肖特基二極管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件，特別是涉及一種肖基特二極管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會中，電力電子技術(shù)不斷更新發(fā)展，穩(wěn)壓器、整流器、逆變器等電力電子器件在日常生活中應用越來越廣泛，涉及高壓供電、電能管理、工廠自動化、機動車能源分配管理等諸多領(lǐng)域。
[0003]二極管是電力電子應用領(lǐng)域中不可或缺的組成部分。近年來，具有高頻、大電流、低功耗特性的肖特基二極管以其獨特的性能優(yōu)勢越來越引人注目。
[0004]傳統(tǒng)的功率型肖特基二極管主要是在硅(Si)基材料上制作。硅材料發(fā)展歷史悠久，硅單晶制備成本低、硅器件加工工藝成熟，因此硅基肖特基二極管的發(fā)展也是最為成熟的。但是，由于禁帶寬度、電子迀移率等材料特性的限制，硅基功率肖特基二極管的性能已經(jīng)接近其理論極限，不能滿足當今高頻、高功率、高耐溫的需求。硅基肖特基二極管耐壓低、電流輸運能力有限、在高溫條件下對系統(tǒng)散熱要求苛刻，這造成了器件體積重量大、能耗大，不利于電力電子系統(tǒng)向集成化、小型化、節(jié)能化發(fā)展。
[0005]為了突破硅材料的自身限制，人們開始尋找具有更優(yōu)性能的材料。以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代寬禁帶半導體材料進入了人們視野。它們具有優(yōu)異的物理和化學性質(zhì)，如禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度大、抗輻射能力強、化學穩(wěn)定性好等，特別適合制作尚耐壓、尚耐溫、尚頻、大功率肖特基一極管器件。GaN材料另一突出的特點就是利用自身的極化效應，如圖1所示，在非摻雜的AlGaN/GaN就可以形成電子面密度達到113CnT2量級的高濃度二維電子氣(2DEG 〖Two-dimens1nal electron gas)。2DEG面密度大、在溝道二維平面內(nèi)迀移率高，利用這一特性制作的橫向?qū)ǖ腉aN肖特基二極管是目前最常見的，也是最有潛力的外延結(jié)構(gòu)形式。如圖2所示，傳統(tǒng)AlGaN/GaN肖特基二極管橫向器件最大的優(yōu)勢利用了 2DEG溝道導通輸運電流，可以有效降低器件的導通電阻，實現(xiàn)大功率輸出。
[0006]但是，在傳統(tǒng)AlGaN/GaN肖特基二極管中，由于器件導通層在半導體外延結(jié)構(gòu)的表面，反向阻擋工作時，器件的電場分布過于集中在外延層表面，限制了器件耐壓特性。
[0007]在目前的現(xiàn)有技術(shù)中，為了改善肖特基二極管電極的電場集邊效應，提高器件的擊穿電壓，通常在肖特基二極管結(jié)構(gòu)中采用場板結(jié)構(gòu)、保護環(huán)結(jié)構(gòu)或超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0008]場板結(jié)構(gòu)和保護環(huán)結(jié)構(gòu)通過調(diào)控電極和半導體接觸處的電場分布，降低邊緣處的電場峰值，在一定程度上可以改善由于電極邊緣電場強度過大導致的擊穿現(xiàn)象，提升器件的擊穿電壓。超結(jié)結(jié)構(gòu)則采用離子注入的手段，形成η型GaN層和ρ型GaN交替的結(jié)構(gòu)，通過電荷補償原理將外延層中載流子濃度提高I個量級的同時，在反向耗盡狀態(tài)下，實現(xiàn)電場在外延層中的分布接近處處相等的理想狀態(tài)，使得外延層耐壓能力的最優(yōu)化。
[0009]然而，這些技術(shù)手段還存在如下缺陷:
[0010]首先，現(xiàn)有的場板結(jié)構(gòu)、保護環(huán)結(jié)構(gòu)或超結(jié)結(jié)構(gòu)，由于十分靠近氮化鎵異質(zhì)結(jié)有源區(qū)，且通常采用場板工藝和離子注入工藝進行制作，對器件的電流傳輸能力影響較大，在提升耐壓性能的同時，犧牲了器件較大的輸出特性；
