具有部分凹陷双金属电极的GaN基肖特基二极管的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]肖特基二极管是一种通过金属接触半导体层形成的半导体器件。金属与半导体层之间的接合处形成整流结，较之于完全形成在半导体层中的p-n结二极管，该整流结具有改善的二极管开关能力。因此，较之于P-n结二极管，肖特基二极管具有更低的接通电压和更快的开关速度。对于开关损耗是能量消耗的主要来源的应用(诸如在开关模式电源(SMPS)中)来说，肖特基二极管是理想之选。
[0002]由氮化物基化合物半导体材料制成的电子器件是已知的。由于此类电子器件是由III族氮化物基材料形成，因此它们又被称为III族氮化物半导体器件。氮化物基化合物半导体器件因其较宽的带隙和较高的击穿电压特征而合人心意，使得它们适合高电压高温应用。具体地讲，已经描述了具有高击穿电压和低导通电阻的II1-V族氮化镓(GaN)化合物半导体肖特基二极管。通过使用III族氮化物半导体肖特基势皇二极管，可改善开关式电源的效率。
[0003]III族氮化物基半导体器件能够通过在两个不同的III族氮化物诸如AlGaN和GaN的异质界面处形成二维电子气来使电子迀移率最大化。据信，二维电子气可补偿由III族氮化物晶体结构的非理想性质引起的应变诱生压电极化电荷和自发极化电荷。二维电子气在异质结的能带弯曲区中是量子受限的，在该能带弯曲区中，带隙较窄的III族氮化物(例如，GaN)接合带隙较大的III族氮化物(例如，AlGaN)。因此，在类肖特基二极管中，电子将沿着阳极电极与阴极电极之间的受限沟道流动。电荷密度由异质结构参数来确定，这些参数诸如Al成分、AlGaN层厚以及固有晶体极性。在III族氮化物功率器件中，电荷密度将响应于所施加的栅极电压，并且可根据带隙的变化而被局部移除。因此，III族氮化物功率器件的开关速度可以非常快。
[0004]图1示出了 GaN基肖特基二极管的例子。二极管100包括衬底10、缓冲层20、形成在缓冲层20上的GaN层30以及形成在GaN层30上的AlGaN层40。阳极60和阴极70充当该器件的电触点。阳极60形成在AlGaN层40上并与之建立肖特基界面。阴极70形成在GaN层30上并与之建立欧姆接触。
[0005]肖特基二极管(诸如图1的装置)的一个问题在于它们通常具有高正向电压降。这个问题出现的原因在于，传导电流必须行进穿过由AlGaN层上的肖特基接触建立的相对大的势皇。一般来说，肖特基势皇越大，所得到的正向电压降就越大。改善这个问题的一个方法是减小AlGaN层的厚度。然而，遗憾的是，这也会减少AlGaN层下方的二维电子气。例如，由AlxGaN层上的Ni/Au金属形成的肖特基接触的势皇为约1.leV，而高电压硅基肖特基二极管的势皇为约0.7eV，这就引起显著较低的正向电压降。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，半导体器件包括衬底、设置在衬底上方的第一有源层以及设置在第一有源层上的第二有源层。第二有源层具有比第一有源层高的带隙，使得在第一有源层与第二有源层之间产生二维电子气层。第一电极具有设置在第二有源层中的凹部中的第一部分以及设置在第二有源层上的第二部分使得肖特基结形成在第一电极和第二有源层之间。第一电极的第一部分具有比第一电极的第二部分低的肖特基势皇。第二电极与第一有源层接触。第二电极与第一有源层建立欧姆结。
[0007]根据本发明的另一方面，提供了用于形成半导体器件的方法。该方法包括在衬底上形成第一有源层并且在第一有源层上方形成第二有源层。第二有源层具有比第一有源层高的带隙，使得在第一有源层与第二有源层之间产生二维电子气层。第一电极形成在第二有源层上使得肖特基结形成在第一电极和第二有源层之间。第一电极具有设置在第二有源层上的第一部分以及与二维气体接触的第二部分。第一电极的第一部分具有比第一电极的第二部分高的肖特基势皇。第二电极形成在第一有源层上以与第一有源层形成欧姆结。
