采用场板终端做为提升器件击穿电压的主要结构。氧化镓sbd器件由于临界击穿电场高，常规场板结构易在器件表面出现电场集中，将严重影响器件的耐压特性。因此，开发一种新型ga2o3功率器件终端有效提升器件耐压特性及减少泄漏电流对于β
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ga2o3sbd器件的性能提升以及应用具有重要意义。
29.但是，现有技术中通常采用多台阶场板结构或者采用平面场板终端，导致器件击穿电压的能力和器件泄露电流的能力均不高。因此，本发明提供一种氧化镓sbd器件及其制备方法，以解决现有sbd器件中由于引入多台阶场板结构或者采用平面场板终端而导致的器件击穿电压的能力和器件泄露电流的能力均不高的问题。
30.以下将结合图1至图5，对本发明实施例所提供的氧化镓sbd器件及其制备方法进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.本发明的实施例提供的氧化镓sbd器件，如图1所示，该氧化镓sbd器件中，可以包括：欧姆接触金属层1、衬底层2、外延层3、斜面层4、介质层5、肖特基接触金属层6。
32.其中，欧姆接触金属可以为金属钛；衬底层2可以设置在欧姆接触金属层的面上；外延层3可以设在衬底层2的远离欧姆接触金属层1的面上；斜面层4可以设置在外延层3的远离衬底层2的面上；介质层5可以设置在斜面层4的远离外延层3的面上；肖特基接触金属层6可以设置在介质层5的远离斜面层4的面上。
33.可选的，欧姆接触金属层1为金属钛层时，金属钛层的厚度可以为5～50nm。
34.可选的，衬底层2可以为n型重掺杂β
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ga2o3材料，肖特基接触金属层6中可以包括ti、ni、mo中的至少一种。
35.可选的，外延层3可以为n型轻掺杂β
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ga2o3材料，且外延层3可以具有台阶结构。
36.可选的，外延层3可以包括两个台阶，每个台阶的深度可以为0.3～1um，每个台阶的宽度可以为5～25um。
37.可选的，介质层5可以为al2o3材料，介质层5的厚度为0.1～1μm；并且，介质层5上可以设置有肖特基接触窗口，肖特基接触窗口可以竖直向下延伸至斜面层4上表面。
38.可选的，斜面层4可以采用ga2o3斜面终端结构，并且，斜面层4与水平面之间的角度可以为30
°
～60
°
，斜面层4的宽度可以为10～100μm。
39.本发明提供了一种氧化镓sbd器件，属于半导体功率器件技术领域，包括：欧姆接触金属层，所述欧姆接触金属为金属钛；衬底层，所述衬底层设置在所述欧姆接触金属的面上；外延层，所述外延层设在所述衬底层的远离所述欧姆接触金属层的面上；斜面层，所述斜面层设置在所述外延层的远离所述衬底层的面上；介质层，所述介质层设置在所述斜面层的远离所述外延层的面上；肖特基接触金属层，所述肖特基接触金属层设置在所述介质层的远离斜面层的面上。也就是说，本发明通过在垂直型ga2o3sbd中引入斜面终端结构的手
段，不仅能够有效缓解器件表面的电场集中效应，提升器件击穿电压，而且能够将器件的峰值电场移至体内，有效降低了器件泄漏电流，结构简单，工艺简单，能耗低，解决了现有ga2o
3 sbd器件由于临界击穿电场高导致的平面场板终端易在表面出现电场集中，以及恶化器件的耐压特性的问题，从而大大提高了制备氧化镓sbd器件的高效性和可靠性，也提高了氧化镓sbd器件的使用寿命。
40.在另一种可行的实施例中，本发明还提供了一种氧化镓sbd器件的制备方法，如图2所示为本发明另一实施例提供的氧化镓sbd器件的制备方法流程图。下面结合图2，对该方法包括的步骤进行具体介绍。
41.步骤s201、形成n型重掺杂的衬底层。
42.具体的，衬底层2可以为n型重掺杂β
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ga2o3材料。
43.步骤s202、在所述衬底层上形成n型轻掺杂的外延层。
44.具体的，外延层3可以为n型轻掺杂β
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ga2o3材料，且外延层3可以具有台阶结构。
45.可选的，外延层3可以包括两个台阶，每个台阶的深度可以为0.3～1um，每个台阶的宽度可以为5～25um。
46.步骤s203、采用v型切割工艺在所述外延层的远离所述衬底层的面上形成斜面层。
47.具体的，斜面层4可以采用ga2o3斜面终端结构，并且，斜面层4与水平面之间的角度可以为30
°
～60
°
，斜面层4的宽度可以为10～100μm。
48.步骤s204、在所述斜面层的远离所述外延层的面上形成介质层。
49.具体的，步骤s204可以通过下述过程实现：可以采用化学气相淀积工艺在斜面层4的远离外延层3的面上形成介质层5；其中，介质层上可以设置有肖特基接触窗口，肖特基接触窗口可以竖直向下延伸至斜面层4上表面。