[0011]其次，這些技術(shù)手段沒有充分利用整體外延層的耐壓潛質(zhì)，耐壓性能進一步提升的空間十分有限；
[0012]再次，無論是場板工藝還是離子注入工藝，都增加了器件制作過程中穩(wěn)定性保持的難度，也提高了器件的制作成本，不利于產(chǎn)業(yè)化推廣。
[0013]因此，如何在保證肖特基二極管的電流傳輸能力及穩(wěn)定性的同時提升其耐壓特性，并且減少制作工藝對器件性能的影響，成為目前亟需解決的技術(shù)難點之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]基于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種肖基特二極管及其制造方法。
[0015]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0016]一種肖基特二極管，包括:襯底、緩沖層、外延結(jié)構(gòu)、肖特基接觸金屬以及歐姆接觸金屬，襯底、緩沖層、外延結(jié)構(gòu)依次層疊設(shè)置；
[0017]所述外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的超結(jié)層、GaN溝道層和勢皇層，所述超結(jié)層是由復數(shù)個P型GaN層與η型GaN層互相交替層疊構(gòu)成；
[0018]所述肖特基接觸金屬與歐姆接觸金屬分別對稱設(shè)置于所述外延結(jié)構(gòu)的相對的兩側(cè)面，且一端延伸至所述外延結(jié)構(gòu)的上表面，另一端延伸至所述緩沖層。
[0019]在其中一個實施例中，所述P型GaN層的摻雜濃度為116?1019cnT3，厚度為Inm?Ium ;所述η型GaN層的摻雜濃度為116?10 19cnT3，厚度為Inm?lum。
[0020]在其中一個實施例中，所述ρ型GaN層的摻雜劑為Mg、Zn、C或Fe ;所述η型GaN層的摻雜劑為Si或Ge。
[0021]在其中一個實施例中，所述勢皇層為AlGaN層、AlN層、AlInN層中的一種或多種組合，厚度為Inm?50nmo
[0022]在其中一個實施例中，所述勢皇層為Α1((ι.2_α3^((ι.7_α8)Ν，厚度為20-30nm。優(yōu)選為厚度為 25nm 的 Ala25Gaa 75N。
[0023]在其中一個實施例中，所述超結(jié)層的厚度為200nm?10 μ m。
[0024]在其中一個實施例中，所述GaN溝道層的厚度為Inm?500nm。
[0025]在其中一個實施例中，所述肖特基接觸金屬為Ni/Au合金、Pt/Au合金或Pd/Au合金；所述歐姆接觸金屬為Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金。
[0026]本發(fā)明還提供所述的肖特基二極管的制造方法，包括如下步驟:
[0027](I)通過外延生長技術(shù)，在襯底上依次生長緩沖層、超結(jié)層、GaN溝道層以及勢皇層；
[0028](2)通過濕法或干法刻蝕技術(shù)對所述外延結(jié)構(gòu)，或外延結(jié)構(gòu)和緩沖層進行刻蝕，形成用于容納肖特基接觸金屬的第一容納區(qū)域和用于容納歐姆接觸金屬的第二容納區(qū)域；
[0029](3)通過光刻技術(shù)和電子束蒸發(fā)技術(shù)，于所述第一容納區(qū)域和第二容納區(qū)域分別形成肖特基接觸金屬和歐姆接觸金屬，即得所述肖特基二極管；
[0030]或，
[0031](a)通過外延生長技術(shù)，在襯底上生長緩沖層；
[0032](b)分別于所述第一容納區(qū)域和第二容納區(qū)域制作掩膜；
[0033](c)再于緩沖層上依次生長超結(jié)層、GaN溝道層以及勢皇層后，去除掩膜；
[0034](d)進行步驟(3)，即得所述肖特基二極管。
[0035]本發(fā)明的原理及優(yōu)點如下:
