一种纵向导通型GaN基沟槽结势垒肖特基二极管及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体功率器件领域，具体涉及一种新型的纵向导通型GaN (氮化镓)基沟槽结势皇肖特基二极管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]功率半导体器件是电力电子系统中的核心元件，在能源的转换和控制领域中发挥着最核心的作用，市场需求量巨大。而通过对功率半导体器件的材料、结构、制造工艺进行改进、创新、优化，进而提升器件的性能，便可在增强系统功能的同时降低系统功耗，提高能源利用效率，从而达到“节能减排”的目的，亦顺应了当下“绿色环保”的时代主题。因此，新型功率半导体器件已然成为目前业界、学术界的研究重点，尤其是基于GaN (氮化镓)材料的新型功率整流器件。
[0003]一方面，作为第三代半导体材料，GaN有着许多优越的材料特性，比如:宽禁带宽度(3.45eV)、高击穿场强(3.3MV/cm)、高电子饱和漂移速度(2.7X 107cm/s)、高电子迀移率(AlGaN/GaN系统的迀移率可达2000cm2/(V.s))、最高的高频或低频Baliga优值系数(BF0M)等，因此GaN比Si (硅)、GaAs (砷化镓)、SiC (碳化硅)等材料更适合被用于制造高功率、高频开关器件，而GaN基功率器件也有望获得更优越的性能优势。
[0004]另一方面，在各种各样的功率整流器件当中，肖特基二极管是一种颇为重要的单极型整流器件，其优势有二:第一，肖特基二极管在正偏下的肖特基势皇比普通的pn结二极管要低，故而正向开启电压和正向导通压降都比pn结二极管低，故而开启瞬间的动态损耗和静态导通损耗都比较低；第二，肖特基二极管是单极型器件，它在正向导通过程中几乎没有过剩少数载流子的注入和贮存，故而基本不存在由贮存电荷引起的反向恢复电流，其反向恢复时间仅仅受限于结电容和体串联电阻相联系的内部RC延迟时间常数，因此反向恢复时间极短(一般低于几个纳秒)，关断过程极快，关断瞬间的动态损耗较小。所以，肖特基二极管可以大幅度地减少电力电子变换系统的动态损耗、导通损耗，因此非常适合被用于尚频开关领域。
[0005]然而，对于传统的“金属一一半导体肖特基接触结构”的肖特基二极管来说，肖特基势皇在反向偏压下会由于金属-半导体(MS)接触界面处的镜像力的作用而发生降低和减薄:反向偏压越高，肖特基势皇高度就下降得越多，势皇宽度也变得越薄，进而导致热电子发射电流和隧穿电流随之增加。该效应在宏观上将表现为反向漏电随反偏压的升高而明显增加，因而既降低了器件的反向耐压，又增加了器件的关态功耗，以致肖特基二极管的应用范围受到了严重的限制。所以，为了使器件能同时兼具较好的正反向特性，即在保持高开关速度、低动态损耗、低导通损耗、高输出功率密度的同时，实现低反向漏电、高反向耐压、低关态损耗，研发基于新结构的GaN基肖特基二极管势在必行。
[0006]根据导通类型的不同，目前新型GaN基肖特基二极管的研发工作主要分为两大技术路线:一，基于GaN自支撑衬底的纵向导通型肖特基二极管；二，基于Si衬底、依靠外延层中AlGaN/GaN异质结界面处的高浓度2DEG (二维电子气)进行导电的横向导通型肖特基二极管。虽然，GaN导电自支撑衬底难以制备，成本高昂，以致基于异质衬底的GaN外延生长技术和横向导通型器件起步较早，发展较成熟，但是与横向型器件相比，纵向导通型器件依然有着下列显著的优点:
首先，在GaN自支撑衬底上生长的GaN同质外延晶体质量高，缺陷密度小，能从根本上避免异质外延生长时所面临的困难，比如:由晶格失配和热失配造成的晶格缺陷。
[0007]第二，纵向导通型器件由于其阴阳两极分居衬底上下两侧，因此内部电场分布比横向器件更为均匀，从而能有效地避免高电压下尖峰电场的出现，进而避免由尖峰电场导致的提前击穿。
[0008]第三，纵向导通型器件的导电通道贯穿整个外延层和衬底，这能为器件带来如下两个好处:一方面，器件受表面缺陷态的影响较小，故能有效地避免由表面态引起的电流崩塌现象的出现；另一方面，器件阴阳极的间距可达到几百微米，故能相对容易地获得较高的耐压能力。
[0009]第四，纵向导通型器件无需像横向导通型器件那样依靠增大阴阳极的水平间距，耗费更大的芯片面积来提升耐压，因此器件单元的面积可大大缩小，这大大提高了晶圆的利用率和器件的功率密度。
[0010]第五，正因纵向导通型器件电场分布比较均匀，高压下尖峰电场现象不明显，因此无需制作结构较为复杂的场版，故而器件工艺更为简单。
[0011]尽管直至目前为止，GaN自支撑衬底的制备难度、成本依然很高，也不能与成熟的Si基器件工艺很好地兼容和集成，很难实现低成本产业化。但在综合上述多项优点之后，纵向导通型GaN基肖特基二极管依然是未来高端耐压器件的发展方向。可是直至目前为止，关于纵向导通型GaN基肖特基二极管的研究仍然鲜有报道。