50.步骤s205、在所述介质层的远离所述外延层的表面上形成肖特基接触金属层。
51.具体的，步骤s205可以通过下述过程实现：在介质层5的远离外延层3的表面上可以沉积第一金属层，并对第一金属层进行图形化处理以及退火处理后，形成肖特基接触金属层6。
52.步骤s206、在所述衬底层的远离所述外延层的表面上形成欧姆接触金属层。
53.具体的，步骤s206可以通过下述过程实现：在衬底层3的远离外延层2的表面上可以沉积第二金属层，并对第二金属层进行退火处理后，形成欧姆接触金属层1；其中，所述欧姆接触金属可以为金属钛。
54.示例性的，如图3所示为本发明又一实施例提供的氧化镓sbd器件制备流程图，先在n型重掺杂β
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ga2o3的衬底层2上形成n型轻掺杂β
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ga2o3的外延层3，再采用v型切割工艺在外延层3的远离衬底层2的面上形成斜面层4，然后采用化学气相淀积工艺在斜面层4的远离外延层3的面上形成介质层5，介质层5上设置有肖特基接触窗口，肖特基接触窗口竖直向下延伸至斜面层4上表面；进一步的，在介质层5的远离外延层3的表面上沉积第一金属层，并对第一金属层进行图形化处理以及退火处理后，形成肖特基接触金属层6；最后，在衬底层2的远离外延层3的表面上沉积第二金属层，并对第二金属层进行退火处理后，形成欧姆接触金属层；其中，欧姆接触金属为金属钛。以此制备出高效且可靠的氧化镓sbd器件。
55.可选的，当斜面层4与水平面之间的角度为45
°
时，按照上述氧化镓sbd器件的制备
方法可以制备出如图4所示的氧化镓sbd器件。
56.本发明提供了一种氧化镓sbd器件的制备方法，属于半导体功率器件技术领域，所述方法包括：形成n型重掺杂的衬底层；在所述衬底层上形成n型轻掺杂的外延层；采用v型切割工艺在所述外延层的远离所述衬底层的面上形成斜面层；在所述斜面层的远离所述外延层的面上形成介质层；在所述介质层的远离所述外延层的表面上形成肖特基接触金属层；在所述衬底层的远离所述外延层的表面上形成欧姆接触金属层；其中，所述衬底层为n型重掺杂β
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ga2o3材料，所述外延层为n型轻掺杂β
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ga2o3材料。也就是说，使用本发明方法制备氧化镓sbd器件的过程简单易操作，并且原料简单，能耗低，并且使用本发明方法制备的氧化镓sbd器件的器件结构和制备工艺简单，效果显著，解决了现有氧化镓sbd器件由于临界击穿电场高导致的平面场板终端易在表面出现电场集中，以及恶化器件的耐压特性的问题，从而具有广泛的应用前景。
57.如图5所示为本发明另一实施例提供的电子设备的结构示意图，该电子设备包括前述实施例中的氧化镓sbd器件，或者电子设备包括的氧化镓sbd器件可以由上述任一种方法制备而成。其具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。
58.本发明实施例所提供的电子设备，氧化镓sdb器件包括：欧姆接触金属层，所述欧姆接触金属为金属钛；衬底层，所述衬底层设置在所述欧姆接触金属的面上；外延层，所述外延层设在所述衬底层的远离所述欧姆接触金属层的面上；斜面层，所述斜面层设置在所述外延层的远离所述衬底层的面上；介质层，所述介质层设置在所述斜面层的远离所述外延层的面上；肖特基接触金属层，所述肖特基接触金属层设置在所述介质层的远离斜面层的面上。
59.优选地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括程序，该程序在被处理器执行时用于执行上述方法实施例。
60.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
61.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
62.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
63.上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器（英文：processor）执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（英文：read
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only memory，简称：rom）、随机存取存储器（英文：random access memory，简称：
ram）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。