[0036]本發(fā)明所述肖基特二極管，在襯底上依次形成緩沖層、ρ型GaN層與η型GaN層交替的超結(jié)層、GaN溝道層和勢皇層，所述超結(jié)層、GaN溝道層以及勢皇層形成外延結(jié)構(gòu)，肖特基接觸金屬與歐姆接觸金屬分別對稱設(shè)置于所述外延結(jié)構(gòu)的相對的兩側(cè)面，且一端延伸至所述外延結(jié)構(gòu)的上表面，另一端延伸至所述緩沖層，完整連接異質(zhì)結(jié)有源區(qū)(GaN溝道層和勢皇層形成的區(qū)域)以及超結(jié)區(qū)(超結(jié)層區(qū)域)。
[0037]其中，勢皇層和GaN溝道層接觸界面處形成2DEG溝道，具有優(yōu)良的電流導通能力；超結(jié)層中P型GaN層與η型GaN層接觸形成ρ/η結(jié)，可進一步提升該區(qū)域的載流子濃度，促進電流的導通；超結(jié)層與異質(zhì)結(jié)有源區(qū)采用互相平行的層疊結(jié)構(gòu)，使二者電流傳輸性能的發(fā)揮相對獨立，更有利于電流的導通。
[0038]當給所述肖特基二極管施加正向電壓時，電流從肖特基接觸金屬(陽極)注入，通過勢皇層和GaN溝道層接觸界面處形成2DEG溝道以及超結(jié)區(qū)中的ρ/η結(jié)，導通到歐姆接觸金屬(陰極)，可實現(xiàn)大功率輸出；當施加反向電壓時，2DEG溝道會對電壓產(chǎn)生阻擋，且由于超結(jié)區(qū)的電場垂直于陽極和陰極之間的電場，使電場在該區(qū)域中的均勻分散，形成均勻的耗盡區(qū)域，降低了電場峰值，提高肖特基二極管的耐壓特性。
[0039]特別地，當所述勢皇層為Al (α2_α 3)Gaftl.7_α8)Ν，厚度為20_30nm時，可以在勢皇層和GaN溝道層界面形成高濃度、高迀移率的2DEG ;當所述ρ型GaN層與η型GaN層的摻雜濃度分別為116?10 19cnT3，厚度分別為Inm?Ium時，形成的ρ/η結(jié)既能夠保證較好的電流導通能力，又能夠承受較高的反向電壓，提高耐壓特性。
[0040]本發(fā)明所述肖基特二極管的制造方法，通過外延生長技術(shù)，交替生長η型GaN和ρ型GaN層，直接形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上再生長形成的GaN溝道層和勢皇層，并利用光刻技術(shù)和電子束蒸發(fā)技術(shù)制作陰極歐姆接觸金屬和陽極肖特基接觸金屬，避免采用傳統(tǒng)的場板工藝和離子注入工藝，降低工藝對肖基特二極管性能的影響，增加導流和耐壓的穩(wěn)定性，且工藝簡單，制作成本低，是保障肖特基二極管優(yōu)良輸出特性的同時提升耐壓特性的有效方法。
[0041 ] 本發(fā)明所述襯底的材料可以為硅材料、碳化硅、藍寶石、氮化鎵或氧化鋅。
[0042]所述緩沖層可為Α1Ν、AlGaN, GaN中的一種或多種組合的層結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。
[0043]本發(fā)明所述肖特基二極管還可以包括鈍化層，材料可為Si02、SiN, A1203、A1N、HfO2, MgO, Sc2O3> Ga203、AlHfOx、HfS1N 中的一種或多種組合，厚度為 Inm ?lOOnm。
[0044]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0045]本發(fā)明所述肖基特二極管，具有較高的耐壓特性，且保證了良好的電流傳輸能力及穩(wěn)定性，避免采用傳統(tǒng)的場板結(jié)構(gòu)和保護環(huán)結(jié)構(gòu)，可以簡化制作工藝，降低成本。
[0046]本發(fā)明所述肖基特二極管的制造方法，能夠降低工藝對肖基特二極管性能的影響，增加導流和耐壓的穩(wěn)定性，且工藝簡單，制作成本低，是保障肖特基二極管優(yōu)良輸出特性的同時提升耐壓特性的有效方法。
【附圖說明】
[0047]圖1為AlGaN/GaN外延結(jié)構(gòu)(左圖)及能帶、電子濃度分布圖(右圖)；
[0048]圖2為傳統(tǒng)AlGaN/GaN肖特基二極管結(jié)構(gòu)；
[0049]圖3為本發(fā)明所述肖特基二極管；
[0050]圖4為本發(fā)明所述肖特基二極管的制作方法I的步驟⑴示意圖；
[0051]圖5為本發(fā)明所述肖特基二極管的制作方法I的步驟(2)示意圖；<