【附图说明】
[0008]图1不出了 GaN基肖特基二极管的例子。
[0009]图2示出了 GaN场效应肖特基势皇二极管(FESBD)的例子。
[0010]图3a和图3b分别示出了在正向偏压和反向偏压下FESBD及常规GaN肖特基二极管的电流电压曲线。
[0011]图4示出了采用部分凹陷双金属阳极的肖特基二极管的一个实施例。
[0012]图5a和图5b分别示出了常规AlGaN/GaN肖特基二极管、场效应肖特基势皇二极管(FESBD)和本文所述的RGFESBD的正向和反向电流电压(1-V)曲线的模拟。
[0013]图6示出了采用部分凹陷双金属阳极的肖特基二极管的可供选择的实施例。
[0014]图7示出了采用部分凹陷双金属阳极的肖特基二极管的另一可供选择的实施例。
[0015]图8示出了采用部分凹陷双金属阳极的肖特基二极管的又一可供选择的实施例。
[0016]图9为流程图，示出了用于形成半导体器件的方法的一个例子，该半导体器件诸如采用部分凹陷双金属阳极的肖特基二极管。
【具体实施方式】
[0017]已经发现，可以使用双金属肖特基电极来降低肖特基二极管的肖特基势皇，在该双金属肖特基电极中，电极由两种金属形成，一种金属具有相对高的势皇而另一种金属具有相对低的势皇。例如，如 N.1keda et al.，“A Novel GaN Device with Thin AlGaN/GaN Heterostructure for High-Power Applicat1ns，，，Furukawa Review, 26, I (2006)(N.1keda等人，“用于高功率应用的具有薄AlGaN/GaN异质结构的新型GaN器件”，《古河评论》，26，I (2006))中所示，采用了一种双金属肖特基电极，该双金属肖特基电极在较高势皇的金属中嵌入较低势皇的金属。
[0018]图2示出了此类双金属肖特基电极器件的一个例子，在本文中，将此类器件称为场效应肖特基势皇二极管(FESBD)。在图1和图2中，类似的元件由类似的参考标号指示。二极管100包括衬底10、缓冲层20、形成在缓冲层20上的GaN层30以及形成在GaN层30上的AlGaN层40。阳极60和阴极70充当该器件的电触点。阳极60包括具有较低势皇的第一部分6(^和具有较高势皇的第二部分60 2。阳极60形成在AlGaN层40上并与之建立肖特基界面。阴极70形成在GaN层30上并与之建立欧姆接触。
[0019]在FESBD以正向机制工作时，由于存在较低势皇的金属，因此可显著降低正向电压降。在以反向机制工作时，较高势皇的金属将仍在与将在具有仅由较高势皇金属形成的电极的器件中夹断沟道时大约相同的反向电压下夹断二维电子沟道。因此，在肖特基二极管中使用双金属电极降低了正向电压而没有大幅降低反向阻断电压。
[0020]场效应肖特基势皇二极管的一个缺陷在于，其导通电阻随着AlGaN厚度增加而变大，并且因此实际上仅在AlGaN层厚非常小(通常5纳米左右)时才有用。图3a和图3b分别示出了常规肖特基二极管在正向偏压和反向偏压下的电流电压曲线。常规二极管具有功函数与FESBD中的高势皇高度金属相同的肖特基金属。图3a和图3b还示出了具有肖特基电极的FESBD的电流电压曲线，该肖特基电极由两种金属形成，如图2所示并且如前述Ikeda参考文献所述。图3所示的两种器件均具有相对厚的AlGaN层(在该例子中为25纳米)。尽管对于FESBD而言正向电压相对小，但归因于较高势皇的金属的势皇高度，其导通电阻大。
[0021]由于AlGaN层需要临界厚度(例如，约5nm，取决于Al% )来使二维电子气达到高密度，因此为了降低FESBD的接通电压而在FESBD中使用薄AlGaN层是不太实用的，因为必须精确控制AlGaN层的厚度。因此，对FESBD的工作特征的更精确描述是，对于给定的AlGaN厚度，它降低了正向电压而没有大幅降低反向阻断电压。遗憾的是，它不适用