CN104094417A - 利用注入制造氮化镓p-i-n二极管的方法 - Google Patents

Abstract

一种第III族氮化物半导体器件，包括：用于支持在第III族氮化物半导体器件的正向偏置操作期间的电流流动的有源区。该有源区包括：具有第一导电类型的第一第III族氮化物外延材料和具有第二导电类型的第二第III族氮化物外延材料。第III族氮化物半导体器件还包括物理上相邻于有源区并且包括包含第一第III族氮化物外延材料的一部分的注入区的边缘终端区。第一第III族氮化物外延材料的注入区相对于第一第III族氮化物外延材料的相邻于注入区的部分具有降低的电导率。

Description

利用注入制造氮化镓P-I-N二极管的方法

相关申请的交叉引用

以下常规美国专利申请通过引用并入本申请中用于所有目的：

·2011年12月22日提交的题为“METHOD OF FABRICATING AGAN P-I-N DIODE USING IMPLANTATION”的第13/335329号申请；

·2011年12月22日提交的题为“FABRICATION OF FLOATINGGUARD RINGS USING SELECTIVE REGROWTH”的第13/335355号申请；

·2011年10月11日提交的题为“METHOD AND SYSTEM FORFLOATING GUARD RINGS IN GAN MATERIALS”的第13/270606号申请；

·2011年11月18日提交的题为“GAN-BASED SCHOTTKYBARRIER DIODE WITH FIELD PLATE”的第13/300028号申请；以及，

·2011年11月17日提交的题为“METHOD AND SYSTEM FORFABRICATING FLOATING GUARD RINGS IN GANMATERIALS”的第13/299254号申请。

背景技术

功率电子器件广泛用在各种应用中。功率电子器件通常用在电路中以改变电能的形式例如，从交流到直流，从一个电压电平到另一电压电平或者以一些其他方式。这样的器件可以在宽范围的功率电平内操作，从移动设备中的几毫瓦到高压输电系统中的几百兆瓦。尽管在功率电子器件方面取得了进展，但是在本领域中还对改进的电子系统和操作该改进的电子系统的方法存在需求。

发明内容

本发明一般性涉及电子器件。更具体地，本发明涉及一种用于使用第III族氮化物半导体材料提供具有用于提供边缘终端的注入区的P-i-N二极管的技术。仅通过示例的方式，本发明已应用于用于制造用于高压GaN基器件的P-i-N二极管的方法和系统。该方法和技术可以应用于各种化合物半导体系统，例如，垂直结型场效应晶体管(JFET)、晶闸管、肖特基势垒二极管、PN二极管、双极晶体管和其他器件。

根据一个实施方案，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法。该方法包括：提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底，以及形成耦接到第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层。第一第III族氮化物外延层的特征在于比第一掺杂剂浓度小的第二掺杂剂浓度。该方法还包括：形成耦接到第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外延层；去除第二第III族氮化物外延层的一部分以露出第一第III族氮化物外延层的一部分；以及向第一第III族氮化物外延层的露出部分的注入区中注入离子。第一第III族氮化物外延层的露出部分相邻于第二第III族氮化物外延层的剩余部分。该方法还包括形成耦接到第二第III族氮化物外延层的剩余部分的第一金属结构，以及形成耦接到第III族氮化物衬底的第二金属结构。注入区中的电荷密度显著低于第一第III族氮化物外延层中的电荷密度。

根据另一实施方案，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法。该方法包括提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底，以及形成耦接到第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层。第一第III族氮化物外延层的特征在于比第一掺杂剂浓度小的第二掺杂剂浓度。该方法还包括形成耦接到第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外延层，以及向包括第一第III族氮化物外延层的第一部分和第二第III族氮化物外延层的第一部分的注入区中注入离子。该方法还包括形成耦接到第二第III族氮化物外延层的第二部分的第一金属结构，以及形成耦接到第III族氮化物衬底的第二金属结构。

根据又一实施方案，提供了一种第III族氮化物半导体器件。该第III族氮化物半导体器件包括用于支持在第III族氮化物半导体器件的正向偏置操作期间的电流流动的有源区。该有源区包括具有第一导电类型的第一第III族氮化物外延材料和具有第二导电类型的第二第III族氮化物外延材料。第III族氮化物半导体器件还包括物理上相邻于有源区并且包括包含第一第III族氮化物外延材料的一部分的注入区的边缘终端区。第一第III族氮化物外延材料的注入区相对于第一第III族氮化物外延材料的相邻于注入区的部分具有降低的电导率。

通过本发明的方法实现了优于常规技术的许多益处。例如，本发明的实施方案减小了拥挤在垂直功率器件外围的电场，这与常规器件相比可以产生能够在较高的电压下操作的器件。另外，本发明的一些实施方案增加了垂直功率器件外围处的临界电场，导致甚至更高的操作电压。此外，相比现有技术的器件，本发明提供了较简单且较便宜地制造的自对准边缘终端区。

