CN101944540A - 第三族氮化合物萧特基二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种第三族氮化合物萧特基二极管及其制造方法，其将第三族氮化合物萧特基二极管的至少一电极与导电基板形成奥姆接触，使第三族氮化合物萧特基二极管导电时的电流可经过基板。该基板可以大面积制作，具有导电性及散热性佳的优点，故可避免组件因过热而遭损坏的问题，且提升第三族氮化合物萧特基二极管的操作特性。另外，萧特基二极管的阳极与阴极可选择设置于基板的同一侧或相对侧，藉以缩小组件的体积及面积。

Description

第三族氮化合物萧特基二极管及其制造方法

技术领域

本发明是有关于萧特基二极管及其制造方法，特别是一种以氮化镓或其类似半导体化合物组成的第三族氮化合物萧特基二极管及其制造方法。

背景技术

二极管是半导体产业常用的组件结构，其中又以P型半导体与N型半导体组合而成的PN接面二极管(P-N junction diode)最为常见。然除半导体接面以外，金属与半导体接面的二极管亦为常见结构，其中又常包括具有整流功能的萧特基二极管(Schottky diode)。

萧特基二极管是以金属与微量掺杂的半导体形成萧特基接触(Schottky contact)，其藉由金属与半导体的功函数差形成位能障碍，造成萧特基二极管在接受外界偏压时，具有易于单向导电的特性，可形成整流接触。同时，由于萧特基二极管具有顺向载子易于导通而逆向载子不易导通的特性，故其几乎不受载子储存效应的影响，因而具有偏压切换反应快速的优点。因此，萧特基二极管常应用于可在正反偏压之间快速切换以及低漏电流等特性的组件。

一般而言，传统的萧特基二极管形成于一蓝宝石绝缘基板上。在蓝宝石绝缘基板上以磊晶制程成长复数N型掺杂的半导体层(一般以氮化镓(GaN)或其类似材料组成)，再将至少两金属层形成于不同半导体层上作为萧特基二极管的阳极与阴极。

然而，采用以上传统的第三族氮化合物萧特基二极管的结构与制程方法仍具有价格昂贵及组件占据大面积的缺点。此外，由于第三族氮化合物萧特基二极管的阳极与阴极皆须与磊晶成长的半导体层接触，不但限制第三族氮化合物萧特基二极管的应用面向，而且该蓝宝石绝缘基板有可能影响组件的散热效能，因而损失萧特基二极管的操作特性。

有鉴于此，目前的需求为一种能改善上述缺失，以较低成本制成小面积、且具散热、操作等特性佳的第三族氮化合物萧特基二极管及其制造方法。

发明内容

本发明提供一种第三族氮化合物萧特基二极管及其制造方法，其将第三族氮化合物萧特基二极管的至少一电极与导电基板形成奥姆接触，使第三族氮化合物萧特基二极管导电时的电流可经过基板。该基板可以大面积制作，具有导电性及散热性佳的优点，故可避免组件因过热而遭损坏的问题，且提升萧特基二极管的操作特性。另外，第三族氮化合物萧特基二极管的阳极与阴极可选择设置于基板的同一侧或相对侧，藉以缩小组件的体积及面积。

依据本发明一实施例，该萧特基二极管包含一导电基板，其具有一第一表面；一缓冲层及一半导体层依序堆栈于该第一表面上，以形成一岛状区块，其中该半导体层以第三族氮化合物组成；一第一电极位于该区块上；以及一第二电极，其与该第一表面接触，且位于邻近该区块的位置。

依据本发明另一实施例，该萧特基二极管包含一导电基板，其中该导电基板具有一第一表面与位于其相对侧的一第二表面；一缓冲层及一半导体层依序堆栈于该第一表面上，以形成一岛状区块，其中该半导体层以第三族氮化合物组成；一第一电极位于该区块上；以及一第二电极，其与该第二表面接触。

本发明另提供一种种萧特基二极管的制造方法。依据本发明一实施例，该方法的步骤包括：提供一导电基板，该基板具有一第一表面与位于其相对侧的一第二表面；在该第一表面上形成一岛状区块，该区块包含一缓冲层及一半导体层，其中该半导体层以第三族氮化合物组成；在该区块上形成一第电极；以及在该第一表面上或该第二表面上其中之一形成一第二电极。

该萧特基二极管及其制造法的至少一优点在于，萧特基二极管导电时的电流可经过基板。由于导电基板可以大面积制作，可增加组件的数量，且藉由其导电性及散热性佳的优点，可避免组件因过热而遭损坏的问题，且提升萧特基二极管的操作特性。

