CN104332504A - 一种GaN基异质结肖特基二极管器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基异质结肖特基二极管器件及其制备方法。该器件包括衬底及生长在衬底之上的外延层，其中，外延层由下往上包括应力缓冲层、GaN层以及异质结构势垒层。在外延层阳极区域刻蚀形成凹槽，凹槽与异质结构势垒层的部分表面蒸镀低功函数金属层，低功函数金属层上方以及异质结构势垒层平面区域蒸镀高功函数金属层。高低功函数金属层构成混合阳极。阴极区域处蒸镀欧姆金属形成阴极。外延层整体覆盖钝化绝缘层，刻蚀绝缘层开出电极窗口。本发明实现混合阳极金属与阳极凹槽技术的结合，正向偏压下电流通过阳极凹槽侧壁提前开启，反向偏压下通过异质结构势垒层表面的高功函数金属层截止反向漏电流，实现了正反向电流通道的分离，可达到低开启电压，低反向漏电流的GaN基异质结肖特基二极管器件的技术目标。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种GaN基异质结肖特基二极管器件及其制作方法。
背景技术
以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料具有宽禁带、高击电场强度、高饱和电子漂移速度、高热导率、异质界面二维电子气浓度高等优良的材料性能特点，相比于Si材料，GaN器件更加适合制作大功率共容量、高开关速度的电力电子器件。与传统Si器件相比，GaN器件能承载更高的功率密度，具有更高的能量转换效率，可以使整个系统的体积和重量减少，从而降低系统成本。而由于其电学性能上的优越性，GaN基半导体材料被广泛应用于电力电子器件领域，尤其应用在肖特基二极管上拥有巨大的优势。
二极管虽然结构最为简单，但是由于其稳定性与可靠性，以及功能的多样性而成为应用最为广泛的GaN基电力电子器件。AlGaN/GaN异质结肖特基二极管(SBD)通过其异质界面存在的高浓度二维电子气(2DEG)形成导电沟道，相比体材料GaN基SBD，其有更低的导通电阻和更大的输出功率，器件工作能耗很低，适用于大功率SBD的制作。相对传统结型二极管而言，肖特基二极管具有较大的优势。一方面，作为多数载流子器件，肖特基二极管在开关过程中不存在传统结型二极管的少数载流子存储效应，可以达到更快的开关速度。另一方面，相对结型二极管而言，肖特基二极管正向压降较小， 开关功耗远远小于传统结型二极管。总体而言，肖特基二极管在中低电压范围内非常适合应用于开关和整流器件领域。
但是，对目前AlGaN/GaN异质结SBD器件而言，仍存在一系列需要解决的技术问题。如何降低开启电压，同时不影响器件反向漏电流，是大功率开关应用的关键突破点。较低的开启电压使得SBD作为整流或开关器件时，可以在更低的电压下开启，降低开关过程的损耗，同时有效提高器件的正向电流。
常用降低SBD开启电压的方式是通过降低肖特基接触的势垒来实现，一般选用较低功函数的金属材料作为肖特基接触的材料。这样做虽然可以有效降低SBD的开启电压，但是由于肖特基势垒降低，反向电压下SBD对电流的截止作用下降，反向电流增大，这导致器件在反向下无法关断，反向能耗增大，对器件的安全性造成很大的威胁。所以，降低开启电压和降低反向漏电流是两个相互矛盾的因素。一个高性能的SBD需要在不增加反向漏电流的前提下，有效降低器件的开启电压。
针对AlGaN/GaN基肖特基二极管降低开启电压和降低反向漏电流，国内外科研人员已经展开了一些研究。在最新的研究成果中，Furukawa公司的S.Yoshida等人提出了一种高低功函数金属层混合电极的场效应肖特基二极管(FESBD)，实现了开启电压低于0.1V，反向击穿电压高于400V的器件特性。韩国首尔大学的Min-Woo Ha等人也提出了一种凹槽结构异质结SBD来降低器件的开启电压，把开启电压降低到了0.73V。香港科技大学Wanjun Chen等人设计了一种横向场效应整流器(L-FER)，阳极采用欧姆接触与肖特基接触的组合，并且通过肖特基接触下方F离子注入的方式，将开启电压降低到 0.63V，同时击穿电压保持在390V。虽然上述方法针对AlGaN/GaN基肖特基二极管降低了开启电压同时不影响反向漏电流，但是由于操作过程复杂且工艺技术单一，对开启电压的调制还有下降的空间，亟待进一步技术手段的改善。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种GaN基异质结肖特基二极管器件及其制作方法。