本发明的实施方案所提供的优于常规器件的另一优点是基于GaN基材料的优异的材料特性。本发明的实施方案提供在块体GaN衬底上的同质外延GaN层，其相对于用于功率电子器件的其他材料具有优异的特性。由于ρ＝1/qμN，所以高电子迁移率μ与给定背景掺杂水平N相关联，导致了低电阻率ρ。

相比其他材料的类似器件结构，能够获得具有低电阻的可以支持高压的区域使得本发明的实施方案虽然使用对于GaN器件显著较小的面积，但是能够提供常规器件的电阻特性和电压能力。因为电容C与面积成比例，近似为C＝εA/t，所以较小的器件具有较小的端对端电容。较低的电容导致较快的开关和较小的开关功率损耗。

结合下文以及附图对本发明的这些实施方案和其他实施方案以及本发明的许多优点和特征进行详细描述。

附图说明

图1A和图1B是根据本发明的某些实施方案的分别不具有和具有用于边缘终端的注入区的P-i-N二极管的一部分的简化截面图；

图2至图7是示出了根据本发明的实施方案的用于制造具有用于边缘终端的注入区的P-i-N二极管的过程的简化截面图；

图8是示出了根据本发明的实施方案的制造具有用于边缘终端的边缘注入区的第III族氮化物半导体器件的方法的简化流程图；

图9是示出了本发明的使用场板的实施方案的简化截面图；以及

图10是示出了根据本发明的实施方案的制造具有边缘终端结构和可选场板的第III族氮化物半导体器件的方法的简化流程图。

在附图中，类似的部件和/或特性可以具有相同的附图标记。此外，可以通过附图标记后面跟有划线和区分类似部件的第二标记来区分同一类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则描述适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任意一个部件，而不考虑第二附图标记。

具体实施方式

本发明一般地涉及电子器件。更具体地，本发明涉及一种用于使用第III族氮化物半导体材料提供具有用于提供边缘终端的注入区的P-i-N二极管的技术。仅通过示例的方式，已将本发明应用于用于制造用于高压GaN基器件的P-i-N二极管的方法和系统。该方法和技术可以应用于各种化合物半导体系统，例如：垂直结型场效应晶体管(JFET)、晶闸管、肖特基势垒二极管、PN二极管、双极型晶体管和其他器件。

GaN基电子器件和光电器件正经历快速发展，并且一般有望超越竞争者硅(Si)和碳化硅(SiC)。与GaN及相关合金和异质结构相关联的期望特性包括：用于可见光发射和紫外光发射的高带隙能量；有利的传输特性(例如，高电子迁移率和高饱和速度)；高击穿电场以及高热导率。具体地，对于给定的背景掺杂水平N，电子迁移率μ高于竞争材料。这提供了低电阻率ρ，原因是电阻率与电子迁移率成反比，如公式(1)所示：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{\mathrm{q\μN}}---\left(1\right)$

其中q为元电荷。

由包括块体GaN衬底上的同质外延GaN层的GaN材料所提供的另一优异特性是对于雪崩击穿的高临界电场。高临界电场使得与具有较低临界电场的材料相比能够在更小的长度L上支持更大的电压。电流流经更小的长度与低电阻率导致比其他材料的电阻更低的电阻R，原因是电阻可以通过公式(2)确定：

$R=\frac{\mathrm{\ρL}}{A}---\left(2\right)$

其中A为沟道或电流路径的横截面面积。

一般而言，在器件的关断状态中支持高电压所需的物理尺寸与使电流在器件的导通状态下经过具有低电阻的相同区域之间存在折衷。通过P型半导体区域与和N型半导体区域接触的“本征”半导体区域接触形成P-i-N二极管。“本征”区可以是真本征(即没有有意掺杂P型掺杂剂或N型掺杂剂)，或相比本征区任一侧上的N型区和P型区可以只是非常轻地掺杂有P型掺杂剂或N型掺杂剂。这样的二极管通常也被简单地称为PN二极管。用轻掺杂的漂移区代替本征区以及用PN二极管代替P-i-N二极管正好在本发明的范围内。

如本文中所述，由于在导通状态中少数载流子注入本征区中，所以P-i-N二极管能够超越多数载流子器件的品质因数。因此，对于给定厚度漂移层掺杂水平可以较低，同时仍然在导通状态中得到低电阻。电阻变成取决于载流子注入水平而非取决于通过掺杂提供的载流子。由于掺杂降低并且可以使用较薄的漂移层来维持高击穿，所以提供平坦或在整个漂移区扩展的电场。生长在块体GaN衬底上的GaN层相比生长在不匹配的衬底上的层具有低缺陷密度，并且因此相比非块体GaN可以在本征区中具有大的少数载流子寿命，以增强对于较宽的基极区的载流子注入效果。低缺陷密度也可以产生优异的热导率。然而，尽管有这些优点，但是在高压应用中使用的P-i-N二极管仍然可能遭受由边缘电场拥挤引起的不利影响。边缘终端当被适当地采用时使得半导体器件能够在其主结处均匀地击穿而非在其边缘处不可控地击穿。根据本发明的实施方案，形成边缘终端结构通过在GaN基P-i-N二极管和类似器件的有源区的边缘处产生注入区来缓解边缘电场拥挤。