附图说明

图1A为绘示依据本发明一较佳实施例所制作的萧特基二极管的示意图。

图1B绘示依据本发明一实施例所制作的串接式萧特基二极管的平面图。

图1C为沿图1B剖面线1C的剖面图。

图1D为绘示依据本发明另一实施例所制作的垂直导通式萧特基二极管的示意图。

图2A、图2B、图2C、图2D及图2E为绘示依据本发明一实施例制造萧特基二极管的流程示意图。

图2F为依据本发明另一实施例制造垂直导通式萧特基二极管的流程示意图。

主要组件符号说明

102：萧特基二极管

104、204：基板

110、210：缓冲层

112、212：半导体层

114、214：主动区块

116、216：第一电极

118、218：第二电极

具体实施方式

本发明提供一种萧特基二极管及其制造方法，其将萧特基二极管的至少一电极与导电基板形成奥姆接触，使萧特基二极管导电时的电流可经过基板。该基板可以大面积制作，具有导电性及散热性佳的优点，故可避免组件因过热而遭损坏的问题，且提升萧特基二极管的操作特性。另外，萧特基二极管的阳极与阴极可选择设置于基板的同一侧或相对侧，藉以缩小组件的体积及面积。

以下所称“第三族氮化合物”指包含氮(N)及化学元素周期表中归于第三族元素(例如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In))的化合物、以及其三元化合物或四元化合物(例如AlGaN、AlInGaN)。

图1A绘示依据本发明一较佳实施例所制作的萧特基二极管102的示意图。萧特基二极管102包括具有一第一表面104A与一第二表面104B的基板104。基板104以导电材料组成，例如硅(Si)基板、砷化镓(GaAs)基板、碳化硅(SiC，silicon carbide)基板或其类似材料。第一表面104A上具有相互毗邻的一第一区106及一第二区108。对应第一区106的第一表面104A上依序堆栈缓冲层110及半导体层112，藉以形成岛状主动区块114。缓冲层110用于调和基板104与半导体层112之间的晶格匹配差异，有利于提高半导体层112的晶格品质。依据本发明一实施例，缓冲层110可以硅掺杂的氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)或其类似第三族氮化合物组成，其中铝(Al)的含量x界于0至1之间。半导体层112则可以氮化镓(GaN)、或其类似第三族氮化合物组成。虽然本实施例的区块114仅显示缓冲层110及半导体层112，区块114中亦可设有其它材料层。

区块114上设有一第一电极116作为萧特基二极管102的阳极，其与半导体层112的接面形成萧特基位障区(Schottky barrier region)。依据本发明一实施例，第一电极116以金属组成，尤其具有导电性好、易于焊接、且与半导体层112有良好的萧特基接触与黏附作用的材料，例如铝、铂、金、镍、钼或其类似金属材料。依据另一实施例，第一电极116亦可以多层金属材料层组成。

此外，对应第二区108的第一表面104A上另有至少一第二电极118，其与基板104的第一表面104A形成奥姆接触，作为萧特基二极管102的阴极。依据本发明一实施例，第二电极118以金属组成，尤其具有导电性好、易于焊接、且与导电基板104有良好的奥姆接触与黏附作用的材料，例如铝(Al)或其类似金属。依据另一实施例，第二电极118亦可以多层金属材料层组成。

当萧特基二极管102通电时，电流沿方向120由第二区108的第二电极118横向流经基板104，再垂直地经过位于第一区106的缓冲层110、半导体层112及第一电极116。由于萧特基二极管102通电时的电流经过导电基板104，其可以大面积制作，具有导电性及散热性佳的优点，故可避免组件因过热而遭损坏的问题，且提供更佳的操作特性。此外，因基板104可以大面积制作，故其第一表面104A上可排列更多的组件数量。

图1B绘示依据本发明一实施例所制作的串接式萧特基二极管的平面图，图1C则为沿图1B的剖面线1C绘示的剖面图。如图1B、图1C所述，基板104上可形成相互串接的萧特基二极管102A及102B。各萧特基二极管102A、102B的岛状主动区块114可具有梳状。第二电极118则排列于萧特基二极管102A及102B之间，且具有复数肋状119延伸至萧特基二极管102A、102B的区块114之间，藉此串接萧特基二极管102A、102B。

图1D为绘示依据本发明另一实施例的萧特基二极管102的示意图，其中岛状主动区块114的结构可与图1A的实施例相同。惟，第二电极118形成于基板104的第二表面104B上，位于区块114的相对侧。因此，当萧特基二极管102导通时，电流沿方向122由第二电极118垂直流经基板104的厚度，再经过缓冲层110、半导体层112及第一电极116。采用此实施例时，可以省略电流横向导通所需利用的组件空间，使得单一组件的体积及面积均缩小。此一特征亦可配合大尺寸基板的特性，得以大幅提升单一基板上所能制作产出的组件数量。