本发明采用高低功函数混合阳极的低开启电压，低反向漏电流的特性，并且结合阳极凹槽结构，进一步降低肖特基二极管的开启电压，工艺简单，重复性好，提高了器件的稳定性与可靠性。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案为：提供一种GaN基异质结肖特基二极管器件，该器件包括衬底及生长在衬底之上的外延层，其中，外延层由下往上包括应力缓冲层、GaN层以及异质结构势垒层。在外延层阳极区域刻蚀形成凹槽，凹槽与异质结构势垒层的部分表面覆盖蒸镀低功函数金属层，低功函数金属层上方以及异质结构势垒层平面区域蒸镀高功函数金属层，高低功函数金属层两者构成混合阳极。阴极区域处蒸镀欧姆金属层形成与异质结构势垒层接触的阴极，外延层整体覆盖钝化绝缘层，刻蚀绝缘层开出电极窗口。
异质结构势垒层为AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，该异质结构势垒层为非掺杂层或n型掺杂层；GaN层为高阻GaN层。
欧姆接触金属层为Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合 金。
阳极干法刻蚀凹槽深度在1nm～1μm之间。
低功函数金属层包括但不限于Ti/Au合金或Al/Au合金，其他具备低功函数的各种金属或合金；
高功函数金属层包括但不限于Ni/Au合金或Pt/Au合金或Pd/Au合金，其他具备高功函数的各种金属或合金；
绝缘层钝化层为SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、MgO、Sc2O3、Ga2O3、AlHFOx、HFSiON中的一种或任意几种组合。
绝缘钝化层厚度可以控制在1nm～1μm。
同时，本发明提供一种GaN基异质结肖特基二极管器件的制备方法，包括以下步骤：
A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、GaN层和异质结构势垒层；
B、采用光刻技术，干法刻蚀外延层完成器件隔离；
C、利用干法刻蚀在阳极区域刻蚀出凹槽，显露出由凹槽表面和异质势垒层表面构成的阳极区域表面；
D、利用光刻技术，在阴极区域蒸镀上阴极欧姆接触金属层；
E、在凹槽表面和异质势垒层表面构成的区域表面上蒸镀低功函数肖特基金属层；
F、利用光刻技术，在低功函数肖特基接触金属表面和异质结构势垒层表面蒸镀高功函数肖特基金属层；
G、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积，在接 触界面沉积上绝缘物质，作为钝化层绝缘层；
H、采用光刻技术，湿法腐蚀或者干法刻蚀去除阳极、阴极电极接触区域的绝缘层物质。
本发明还提供另外一种GaN基异质结肖特基二极管器件的制备方法，包括以下步骤：A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、GaN层和异质结构势垒层；
B、采用光刻技术，干法刻蚀外延层完成器件隔离；
C、利用干法刻蚀在设于外延层上的阳极区域刻蚀出凹槽，凹槽由异质结构势垒层刻蚀至GaN层内，显露出由凹槽表面和异质势垒层表面构成的阳极区域表面；
D、利用蒸镀工艺，在阴极区域蒸镀上阴极欧姆接触金属层；
E、在凹槽和异质势垒层表面构成的区域表面上蒸镀低功函数金属层；
F、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积，在接触界面沉积上绝缘物质，作为绝缘层；
G、利用蒸镀工艺，在低功函数金属层、异质结构势垒层表面以及钝化绝缘层表面蒸镀高功函数金属层，形成场板结构；
H、采用光刻技术，湿法腐蚀或者干法刻蚀去除阳极、阴极电极接触区域的绝缘物质。
本发明还提供一种GaN基异质结肖特基二极管器件的制备方法，包括以下步骤：
A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、GaN层和异质结构势垒层；
B、采用光刻技术，干法刻蚀外延层完成器件隔离；
C、利用干法刻蚀在设于外延层上的阳极区域刻蚀出凹槽，凹槽由异质结构势垒层刻蚀至GaN层内，显露出由凹槽表面和异质势垒层表面构成的阳极区域表面；
D、利用蒸镀工艺，在阴极区域蒸镀上阴极欧姆接触金属层；
E、在凹槽和异质势垒层表面构成的区域表面上蒸镀低功函数肖特基金属层；
F、利用蒸镀工艺，在低功函数金属表面、异质结构势垒层表面以及阳极与阴极之间的异质结构势垒层表面蒸镀高功函数金属层，形成浮空金属环结构；
G、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积，在接触界面沉积上绝缘物质，作为绝缘层；
H、采用光刻技术，湿法腐蚀或者干法刻蚀去除阳极、阴极电极接触区域的绝缘物质。