图1A和图1B是P-i-N二极管100的一部分的简化截面图，其示出了本文中讨论的注入区可以如何提供边缘终端以改进P-i-N二极管以及其他半导体器件的性能。包括这些图用于说明性目的，而非意在示出操作的P-i-N二极管的所有部件。此外，本领域的普通技术人员应当认识到图中所示特征的各种替代方案、变化方案以及修改方案。

图1A示出了在p+外延层20与可以为n-外延层的本征区10之间产生结的第一P-i-N二极管100-1。因为P-i-N二极管100-1没有终端结构，所以其性能降低。具体而言，电场40拥挤在P-i-N二极管100-1的P-i结的边缘30附近(电场的大小由图1A中相邻的等势线之间的间隔表示)，导致在可以远小于P-i-N二极管100-1的平行平面击穿电压的电压下击穿。该现象可能对高压P-i-N二极管和其他半导体器件的操作特别不利。

图1B示出了根据本发明的一个实施方案的可以如何使用注入区50来缓解拥挤在第二P-i-N二极管100-2的边缘30附近的电场。将边缘终端区80设置为物理上相邻于配置成在P-i-N二极管100-2的正向偏置操作期间支持电流流动的有源区90。注入区50可以电绝缘并且具有相对少的电荷或没有电荷(自由空穴、自由电子、电活性离子化给体原子或受体原子)。因为注入区50位于P-i-N二极管100-2的有源区90的边缘30处，因而其推动耗尽区更远地超出P-i-N二极管100-2的边缘30，由此使电势等高线扩展并且减小了电场40。以这种方式，边缘终端区80有助于使P-i-N二极管100-2能够在与其平行平面击穿电压非常接近的击穿电压下操作。此外，注入区50可以进行侧向扩展，使得注入区50的一部分在p+外延层20与本征区10之间的p+外延层20之下延伸，这可以进一步增强边缘终端的有效性，导致对电场40更好的控制并且P-i-N二极管100-2的性能更好。相比本征区10，注入区50内的临界电场(即，产生雪崩击穿时的电场的大小)也可以明显更高，这可以进一步提高P-i-N二极管100-2的击穿电压。

用于形成在由GaN以及相关合金和异质结构形成的结构中的隔离注入区的方法可以与在其他半导体如Si和SiC中使用的方法不同。此外，已很少使用GaN以及相关合金和异质结构来制造由引入本文中所提供的注入区而获益的结构。例如，激光器可以使用由GaN基材料形成的结构，但是因为在这样的结构中没有反向偏置，所以几乎不需要引入边缘终端结构例如本文中所公开的注入区。另一方面，既然可以在GaN以及相关合金和异质结构上形成包括高压P-i-N二极管和其他半导体器件的各种结构，那么本文中提供的注入区可以起到确保该结构不受边缘电场拥挤的负面效果的影响的有价值的作用。

图2至图7是示出了根据本发明的实施方案的用于在具有注入区的GaN中制造P-i-N二极管的工艺的简化截面图。可以应用类似的技术来提供除P-i-N二极管以外的半导体器件的边缘终端。参照图2，在具有同一导电类型的GaN衬底200上形成第一GaN外延层201。GaN衬底200可以是在其上生长有GaN外延层201的拟块体或块体GaN材料。GaN衬底200的掺杂剂浓度(例如，掺杂密度)可以根据期望功能性而变化。例如，GaN衬底200可以具有掺杂剂浓度在1×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁹cm^-3范围内的n+导电类型。虽然GaN衬底200示出为单一材料组分，但是可以设置多层作为衬底的一部分。此外，可以在外延生长过程期间使用粘合层、缓冲层以及其他层(未示出)。本领域的普通技术人员应当认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

第一GaN外延层201的特性也可以根据期望功能性而变化。第一GaN外延层201可以用作P-i-N二极管的基本未掺杂或未有意掺杂的本征区或可以用作PN二极管的漂移区，并且因此可以是相对低掺杂的材料。例如，第一GaN外延层201可以具有掺杂剂浓度在1×10¹⁴cm^-3至1×10¹⁸cm^-3的范围内的n-导电类型。此外，掺杂剂浓度可以是均匀的或者可以例如作为本征区的厚度的函数而变化。

