CN108198865B - 一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种垂直结构的GaN功率二极管器件制作方法，其中包括：步骤一、提供衬底，提供在衬底上的外延层，并在外延层上生长反型掺杂外延层；步骤二、图形化刻蚀反型掺杂外延层，形成凹槽；步骤三、在器件表面再生长外延层，并填充凹槽；步骤四、在器件表面淀积第一阳极金属层，在反型掺杂外延层区域图形化第一阳极金属，制作欧姆合金；步骤五、在器件正表面淀积第二阳极金属层，并在器件背面制作阴极。本发明还提供一种垂直结构的GaN功率二极管器件。本发明能够GaN基功率二极管在更高电流和功率环境下的性能。

Description

一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法。

背景技术

现代科技对半导体功率器件的体积，可靠性，耐压，功耗等方面不断提出更高的要求。随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制作成本的限制，主流硅基材料与CMOS技术正发展到10纳米工艺节点而很难继续提升。氮化镓具有较宽的禁带宽度，高热导率、强原子键、化学稳定性好、工作温度高、击穿电压高、抗辐照能力强等性质，适用于光电子、高温大功率器件和高频微波器件等应用。所以氮化镓被认为是新一代集成电路半导体材料，具有广阔的应用前景。

半导体功率二极管的几何结构包括两类：横向结构和垂直结构。以蓝宝石为生长衬底的横向结构的大功率氮化镓基二极管具备大尺寸、低成本以及良好的CMOS工艺兼容性等优点，但是较难获得很高的输出电流，散热效率低，电流拥塞，电流密度低，生产成本高，并且不可避免会受到由表面态导致的高压电流坍塌等难题的困扰。

在现有技术中，为解决横向结构的大功率氮化镓基半导体二极管的散热问题，倒装焊技术被提出，但是，倒装焊技术工艺复杂，生产成本高。另外，传统垂直结构的氮化镓基二极管的衬底成本极高，并且对衬底剥离技术要求极高，不易实现。

因此，亟需设计一种新型垂直结构的氮化镓基功率二极管及其制作方法，从而解决横向结构大功率氮化镓基半导体二极管输出电流小、电流坍塌等问题，有效应用于高压大功率电子应用领域。

发明内容

本发明提供的垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法，能够针对现有技术的不足，有效提高氮化镓基半导体二极管器件的输出电流，解决电流坍塌问题，提高氮化镓基半导体二极管器件的性能。

第一方面，本发明提供一种垂直结构的GaN功率二极管器件制作方法，其中包括：

步骤一、提供衬底，提供在所述衬底上的外延层，并在所述外延层上生长反型掺杂外延层；

步骤二、图形化刻蚀所述反型掺杂外延层，形成凹槽；

步骤三、在所述器件表面再生长所述外延层，并填充所述凹槽；

步骤四、在所述器件表面淀积第一阳极层，在所述反型掺杂外延层区域图形化所述第一阳极，制作欧姆合金；

步骤五、在所述器件正表面淀积第二阳极金属层，并在所述器件背面制作阴极。

可选的，上述衬底为N型重掺杂，所述外延层为N型轻掺杂，所述反型掺杂外延层为P型掺杂。

可选的，上述反型外延层通过外延生长方法制备，而非通过注入方法制备。

可选的，上述反型外延层通过MOCVD、MBE或HVPE方法制备。

可选的，上述步骤二中，所述反型掺杂外延层的图形区域被完全刻蚀或过刻蚀。

可选的，上述步骤二中，所述反型掺杂外延层的图形区域的过刻蚀范围为从所述反型掺杂外延层与所述外延层的界面到所述外延层到所述衬底的界面。

可选的，上述步骤四中，所述第一阳极层通过MOCVD、MBE或HVPE方法制备。

可选的，上述步骤四中，所述第一阳极层的材料为三元合金层材料AlGaN、AlInN或InGaN，或者四元合金层材料AlInGaN。

可选的，上述步骤四中，所述第一阳极层通过开孔、或通过高掺杂层、或通过刻蚀接触与所述反型掺杂外延层接触，并通过高温合金形成欧姆接触。

另一方面，本发明提供一种根据上述的方法制备的二极管器件，其中包括：

衬底，所述衬底上的外延层；

所述外延层上的反型掺杂外延层，所述反型掺杂外延层具有凹槽，所述凹槽中填充再生长的所述外延层；

所述反型掺杂外延层上的第一阳极层；

位于所述器件正表面并与所述第一阳极层和所述外延层接触的第二阳极金属层；

位于所述器件背面的阴极。

本发明提供的垂直结构GaN功率二极管器件及制作方法，能够降低常规垂直结构氮化镓基功率二极管中制备P^--GaN层的工艺难度，提高器件的输出电流和反向阻断电压，改善GaN基功率二极管在更高电流和功率环境下的性能。