本发明实现混合阳极金属与阳极凹槽技术的结合，正向偏压下电流通过阳极凹槽侧壁提前开启，反向偏压下通过异质结构势垒层表面的高功函数金属截止反向漏电流，实现了正反向电流通道的分离，可达到低开启电压，低反向漏电流的GaN基异质结肖特基二极管器件的技术目标。
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种新型GaN基异质结肖特基二极管器件结构，在阳极采用混合功函数阳极结构，使器件获得更低的开启电压以及更低的反向漏电流；同时本发明采用了选择区域干法刻蚀方法，使阳极金属直接与高浓度，高迁移率的2DEG沟道接触，降低有效阳极漏电面积， 并且进一步降低了开启电压，提高了器件性能。
本发明提出基于AlGaN/GaN异质结构的阳极凹槽和混合功函数阳极电极的肖特基势垒二极管可以实现低开启电压，低反向漏电流，大导通电流等特性。这种结构实现了SBD正反向电流的分离：在正向偏压下，阳极金属覆盖阳极凹槽侧壁，二维电子气与金属直接接触增加电子隧穿几率，阳极侧壁导电通路的提前开启。而采用低功函数金属接触进一步降低肖特基接触势垒，使得开启电压进一步降低。而在反向偏压下，采用平面结构上的高功函数金属可以对AlGaN/GaN异质界面的二维电子气起到耗尽作用，从而截断导电通道降低反向漏电流。而阳极凹槽结构也进一步降低阳极的有效漏电区域，进一步抑制反向漏电流。
附图说明
图1为本发明实施例1的GaN基异质结肖特基二极管器件结构示意图；
图2为本发明实施例2的GaN基异质结肖特基二极管器件的结构示意图；
图3为本发明实施例3的GaN基异质结肖特基二极管器件结构示意图；
图4A-F为本发明实施例1的GaN基异质结肖特基二极管器件及其制备方法的工艺示意图；
具体实施方式
以下结合附图具体对本发明器件的详细结构和方法过程做进一步的描述。
实施例1
本实施例如图1给出了一种具备低开启电压的GaN基肖特基二极管器件，其包括：衬底1及在衬底1上通过MOCVD或者MBE生长的应力缓冲层2及GaN层3和异质结构势垒层4。阴极区域处蒸镀欧姆接触金属层形成欧姆 接触层5。GaN层3和异质结构势垒层4阳极区域形成凹槽11，凹槽11和异质结构势垒层4的表面通过蒸镀低功函数金属层5，低功函数金属层5表面与异质结构势垒层层4表面蒸镀高功函数金属层6，通过PECVD生长钝化绝缘层7，腐蚀绝缘层开出电极窗口。
上述GaN基异质结肖特基二极管器件的制作方法如图4A-F所示，包括以下步骤：
①利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)，在Si衬底或者SiC衬底或者蓝宝石衬底1上依次生长应力缓冲层2、高阻GaN层3以及异质结构势垒层4；如图4A所示；
②刻蚀完成器件隔离后，采用干法刻蚀在GaN层3与异质结构势垒层4表面阳极区域刻蚀出凹槽11，显露出由凹槽表面与异质结构势垒层表面构成的接触表面；如图4B所示；
③采用光刻技术，在阴极区域欧姆接触区域处开出窗口，再蒸镀欧姆接触金属层5；如图4C所示；
④采用光刻技术，在凹槽11与异质结势垒层4表面蒸镀低功函数金属层6；如图4D所示；
⑤在低功函数金属层6与异质结势垒层4表面蒸镀高功函数金属层7；如图4E所示；
⑥通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)或磁控溅射，均匀生长一层绝缘层8；
⑦通过光刻技术，利用湿法腐蚀法刻蚀电极区域，开出电极窗口。至此，即完成了整个器件的制备过程。图4F即为实施例1的器件结构图。
实施例2
本实施例如图2给出了一种具备低开启电压的GaN基肖特基二极管器件的第二种结构，它与实施例1的器件结构大致相同，不同之处在于，蒸镀低功函数金属层6后，先沉积钝化绝缘层8，再蒸镀高功函数金属层7，高功函数金属7覆盖低功函数金属层6、异质结构势垒层表面以及钝化绝缘层8表面，高功函数金属7搭在钝化绝缘层8表面，形成场板结构9。场板结构能有效调制阳极边缘的尖峰电场，提高器件的耐压特性。
实施例3
本实施例如图3给出了一种具备低开启电压的GaN基肖特基二极管器件的第二种结构，它与实施例1的器件结构大致相同，不同之处在于，蒸镀低功函数金属层6后，在低功函数金属层6表面、异质结构势垒层表面蒸镀高功函数金属层7，同时阳极与阴极之间的异质结构势垒层表面蒸镀与高功函数金属层7相同的金属，形成浮空金属环结构10。浮空金属环结构能有效调制电极间电场的分布，提高器件的耐压特性。
Claims (10)
1.一种GaN基异质结肖特基二极管器件，器件包括衬底及生长在衬底之上的外延层，其中，外延层由下往上包括应力缓冲层、GaN层以及异质结构势垒层；其特征在于，设于外延层上的阳极区域刻蚀形成凹槽，凹槽由异质结构势垒层刻蚀至GaN层内，凹槽与异质结构势垒层的部分表面覆盖蒸镀低功函数金属层，低功函数金属层上方以及异质结构势垒层的部分平面区域蒸镀高功函数金属层；高、低功函数金属层两者构成混合阳极；设于外延层上的阴极区域处蒸镀欧姆金属形成与异质结构势垒层接触的阴极，余下露出表面的外延层整体覆盖绝缘层。