第一GaN外延层201的厚度也可以根据期望功能性而显著变化。如上所述，同质外延生长可以使第一GaN外延层201能够生长成远厚于使用常规方法形成的层。一般而言，例如，在一些实施方案中，厚度可以在0.5μm至100μm的范围内。所产生的P-i-N二极管的平行平面击穿电压可以根据实施方案而变化。一些实施方案提供至少100V、至少300V、至少600V、至少1.2kV、至少1.7kV、至少3.3kV、至少5.5kV、至少13kV或至少20kV的击穿电压。

可以使用不同的掺杂剂来产生本文中所公开的n型和p型GaN外延层和结构。例如，n型掺杂剂可以包括硅、氧、硒、碲或硫等。P型掺杂剂可以包括镁、铍、钙或锌等。

图3示出了形成耦接到第一GaN外延层201的第二GaN外延层301。第二GaN外延层301可以具有与GaN衬底200的导电类型相反的导电类型。例如，如果GaN衬底200由n型GaN材料形成，则第二GaN外延层301将由p型GaN材料形成，反之亦然。第二GaN外延层301可以用于形成例如P-i-N二极管或PN二极管的p型区。

第二GaN外延层301的厚度可以根据用于形成P-i-N二极管的层和期望功能性的工艺而变化。在一些实施方案中，第二GaN外延层301的厚度可以在0.1μm至5μm之间。

第二GaN外延层301可以是在例如约5×10¹⁷cm^-3至约1×10¹⁹cm^-3的范围内的高度掺杂。另外，如其他外延层一样，第二GaN外延层301的掺杂剂浓度可以是均匀的或者作为厚度的函数是非均匀的。在一些实施方案中，掺杂剂浓度随厚度增加，使得掺杂剂浓度在第一GaN外延层201附近相对低，并且随着与第一GaN外延层201的距离的增加而增加。这样的实施方案在可以随后形成金属接触的第二GaN外延层301的顶部处提供较高的掺杂剂浓度。其他实施方案使用高度掺杂的接触层(未示出)以形成接触。

形成第二GaN外延层301和本文中所述的其他层的一个方法可以是通过使用原位蚀刻的再生长工艺和扩散制备工艺。这些制备工艺在2011年8月4日提交的美国专利申请第13/198666号中有更全面的描述，其全部公开内容通过引用并入本文中。

图4示出了形成在GaN衬底200下方的金属结构401。金属结构401可以是用作用于P-i-N二极管的阴极的欧姆接触的一个或更多个金属层。例如，金属结构401可以包括钛-铝(Ti/Al)金属。可以使用包括但不限于铝、镍、金或其组合等的其他金属和/或合金。在一些实施方案中，金属结构401的最外层金属可以包括金、钽、钨、钯、银、锡、铝和其组合等。金属结构401可以使用例如溅射、蒸镀等多种方法中的任意方法来形成。在形成金属结构401之后，可以执行可选的热处理以改进金属的特征和/或改进金属与GaN衬底200之间的接触。例如，可以在300℃至900℃的温度范围内执行快速热退火(RTA)一分钟至十分钟的持续时间。在一些实施方案中，RTA期间的周围环境可以包括氮、氢、氧或这些气体的组合。

图5示出了去除第二GaN外延层301的至少一部分以露出物理上相邻于第二外延层301的剩余部分的一个或更多个表面502。可以通过蚀刻第二GaN外延层301或通过使用一些其他适合的去除工艺来执行去除。例如，可以使用使用蚀刻掩模(未示出，但其宽度为第二外延层301的剩余部分)的可控蚀刻，其被设计成大约在第二GaN外延层301与第一GaN外延层201之间的界面处停止。其他实施方案可以包括在其他深度处停止蚀刻，例如在蚀刻已去除第一GaN外延层201的一部分之后。可以使用电感耦接等离子体(ICP)蚀刻和/或其他常见的GaN蚀刻工艺。

在其他实施方案中，第二GaN外延层301可以通过选择性外延再生长形成。例如，可以在形成第二GaN外延层301之前在表面502上形成抑制GaN的外延生长的掩模材料。当生长第二GaN外延层301时，其不会在掩模材料(例如，二氧化硅或氮化硅)上生长。接着，可以去除掩模材料，而留下图5所示结构。

图6是示出了向第一GaN外延层201的一部分中进行离子注入以形成可以用作边缘终端结构的一个或更多个隔离注入区601的简化截面图。根据期望功能性，隔离注入区601可以形成为具有各种形状和深度以提供对于有源器件的合适边缘终端。例如，对于P-i-N二极管，隔离注入区601可以位于p型半导体层与本征半导体层之间的结的每个边缘处，由此围绕P-i-N二极管的有源区。

