一種GaN基功率二極管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種GaN基功率二極管及其制備方法。該GaN基功率二極管包括：GaN襯底，具有第一摻雜濃度；GaN外延層，位于所述GaN襯底上，具有第二摻雜濃度，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度；第一金屬結(jié)構(gòu)，以預(yù)定間隔分布于所述GaN外延層上或所述GaN外延層中；以及，第二金屬結(jié)構(gòu)，形成于所述第一金屬結(jié)構(gòu)以及所述GaN外延層上，其中，所述第一金屬結(jié)構(gòu)與所述GaN外延層形成高勢壘肖特基接觸，所述第二金屬結(jié)構(gòu)與所述GaN外延層形成低勢壘肖特基接觸。根據(jù)本發(fā)明，可以在免除對GaN材料進(jìn)行P型摻雜的同時，具有良好的可靠性和較高的反向擊穿電壓。
【專利說明】
一種GaN基功率二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GaN基功率二極管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，諸如功率開關(guān)，功率整流器等大功率電子器件已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。作為傳統(tǒng)硅基功率器件的替代品，基于第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料的功率器件因其優(yōu)異的材料特性和器件結(jié)構(gòu)備受矚目，GaN材料擁有較大的禁帶寬度和電子迀移率，較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因而在大功率和高頻領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景而受到關(guān)注和研究?，F(xiàn)今，GaN基高電子迀移率晶體管已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，然而對于GaN基功率二極管的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
[0003]相比于平面結(jié)構(gòu)的GaN基功率器件，垂直結(jié)構(gòu)的GaN基功率器件有著顯著的優(yōu)勢:不需要通過犧牲芯片面積來獲得較高的反向擊穿電壓，并且由于電場峰值遠(yuǎn)離器件表面，器件有很好的可靠性以及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。為獲得良好的電學(xué)可靠性以及較高的反向擊穿電壓，業(yè)界引入GaN基MPS器件的概念，利用PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用來提高GaN功率二極管的浪涌電流承受力。然而，對于GaN材料實現(xiàn)P型摻雜具有很高的工藝難度以及工藝復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種能夠獲得較高反向擊穿電壓，且工藝難度低的GaN基功率二極管及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提供的GaN基功率二極管，包括:
GaN襯底，具有第一摻雜濃度；
GaN外延層，位于所述GaN襯底上，具有第二摻雜濃度，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度；
第一金屬結(jié)構(gòu)，以預(yù)定間隔分布于所述GaN外延層上或所述GaN外延層中；以及，
第二金屬結(jié)構(gòu)，形成于所述第一金屬結(jié)構(gòu)以及所述GaN外延層上，其中，所述第一金屬結(jié)構(gòu)與所述GaN外延層形成高勢皇肖特基接觸，所述第二金屬結(jié)構(gòu)與所述GaN外延層形成低勢皇肖特基接觸。
[0006]優(yōu)選地，還包括:底部電極，位于所述GaN襯底背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。
[0007]優(yōu)選地，所述GaN襯底為η型，摻雜濃度大于1018cm—3。
[0008]優(yōu)選地，所述第一金屬結(jié)構(gòu)為Ni。
[0009]優(yōu)選地，所述第二金屬結(jié)構(gòu)為Ti/Au。
[0010]本發(fā)明還提供一種GaN基功率二極管制備方法，包括:
提供GaN襯底步驟，提供具有第一摻雜濃度的GaN襯底；
GaN外延層形成步驟，在所述GaN襯底上外延具有第二摻雜濃度的所述GaN外延層，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度； 第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，在所述GaN外延層上或者在所述GaN外延層中形成以預(yù)定間隔分布的第一金屬結(jié)構(gòu)，與所述GaN外延層形成高勢皇肖特基接觸；以及，
第二金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，在所述第一金屬結(jié)構(gòu)上以及所述GaN外延層上形成第二金屬結(jié)構(gòu)，與所述GaN外延層形成低勢皇肖特基接觸。
[0011 ]優(yōu)選地，還包括:底部電極形成步驟，在所述GaN襯底背面形成底部電極，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。