2.根据权利要求1所述的GaN基异质结肖特基二极管器件，其特征在于，所述异质结构势垒层材料包括以下的一种或多种的组合：AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN，所述异质结构势垒层为非掺杂层或n型掺杂层；GaN层为高阻GaN层。
3.根据权利要求1所述的GaN基异质结肖特基二极管器件，其特征在于，所述欧姆接触金属层为Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金。
4.根据权利要求1至3任一项所述的GaN基异质结肖特基二极管器件，其特征在于，所述刻蚀凹槽深度在1nm～1μm之间。
5.根据权利要求1所述的GaN基异质结肖特基二极管器件，其特征在于，所述低功函数金属层包括Ti/Au合金或Al/Au合金；所述高功函数金属层包括Ni/Au合金或Pt/Au合金或Pd/Au合金。
6.根据权利要求1所述的GaN基异质结肖特基二极管器件，其特征在于，绝缘层材料包括以下的一种或多种的组合：SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、MgO、Sc2O3、Ga2O3、AlHFOx、HFSiON。
7.根据权利要求1所述的GaN基异质结肖特基二极管器件，其特征在于，绝缘层的厚度在1nm～1μm之间。
8.一种GaN基异质结肖特基二极管器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、GaN层和异质结构势垒层；
B、采用光刻技术，干法刻蚀外延层完成器件隔离；
C、利用干法刻蚀在设于外延层上的阳极区域刻蚀出凹槽，凹槽由异质结构势垒层刻蚀至GaN层内，显露出由凹槽表面和异质势垒层表面构成的阳极区域表面；
D、采用蒸镀工艺，在阴极区域蒸镀上阴极欧姆接触金属层；
E、在凹槽和异质势垒层表面构成的区域表面上蒸镀低功函数肖特基金属层；
F、采用蒸镀工艺，在低功函数肖特基金属层表面和异质结构势垒层表面蒸镀高功函数肖特基金属层；
G、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积，在接触界面沉积上绝缘物质，作为绝缘层；
H、采用光刻技术，湿法腐蚀或者干法刻蚀去除阳极、阴极电极接触区域的绝缘物质。
9.一种GaN基异质结肖特基二极管器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、GaN层和异质结构势垒层；
B、采用光刻技术，干法刻蚀外延层完成器件隔离；
C、利用干法刻蚀在设于外延层上的阳极区域刻蚀出凹槽，凹槽由异质结构势垒层刻蚀至GaN层内，显露出由凹槽表面和异质势垒层表面构成的阳极区域表面；
D、利用蒸镀工艺，在阴极区域蒸镀上阴极欧姆接触金属层；
E、在凹槽和异质势垒层表面构成的区域表面上蒸镀低功函数肖特基金属层；
F、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积，在接触界面沉积上绝缘物质，作为绝缘层；
G、利用蒸镀工艺，在低功函数金属层、异质结构势垒层表面以及钝化绝缘层表面蒸镀高功函数肖特基金属层，形成场板结构；
H、采用光刻技术，湿法腐蚀或者干法刻蚀去除阳极、阴极电极接触区域的绝缘物质。
10.一种GaN基异质结肖特基二极管器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、GaN层和异质结构势垒层；
B、采用光刻技术，干法刻蚀外延层完成器件隔离；
C、利用干法刻蚀在设于外延层上的阳极区域刻蚀出凹槽，凹槽由异质结构势垒层刻蚀至GaN层内，显露出由凹槽表面和异质势垒层表面构成的阳极区域表面；
D、利用蒸镀工艺，在阴极区域蒸镀上阴极欧姆接触金属层；
E、在凹槽和异质势垒层表面构成的区域表面上蒸镀低功函数肖特基金属层；
F、利用蒸镀工艺，在低功函数金属表面、异质结构势垒层表面以及阳极与阴极之间的异质结构势垒层表面蒸镀高功函数金属层，形成浮空金属环结构；
G、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积，在接触界面沉积上绝缘物质，作为绝缘层；
H、采用光刻技术，湿法腐蚀或者干法刻蚀去除阳极、阴极电极接触区域的绝缘物质。
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