可以通过在光致抗蚀剂层、二氧化硅层或其他适合的掩模材料层中形成的掩模开口来执行离子注入。在一个实施方案中，用于露出表面502的同一掩模也可以用于作为离子注入的掩模。在其他实施方案中，耦接到第二GaN外延层301的剩余部分的金属接触层(参见例如图7的金属结构701)可以用作用于离子注入的掩模。如图6中所示，在离子注入工艺中可以产生侧向扩展，这可以导致隔离注入区601的一部分在第一GaN外延层201与第二GaN外延层301的部分之间的、第二GaN外延层301下方侧向扩展。这样的侧向扩展可以提高由隔离注入区601所提供的边缘终端的有效性。

图6中所示的用于形成隔离注入区601的离子注入工艺被设计成显著减少注入区(相对于第一第III族氮化物外延材料的相邻部分)的电荷(自由空穴、自由电子、电活性离子化给体原子或受体原子)和导电性。减少或消除该区域中的自由电荷意味着当二极管反向偏置时，很少有或没有源自第二GaN外延层301的电场线可以在注入区中终止。因此，这些电场线必须在第一GaN外延层201的下面的部分中终止。

如本文中其他方面所述的，可以使用离子注入工艺来改变外延层的导电性以降低相对于未注入状态的导电性。外延层的导电性将部分地取决于外延层中的活性掺杂剂或有效电荷乘以层的厚度(即，在该层中聚集的电荷)。本文中使用的离子注入工艺注入离子物质以增加外延层的预定部分的电阻率(即，降低电导率)，这可以提供电导率的空间变化或调制。在不限制本发明的实施方案的情况下，发明人认为注入工艺通过以下机制中至少之一来降低电导率：补偿掺杂剂、消除掺杂剂、增加空位密度、增加空隙密度、降低外延层中总净电荷、降低离子化受体(对于n型材料为给体)的密度、这些机制中的一些或全部可以提供增加的电阻率。在整个说明书中，提到降低电导率或增加电阻率，这也可以称为有效电荷(activecharge)减少、活性掺杂剂物质减少或电荷密度降低等。由于GaN基材料的稳健的性质(robust nature)，所以离子注入可以产生散置有未改变的外延材料的注入离子，有效地降低了平均意义上的电导率，其中在原生(as-grown)的外延材料的晶格中散置有空隙或空位。本发明不受限于导致空间电导调制的物理机制的限制。

利用本发明的实施方案，可以在注入区中提供显著低于周围外延层中的电荷密度的电荷密度。例如，根据一个实施方案，注入区中的电荷密度减小了至少90％。根据其他实施方案，注入区中的电荷密度减小了至少95％或至少99％。

这导致第一GaN外延层201中的耗尽区(由第二GaN外延层301的剩余部分与第一GaN外延层201之间的结形成)被推动远离第二GaN外延层301的剩余部分的边缘，从而减小了边缘电场拥挤的效应。相比第一GaN外延层201的其他部分，注入区601中的临界电场(即，发生雪崩击穿时电场的大小)也可以明显更高，这可以进一步提高P-i-N二极管的击穿电压。

注入离子物质可以是氩、氮、氦、氢或在掺杂浓度下显著降低所得到的隔离注入区601的电导率的其他适合的物质。可以通过同一掩模开口来执行多次注入，其中以不同能量执行每次注入，使得注入分布更深地垂直延伸，而无需使用高温驱入工艺来扩散掺杂剂。因此，虽然在图6中注入区被示为同质材料，但是这不是本发明所必需的，并且注入剂量可以作为第二GaN外延层厚度的函数而变化以及在层的平面内变化。

在一个实施方案中，注入区601可以包括分别使用约20keV至60keV的第一注入能量、约100keV至200keV的第二注入能量以及约300keV至500keV的第三注入能量来执行三次氮注入。这些氮注入剂量可以在5×10¹²cm^-2至1×10¹⁶cm^-2的范围内。在另一实施方案中，可以使用能量为20keV至100keV并且剂量在1×10¹²cm^-2至5×10¹⁶cm^-2的范围内的单一的氩注入。在离子注入处理之后，可以执行可选的高温退火以活化注入的离子和/或修复可以由离子注入引起的第III族氮化物材料的损伤。

隔离注入区601的物理尺寸可以根据期望功能性而变化。例如，在一些实施方案中，隔离注入区601的深度602可以为0.1μm至1μm或更大。此外，根据一些实施方案，隔离注入区601的宽度603可以为0.5μm至10μm或更大。在又一实施方案中，也可以在离子注入期间对第二GaN外延层301的一个或更多个部分进行注入。