【发明内容】
[0012]本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种纵向导通型GaN基沟槽结势皇肖特基二极管及其制作方法，使GaN器件同时实现低开启电压、低正向压降、低导通电阻和低反向漏电、高反向耐压，保持较快的开关速度，拓宽器件在正反向特性之间折衷时的优化窗口，并取得比同类型SiC、GaAs、Si器件更优越的性能。
[0013]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种纵向导通型GaN基沟槽结势皇肖特基二极管，其中，由下往上依次包括覆盖衬底底面的欧姆接触金属阴极；n型重掺杂GaN自支撑衬底；第一外延层:n型轻掺杂GaN层--电子漂移层；第二外延层:n型轻掺杂GaN台--η型垂直沟道层(台与台之间形成沟槽结构)；第三外延层:沟槽内的ρ型GaN
层；覆盖ρ-GaN层顶部的欧姆接触阳极合金层A ;覆盖η-GaN台顶部的肖特基接触阳极金属层B;器件隔离层；表面钝化层。
[0014]首先，该沟槽结势皇肖特基二极管在结构上的最大特点在于多个η型轻掺杂GaN台(4)之间形成的沟槽结构及沟槽内的ρ-GaN层(5)。该p-GaN层(5)的厚度约为
0.5~4μπι，掺杂元素为:Mg等，浓度范围是1016~1019cm3，浓度分布可以是均匀分布，也可以是有一定的浓度梯度(此时就相当于多层不同浓度的ρ-GaN夹层结构)，如:p/p+/p浓度分布等。此外，沟槽深1-5 μ m，内宽0.1-5 μ m，槽与槽之间的ρ-GaN区间距为0.3-3.5 μ m，沟槽形状可以是:倒梯形、U型、V型、方形或阶梯型等。而且，该P-GaN还可以用P-AlGaN来代替。
[0015]而上述η型轻掺杂GaN台⑷及沟槽内的ρ-GaN层(5)是制作在轻掺杂η-GaN电子漂移层(3)顶部的。该轻掺η-GaN漂移层(3)和η-GaN台(4)的掺杂元素均为:Si等，浓度范围是1015~10lscm3。
[0016]如果衬底选用S1、蓝宝石、SiC等异质材料的衬底，则在衬底和轻掺杂η-GaN电子漂移层(3)之间还应夹有相应的导电缓冲层(16)和η型重掺杂GaN外延层(10)，该重掺杂η-GaN层的厚度至少在0.5~1 μ m以上，其掺杂元素为:Si等，浓度范围是1016~1019cm 3。
[0017]此外，在轻掺η-GaN台(4)和ρ-GaN层(5)的顶部，覆盖有金属阳极，其组分均为Ni/Au。其中，覆盖在ρ-GaN层(5)顶部的是经过高温退火的Ni/Au阳极合金层A(6)，它与ρ-GaN形成欧姆接触。与此同时，覆盖在η-GaN台(4)顶部和阳极合金层A顶部的是只经过低温退火的Ni/Au阳极金属复合层B(7)，它与η-GaN形成肖特基接触。
[0018]在衬底背面淀积有经过高温退火的欧姆接触金属阴极(1)，其组分可以是Ti/Al/Ni/Au 合金，或 Ga、Al、T1、N1、Au、Ta、Pb、TiN, TaN, ZrN, VN、NbN 等金属及其氮化物以任意组分组成的合金。
[0019]最后，在器件非金属电极接触区的表面淀积有0.1-1.5 μπι厚的绝缘钝化层(9)，其材质可选用A1203、Si3N4、Si02 (不掺杂Si02、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃)或其他绝缘电介质。在器件与器件之间还运用浅沟道隔离技术(STI)，用Si02(不掺杂Si02、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃)、Si3N4或其他绝缘电介质制作了 1~10μπι深的绝缘隔离层(8)，保证各器件之间的独立运行。
[0020]纵向导通型GaN基沟槽结势皇肖特基二极管的制作方法，其中，包括以下步骤:
51、在衬底⑵上生长轻掺杂η型GaN层(3);
52、用SAG法(选择区域生长法)制备η型轻掺杂GaN台(4);
53、用SAG法在沟槽部位生长ρ-GaN层(5)(单层或复合层)；
54、用干法刻蚀形成器件隔离槽，并在隔离槽内沉积绝缘介质层(8);
55、淀积表面钝化层(9);
56、在ρ-GaN层(5)的顶部蒸镀阳极合金层A(6);
57、在衬底背面蒸镀阴极金属层(1);
58、统一对阳极合金层A(6)和阴极金属层(1)进行高温RTA(快速热退火)，使之合金化；再进行金属剥离；
59、在η-GaN台(4)和阳极合金层A(6)的顶部蒸镀阳极金属层B(7)，并进行低温退火，最后进行金属剥离。
[0021]所述的步骤Sl、S2、S3