附图说明

图1为本发明一实施例的垂直结构氮化镓功率二极管器件整体结构示意图；

图2a-2d为本发明一实施例的垂直结构的氮化镓功率二极管器件的前期制作工艺结构示意图；

图3为本发明一实施例的垂直结构GaN功率二极管器件结构的制作方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一方面，本发明提供一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法。

图1示出了本发明一个实施例的垂直结构的氮化镓功率二极管器件整体结构示意图。如图所示，100为重掺杂的N⁺-GaN衬底，具体的，在氮化镓半导体材料中大量加入例如磷、砷或锑等V族杂质形成N⁺衬底，特别的，可以通过热扩散或离子注入形成重掺杂的N⁺-GaN衬底。101为轻掺杂的N^--GaN外延层/漂移区，具体的，在氮化镓半导体材料中少量加入例如磷、砷或锑等V族杂质形成N^--GaN外延层/漂移区，特别的，可以通过热扩散或离子注入形成N^--GaN外延层/漂移区。103为位于轻掺杂的N^--GaN外延层/漂移区101上生长的P-GaN外延层，优选的，P-GaN可以通过MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)、HVPE(Hydride VaporPhase Epitaxy，氢化物气相外延)等外延生长方法制备而成，而不使用离子注入方式形成。102所在区域为贯通P-GaN掺杂区103直到N^--GaN外延层/漂移区101一定深度的图形化凹槽，在凹槽中，填充重新生长的N^--GaN层102，优选的，重新生长N^--GaN层102的方法包括但不限于MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy等外延生长方法。104为P-GaN掺杂区103上的第一阳极层。优选的，上述第一阳极层104的材料包括但不限于AlGaN，AlInN或InGaN等三元合金层材料或AlInGaN四元合金层材料，用于与GaN共同形成异质结构。优选的，第一阳极层104的厚度可以介于0.5-5nm之间。具体的，第一阳极层104可以通过MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)、HVPE(Hydride Vapor PhaseEpitaxy，氢化物气相外延)等外延生长方法制备而成。107为器件的第二阳极金属，具体的，器件的第二阳极金属包括但不限于Ni、Ti、Al等金属材料，具体的，所述阳极金属可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、溅射、原子层沉积(ALD)等工艺进行淀积。108为二极管器件的阴极。

图2a-2d示出了本发明一实施例的垂直结构的氮化镓功率二极管器件的前期制作工艺结构示意图。

如图2a所示，提供重掺杂的N⁺-GaN衬底100、轻掺杂的N^--GaN外延层/漂移区101、P-GaN外延层103。具体的，在氮化镓半导体材料中大量加入例如磷、砷或锑等V族杂质形成N⁺衬底，特别的，可以通过热扩散或离子注入形成重掺杂的N⁺-GaN衬底100。具体的，在氮化镓半导体材料中少量加入例如磷、砷或锑等V族杂质形成N^--GaN外延层/漂移区，特别的，可以通过热扩散或离子注入形成N^--GaN外延层/漂移区。优选的，P-GaN外延层103可以通过MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)等外延生长方法制备而成，而不使用离子注入方式形成。

如图2b所示，在所述器件上通过栅槽刻蚀技术刻蚀凹槽。具体的，在P-GaN外延层103表面进行图形化并进行刻蚀，具体的，可以使用干法刻蚀图形化部分。优选的，P-GaN外延层103被完全刻蚀。可选地，P-GaN外延层103被过刻，过刻的范围刻蚀是从P-GaN外延层103与N^--GaN外延层/漂移区101的界面至N^--GaN外延层/漂移区101与N⁺-GaN衬底100的界面。

如图2c所示，在上述凹槽中重新生长的N^--GaN层102。优选的，重新生长N^--GaN层102的方法包括但不限于MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)、HVPE(Hydride VaporPhase Epitaxy等外延生长方法，而不使用例如离子注入的方法。