接下来请参阅图2A至图2E，其绘示依据本发明一实施例制成萧特基二极管的流程示意图。

如图2A所示，首先将取得一导电基板204(例如具掺杂硅基板)，并将之置入有机金属化学气相磊晶系统中(metal-organic chemical vapor deposition)，并在系统中通入约100至200sccm(standard cubic centimeter per minute)的三甲基镓(trimethyl-gallium)、50至100sccm的三甲基铝(trimethyl-aluminum)及10至20公升的氨气。将系统压力维持于约500mbar及温度约600至1200℃之间，即可在基板204的第一表面204A上磊晶成长以氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)组成的缓冲层210，其铝含量x界于0至1之间，厚度界于10埃(Angstrom)至1000埃之间。藉由精准控制缓冲层210的厚度及磊晶成长条件，可提高后续形成半导体层的晶格质量，确保更佳的导电性。

稍后如图2B所示，形成以氮化镓(GaN)化合物组成的半导体层212。依据前述步骤形成的缓冲层210后，接续可在有机金属化学气相磊晶系统中通入约100至500sccm的三甲基镓、10至20公升的氨气，并于压力约200mbar及温度约1000至1200℃的环境下磊晶成长以氮化镓组成的半导体层212。依据一较佳实施例，半导体层212的厚度界于1微米(μm)至10微米之间。完成半导体层212的磊晶步骤后，即可将基板204由系统中移出。

继续请参照图2C，将基板204移出磊晶系统后，可在其表面铺覆光阻(未示)，并以曝光显影制程定义组件中对应岛状主动区块的区域A，再以光阻为屏蔽，蚀刻位于区域A以外的部分半导体层212与缓冲层210至基板204的第一表面204A。藉此，可形成岛状主动区块214，并且暴露基板204的第一表面204A上邻近区块214的区域B。

再参照图2D，利用电子枪蒸镀(electron-beam evaporation)系统，以蒸镀方式形成第一电极216，其以铝、铂、金、镍、钼或其类似金属组成，厚度约300至3000埃。此第一电极216作为萧特基二极管的阳极，其与半导体层212的接面即为萧特基接触。

最后参照图2E，在对应基板204的区域B所暴露的第一表面204A上，以电子枪蒸镀法蒸镀形成以铝组成的第二电极218，其厚度约为20,000埃。第二电极218与基板204形成奥姆接触，作为萧特基二极管的阴极。

如图2F所示，第二电极218亦可形成于基板204上相对于区块214的第二表面204B上，藉此形成如前述图1D所示的垂直导通萧特基二极管。

综上所述，本发明的萧特基二极管为将其一电极与导电基板形成奥姆接触，使萧特基二极管导电时的电流可经过基板。由于导电基板可以大面积制作，可增加组件的数量，且藉由其导电性及散热性的优点，可避免组件因过热而遭损坏的问题，并且提升萧特基二极管的操作特性。

虽本发明的内容依据前述图式与较佳实施例揭露如前述，但我们应了解，其内容并非在于限制本发明的范畴。其实施的替换系统与方式已为前面叙述所建议，并易由习知技艺的人士思及其它替换的系统与方式。依据本发明的结构与方法的精神而创造任何具有实质上相同于本发明功用结果者，均不脱离本发明创作的范畴；因此，所有此等替换与修改，均系意欲落在本发明的申请专利范围与说明书、以及其均等系统及方法的范畴之中。

Claims (13)

1.一种第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：包括：

导电基板，其中该导电基板具有第一表面与位于其相对侧的第二表面；

缓冲层及半导体层依序堆栈于该第一表面上，以形成岛状区块，其中该半导体层以第三族氮化合物组成；

第一电极，其位于该区块上；以及

第二电极，其可与该第一表面或该第二表面其中之一接触。

2.如权利要求1所述的第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：该导电基板包含硅基板、N型掺杂的硅基板、砷化镓基板、或碳化硅基板。

3.如权利要求1所述的第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：该缓冲层的材料包含氮化铝镓化合物、或其类似第三族氮化合物。

4.如权利要求1所述的第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：该缓冲层的厚度界于10埃至1000埃之间。

5.如权利要求1所述的第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：该第二电极的材料包含铝或其类似金属。

6.如权利要求1所述的第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：该第三族氮化合物包括氮化镓。

7.如权利要求1所述的第三族氮化合物萧特基二极管，其特征在于：该半导体层的厚度界于1微米至10微米之间。

8.一种萧特基二极管的制造方法，其特征在于：包括：

提供导电基板，其具有第一表面与位于其相对侧的第二表面；

在该第一表面上形成岛状区块，其包含缓冲层及半导体层，其中该半导体层以第三族氮化合物组成；

在该区块上形成第一电极；以及

在该第一表面上或该第二表面上其中之一形成第二电极。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该导电基板包含硅基板、N型掺杂的硅基板、砷化镓基板、或碳化硅基板。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该第二电极与该第一表面接触，且位于邻近该区块的位置。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该第二电极与该第二表面接触，且位于该区块的相对侧。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该缓冲层的厚度界于10埃至1000埃之间。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该第二电极的材料包含铝或其类似金属。

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