图7示出了形成耦接到第二GaN外延层301的金属结构701。该金属结构701可以提供与P-i-N二极管的阳极欧姆金属接触，并且可以使用一种或更多种金属如钯、铂和镍等来形成。如上所述，在某些实施方案中，金属结构701可以在形成隔离注入区601之前形成，并且可以用作在离子注入过程期间用于形成隔离注入区601的掩模。金属结构701可以由与用来形成金属结构401不同的材料形成。例如，用于第二金属结构701的材料可以被选择为使与p型材料第二外延层301的欧姆接触最优化，而用于金属结构401的材料可以被选择为使与衬底200的欧姆接触最优化。在金属结构701形成之后，可以执行可选的热处理以改进金属的特征和/或改进金属与区域301之间的接触。例如，可以在300℃至900℃的温度范围内执行RTA一分钟至十分钟的持续时间。在一些实施方案中，在RTA期间的周围环境可以包括氮、氢、氧或这些气体组合。

虽然从GaN衬底和GaN外延层方面讨论了本文中提供的一些实施方案，但是本发明不限于这些具体的二元第III-V族材料而是适用于更广类的第III-V族材料、特别是第III族氮化物材料。此外，虽然在图2中示出了GaN衬底200，但是本发明的实施方案不限于GaN衬底。其他第III-V族材料(特别是第III族氮化物材料)包括在本发明的范围内并且不仅可以代替所示出的GaN衬底而且可以代替本文中所述的其他GaN基层和结构。作为实例，二元第III-V族(例如，第III族氮化物)材料、三元第III-V族(例如，第III族氮化物)材料(如InGaN和AlGaN)、四元第III族氮化物材料(如AlInGaN)、这些材料的掺杂形式等包括在本发明的范围内。

从在n型衬底上生长n型漂移层方面讨论了所提供的关于图2至图7中所示的制造过程的一些实施方案。然而，本发明不限于该具体配置。在其他实施方案中，使用具有p型掺杂的衬底。另外，实施方案可以使用具有相反导电类型的材料以提供具有不同功能性的器件。因而，虽然一些实例涉及掺杂有硅的n型GaN外延层的生长，但是在其他实施方案中本文中所描述的技术适用于高度掺杂或轻度掺杂材料、p型材料、掺杂有除硅以外的掺杂剂或与硅不同的掺杂剂例如Mg、Ca、Be、Ge、Se、S、O和Te等的材料。本文中讨论的衬底可以包括单一材料系统或包括多个层的复合结构的多材料系统。本领域的普通技术人员应当认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

另外，虽然对制造P-i-N二极管进行了描述，但是本文中提供的用于形成边缘终端区的技术也可以应用于各种结构包括但不限于PN二极管、肖特基势垒二极管、垂直结型场效应晶体管(JFET)、晶闸管、双极型晶体管以及其他半导体器件。

图8是示出了根据本发明的实施方案的制造具有边缘终端区的第III族氮化物半导体器件的方法的简化流程图。参照图8，提供第III族氮化物衬底(810)。在实施方案中，第III族氮化物为具有n+导电类型的GaN衬底。该方法也包括形成耦接到第III族氮化物衬底的第一第III族氮化物外延层(例如，n型GaN外延层)(820)。在一些实施方案中，例如P-i-N二极管为所形成的半导体器件的那些实施方案中，第III族氮化物衬底和第一第III族氮化物外延层的特征在于第一导电类型，例如n型导电。另外，在一些实施方案中，第III族氮化物衬底的掺杂剂浓度可以比第一第III族氮化物外延层的掺杂剂浓度大。利用同质外延技术，第III族氮化物外延层的厚度可以比利用常规技术可得到的厚度大，例如在约1μm至约100μm之间。

该方法还包括形成耦接到第一第III族氮化物外延层的第二第III族氮化物外延层(830)。如前所示，第二第III族氮化物外延层可以具有与第一第III族氮化物外延层和第III族氮化物衬底相反的导电类型。例如，在第一第III族氮化物外延层为n-GaN外延层的情况下，第二第III族氮化物外延层可以是p型GaN外延层。

该方法还包括去除第二第III族氮化物外延层的一部分以露出第一第III族氮化物外延层的一部分(840)。这使得能够随后在第III族氮化物器件的有源区的边缘附近进行离子注入以提供边缘终端。如前所示，去除处理可以包括各种处理，例如蚀刻。如本领域中的一个普通技术人员所理解的，通过去除处理去除的部分的物理尺寸可以取决于各种因素(例如，随后形成的边缘终端区的尺寸、操作电压等)而变化。

该方法还包括向第一第III族氮化物外延层的物理上相邻于第二第III族氮化物外延层的剩余部分的露出部分的区域中进行离子注入以减少该区域的电荷(850)。该区域中减少的电荷扩展第III族氮化物器件的有源区的边缘附近的耗尽区，以制造减轻可降低第III族氮化物器件的击穿电压的边缘电场拥挤效应的边缘终端区。

将第一金属结构耦接到第二第III族氮化物外延层的剩余部分(860)以形成与第III族氮化物器件的第一电接触。如前所述，一些实施方案可以包括在向第一第III族氮化物外延层的露出部分的区域中进行离子注入之前形成第一金属结构，以在离子注入过程期间使用第一金属结构作为掩模。将第二金属结构耦接到第III族氮化物衬底(870)以形成与第III族氮化物器件的第二电接触。