如图2d所示，在器件表面淀积第一阳极层104，P-GaN外延层103区域之上对所述重新生长的N^--GaN层102进行图形化刻蚀，并制作欧姆合金，形成结构。具体的，可以使用干法刻蚀对重新生长的N^--GaN层102进行图形化刻蚀。优选的，上述第一阳极层104的材料包括但不限于AlGaN，AlInN或InGaN等三元合金层材料或AlInGaN四元合金层材料，用于与GaN共同形成异质结构。具体的，第一阳极层104可以通过MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)等外延生长方法制备而成。

进一步的，第一阳极层104可以与P-GaN外延层103通过开孔相连，通过高温合金后形成良好的欧姆接触；可选的，第一阳极层104与P-GaN外延层103通过注入Si，Ge，Se形成高掺杂层相连，通过高温合金后形成良好的欧姆接触；可选的，第一阳极层104与P-GaN外延层103通过刻蚀使金属层与P-GaN外延层直接接触，通过高温合金后形成良好的欧姆接触。

最后，在器件表面淀积第二阳极金属层107，在器件底部制作阴极，形成垂直结构的GaN功率二极管器件结构。

另一方面，本发明的另一实施例还提供一种垂直结构GaN功率二极管器件结构的制作方法。如图3所示，S31表示提供N⁺-GaN衬底和N^--GaN外延层，并生长P-GaN外延层；S32表示刻蚀所述P-GaN外延层形成凹槽；S33表示在所述器件表面再生长N^--GaN外延层；S34表示在器件表面淀积第一阳极层，并在所述P-GaN外延层区域图形化第一阳极，制作欧姆合金；S35表示在器件表面淀积第二阳极金属层，并在器件底部制作阴极。

本发明提供的垂直结构GaN功率二极管器件及制作方法，能够降低常规垂直结构氮化镓基功率二极管中制备P^--GaN层的工艺难度，降低器件的正向输出电流和反向阻断电压，改善GaN基功率二极管在更高电流和功率环境下的性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种垂直结构的GaN功率二极管器件制作方法，其特征在于，包括：

步骤一、提供衬底，提供在所述衬底上的外延层，并在所述外延层上生长反型掺杂外延层；

步骤二、图形化刻蚀所述反型掺杂外延层，形成凹槽；

步骤三、在所述器件表面再生长所述外延层，并填充所述凹槽；

步骤四、在所述器件表面淀积第一阳极层，在所述反型掺杂外延层区域图形化所述第一阳极层，制作欧姆合金；

步骤五、在所述器件正表面淀积第二阳极金属层，并在所述器件背面制作阴极；

所述第一阳极层的材料为三元合金层材料AlGaN、AlInN或InGaN，或者四元合金层材料AlInGaN；

所述在所述反型掺杂外延层区域图形化所述第一阳极层，制作欧姆合金，包括：将第一阳极层与所述反型掺杂外延层通过注入Si，Ge，Se形成高掺杂层相连，通过高温合金后形成欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为N型重掺杂，所述外延层为N型轻掺杂，所述反型掺杂外延层为P型掺杂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反型外延层通过外延生长方法制备，而非通过注入方法制备。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反型外延层通过MOCVD、MBE或HVPE方法制备。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，所述反型掺杂外延层的图形区域被完全刻蚀或过刻蚀。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，所述反型掺杂外延层的图形区域的过刻蚀范围为从所述反型掺杂外延层与所述外延层的界面到所述外延层到所述衬底的界面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述第一阳极层通过MOCVD、MBE或HVPE方法制备。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述第一阳极层通过开孔、或通过高掺杂层、或通过刻蚀接触与所述反型掺杂外延层接触，并通过高温合金形成欧姆接触。

9.一种根据权利要求1所述的方法制备的二极管器件，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底上的外延层；

所述外延层上的反型掺杂外延层，所述反型掺杂外延层具有凹槽，所述凹槽中填充再生长的所述外延层；

所述反型掺杂外延层上的第一阳极层，所述第一阳极层的材料为三元合金层材料AlGaN、AlInN或InGaN，或者四元合金层材料AlInGaN，所述第一阳极层与所述反型掺杂外延层通过注入Si，Ge，Se形成高掺杂层相连，通过高温合金后形成欧姆接触；

位于所述器件正表面并与所述第一阳极层和所述外延层接触的第二阳极金属层；

位于所述器件背面的阴极。

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