应理解的是，图8中所示的具体步骤提供了一种制造根据本发明的实施方案的具有用于边缘终端的注入区的第III族氮化物半导体器件的具体方法。也可以根据替代方案来执行其他的步骤次序。例如，本发明的替代方案可以以不同顺序执行以上所列的步骤。此外，图8中所示的单个步骤可以包括对于单个步骤可以以各种适当的次序进行的多个子步骤。此外，可以根据具体应用而添加或去除附加的步骤。本领域的普通技术人员应当认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

图9是示出了在具有用于边缘终端的注入区的GaN中制造P-i-N二极管的另一实施方案的截面图。图9的实施方案的许多特征与关于图2至图7所示的实施方案类似。类似地，图9的实施方案中提供的附加特征可以应用于提供对于除P-i-N二极管之外的半导体器件的边缘终端。

图9的实施方案示出了可以如何通过第二GaN外延层的注入部分来制造隔离注入区901，而不是去除第二GaN外延层301的一部分以提供对第一GaN外延层201的直接的离子注入。隔离注入区901垂直穿透到至少第二GaN外延层301的厚度，并且延伸到第一GaN外延层201中。这样的注入区901可以提供对于P-i-N二极管的有源区906的边缘终端。因为隔离注入区901的深度可以比图2至图7的实施方案中注入区601的深度602大，所以图9的实施方案的隔离注入区901的形成可能需要更多的能量。因为注入蔓延的侧向范围往往随能量增加而增加，所以本实施方案可以具有注入区901和第二GaN外延层301的更多的侧向交叠的优点。隔离注入区901被设计成显著降低第二GaN外延层301(提供对于P-i-N二极管的侧向隔离)和第一GaN外延层201(提供以上参照图6所述的同一击穿电压优势)两者的注入区的电荷(自由空穴、自由电子、电活性离子化给体原子或受体原子)和导电性。

如图9所示，也可以在图9的实施方案中使用场板以提高边缘终端的有效性。场板可以包括耦接到第二GaN外延层301的金属结构903的侧向延伸超出有源区906并且可以接触注入区901和电介质层902两者的部分。金属结构903的组成和形成可以与本文中讨论的其他欧姆金属结构类似。例如，电介质层902可以包括苯并环丁烯(BCB)、旋涂玻璃(SOG)、Si₃N₄、SiO₂等或其组合等。电介质层902的厚度907可根据应用而变化。根据一些实施方案，电介质层902的厚度907在0.1μm至2μm之间。例如，根据一个实施方案，厚度907为0.3μm。

金属结构903可以在接触电介质层902之前在隔离注入区901之上侧向延伸距离904。该距离904可以根据应用而变化，但一般可以为0.5μm至10μm或更大。另外，金属结构903与电介质层902的侧向交叠的距离905可以变化。根据一些实施方案，距离905大于1μm。例如，根据一个实施方案，距离905为5μm。本领域的普通技术人员应当认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

在另一实施方案中，可以省去电介质层902，并且金属结构903可以在注入区901的一部分上延伸。在又一实施方案中，可以用绝缘层例如未有意掺杂的GaN、氮化铝、氮化铝镓等来代替电介质层902。此处，未有意掺杂的GaN可以包含具有净背景或约为1×10¹⁴cm^-3至1×10¹⁵cm^-3的其他掺杂剂水平的GaN。在一个实施方案中，当形成第一GaN外延层201和第二GaN外延层301时，可以原位生长该绝缘层，以为第二GaN外延层301与交叠的绝缘材料之间的优良界面提供非常高质量的材料。可以在形成金属结构903之前覆盖或蚀刻该绝缘材料以露出第二GaN外延层301的有源部分。

图10是示出了制造与图9中所示的实施方案类似的、具有边缘终端区和场板的第III族氮化物半导体器件的方法的简化流程图。如块1010至块1030所示，图10的方法在某些方面与图8的方法类似。然而，图10的方法提供了向包括第二第III族氮化物外延层的第一部分的区域中进行离子注入以减少该区域的电荷(1040)，并且，如果要形成场板，则形成耦接到该区域的电介质层(1050)。另外，可选地，可以通过形成耦接到第二第III族氮化物外延层的第二部分和电介质层的至少一部分的第一金属结构来形成金属接触部和场板(1060)。如图9中所示，第一金属结构也可以耦接到该区域的一部分。另外，如果不形成场板，则第一金属结构可以仅耦接到第二第III族氮化物外延层的第二部分。如上所述，场板与离子注入的边缘终端区结合使用可以增强第III族氮化物半导体器件的边缘终端的有效性。然而，场板的使用是可选的。也可以将第二金属结构耦接到第III族氮化物衬底(1070)以提供与第III族氮化物半导体器件的电接触。

应理解的是，图10所示的特定步骤提供了根据本发明的实施方案的制造具有用于边缘终端的注入区和可选场板的具体方法。根据替代方案，也可以执行其他步骤次序。例如，本发明的替代方案可以以不同次序执行以上所列的步骤。此外，图10所示的个别步骤可以包括对于单个步骤可以以各种适当的次序进行的多个子步骤。此外，可以根据具体应用添加或去除附加的步骤。本领域的普通技术人员应当认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

也应该理解，本文中所述的实施例和实施方案仅为说明性目的并且本领域的技术人员可提出根据实施例和实施方案的各种修改或改变并且所述各种修改和改变包括在该申请的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。

Claims (23)

1.一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法，所述方法包括：

提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底；

形成耦接到所述第III族氮化物衬底的所述第一导电类型的第一第III族氮化物外延层，其中所述第一第III族氮化物外延层的特征在于比所述第一掺杂剂浓度小的第二掺杂剂浓度；

形成耦接到所述第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外延层；

去除所述第二第III族氮化物外延层的一部分以露出所述第一第III族氮化物外延层的一部分；

向所述第一第III族氮化物外延层的露出部分的注入区中注入离子，所述第一第III族氮化物外延层的所述露出部分相邻于所述第二第III族氮化物外延层的剩余部分；

形成耦接到所述第二第III族氮化物外延层的所述剩余部分的第一金属结构；以及

形成耦接到所述第III族氮化物衬底的第二金属结构，

其中所述注入区中的电荷密度显著低于所述第一第III族氮化物外延层中的电荷密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层包含n型GaN外延材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入区的深度在0.1_μm至1μm之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入区的宽度为0.5μm或更大。

5.根据权利要求1所述的方法，其中向所述注入区中注入离子包括在注入期间使用所述第一金属结构作为掩模。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

使用掩模以去除所述第二第III族氮化物外延层的所述一部分；以及

在向所述注入区中注入离子期间也使用所述掩模。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第III族氮化物半导体器件的特征在于600V或更大的击穿电压。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层的厚度在1μm至100μm之间。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括形成耦接到所述注入区的电介质层，其中所述第一金属结构还耦接到所述电介质层的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属结构还耦接到所述注入区的一部分。

11.一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法，所述方法包括：

提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底；

形成耦接到所述第III族氮化物衬底的所述第一导电类型的第一第III族氮化物外延层，其中所述第一第III族氮化物外延层的特征在于比所述第一掺杂剂浓度小的第二掺杂剂浓度；

形成耦接到所述第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外延层；

向包括所述第一第III族氮化物外延层的第一部分和所述第二第III族氮化物外延层的第一部分的注入区中注入离子；

形成耦接到所述第二第III族氮化物外延层的第二部分的第一金属结构；以及

形成耦接到所述第III族氮化物衬底的第二金属结构。

12.根据权利要求11所述的方法，其中向所述注入区中注入离子降低所述注入区的电导率或者减少所述注入区的有效电荷。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

形成耦接到所述注入区的绝缘层，

其中所述第一金属结构还耦接到所述绝缘层的至少一部分。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一金属结构还耦接到所述注入区的一部分。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述绝缘层的厚度在0.1μm至2μm之间。

16.根据权利要求15所述的方法，其中形成绝缘层包括对GaN层、氮化铝层或氮化铝镓层进行外延生长。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述GaN层具有在约1×10¹⁴cm^-3至约1×10¹⁵cm^-3范围内的净掺杂水平。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第III族氮化物半导体器件的击穿电压为至少600V。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层的厚度在1μm至100μm之间。

20.一种第III族氮化物半导体器件，包括：

用于支持在所述第III族氮化物半导体器件的正向偏置操作期间的电流流动的有源区，所述有源区包括：

具有第一导电类型的第一第III族氮化物外延材料；和

具有第二导电类型的第二第III族氮化物外延材料；以及

边缘终端区，所述边缘终端区物理上相邻于所述有源区并且包括包含所述第一第III族氮化物外延材料的一部分的注入区，其中所述第一第III族氮化物外延材料的所述注入区相对于所述第一第III族氮化物外延材料的相邻于所述注入区的部分具有降低的电导率。

21.根据权利要求20所述的第III族氮化物半导体器件，其中所述注入区还包含所述第二第III族氮化物外延材料的一部分。

22.根据权利要求21所述的第III族氮化物半导体器件，其中所述边缘终端区还包括：

耦接到所述注入区的电介质层；以及

金属结构，所述金属结构耦接到所述电介质层使得所述电介质层的至少一部分设置在所述金属结构与所述注入区之间。

23.根据权利要求20所述的第III族氮化物半导体器件，其中所述第III族氮化物半导体器件包括P-i-N二极管。