[0012]優(yōu)選地，所述第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，具體包括如下步驟:
在所述GaN外延層中形成多個以預(yù)定間隔分布的開口區(qū)；
在所述開口區(qū)中形成所述第一金屬結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選地，所述第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，具體包括如下步驟:
在所述GaN外延層上形成第一金屬外延層；
對所述第一金屬外延層進(jìn)行圖形化，使部分所述GaN外延層暴露，形成以預(yù)定間隔分布的第一金屬結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，還包括:在所述預(yù)定間隔中形成GaN外延結(jié)構(gòu)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，直接在GaN襯底上制備出垂直結(jié)構(gòu)的功率二極管，在不損失芯片面積情況下獲得高的反向擊穿電壓，避免了由于位錯問題導(dǎo)致的器件性能的退化。此外，可以在免除對GaN材料進(jìn)行P型摻雜的同時，具有良好的可靠性和較高的反向擊穿電壓。
【附圖說明】
[0016]圖1是GaN基功率二極管制備方法實施例的流程圖。
[0017]圖2是在形成GaN外延層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是在GaN外延層中形成第一金屬結(jié)構(gòu)的流程圖。
[0019]圖4?圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方案通過在GaN外延層中形成第一金屬結(jié)構(gòu)來制備GaN基功率二極管的各階段器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖7是GaN基功率二極管制備方法另一實施例的流程圖。
[0021 ]圖8是在GaN外延層中形成第一金屬結(jié)構(gòu)并具有底部電極的GaN基功率二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施方案通過在GaN外延層上形成第一金屬結(jié)構(gòu)來制備GaN基功率二極管的方法的流程圖。
[0023]圖10?圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施方案通過在GaN外延層上形成第一金屬結(jié)構(gòu)來制備GaN基功率二極管的各階段的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖14是在GaN外延層上形成第一金屬結(jié)構(gòu)并在第一金屬結(jié)構(gòu)之間形成GaN外延結(jié)構(gòu)的流程圖。
[0025]圖15是在GaN外延層上形成第一金屬結(jié)構(gòu)并在第一金屬結(jié)構(gòu)之間形成GaN外延結(jié)構(gòu)后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0027]以下結(jié)合附圖，針對GaN基功率二極管制備方法實施例一進(jìn)行說明。在圖1中示出了GaN基功率二極管制備方法實施例一的流程圖。
[0028]步驟Sll，提供GaN襯底10。優(yōu)選為η型GaN襯底，摻雜濃度大于1018cm—3。
[0029]步驟S12，在GaN襯底10上形成GaN外延層11，所得結(jié)構(gòu)如圖2所示。例如，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積法(MOCVD)外延20μπι厚的η型GaN漂移層，摻雜濃度優(yōu)選為2 X 116Cm
-3
O
[0030]步驟S13，在圖形化后的GaN外延層11上形成第一金屬結(jié)構(gòu)12，與GaN外延層11形成高勢皇肖特基接觸。圖3中示出了形成第一金屬結(jié)構(gòu)的子流程圖，具體地，包括如下步驟:
步驟S131，在GaN外延層11中形成多個以預(yù)定間隔分布的開口區(qū)，如圖4所示。例如，首先，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法(PECVD)在GaN外延層11上生長?IlMi厚的Si3N4作為犧牲層;接下來，懸涂正性光刻膠，曝光出多個以預(yù)定間隔分布的3Χ3μπι2矩形區(qū)域。最后，采用BCl3、Ar作為刻蝕氣體，以Si3N4作為硬掩膜，對GaN外延層11進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度優(yōu)選為400nm。當(dāng)然，也可以采用本領(lǐng)域常規(guī)光刻及刻蝕工藝形成開口區(qū)。
[0031]步驟S132，在所述開口區(qū)中形成第一金屬結(jié)構(gòu)12，如圖5所示。具體地，例如，采用物理氣相淀積(PVD)法在刻蝕后的GaN外延層11上淀積與GaN外延層形成高勢皇肖特基接觸的金屬，優(yōu)選為Ni，厚度優(yōu)選為0.5μπι厚。然后，采用化學(xué)機(jī)械拋光法對器件進(jìn)行表面平坦化操作，從而在開口區(qū)中形成第一金屬結(jié)構(gòu)12。
[0032]步驟S14，在第一金屬結(jié)構(gòu)12上以及GaN外延層11上形成第二金屬結(jié)構(gòu)13，與GaN外延層11形成低勢皇肖特基接觸，如圖6所示。具體地，例如，懸涂正性光刻膠，曝光出頂部電極區(qū)域。然后，在器件頂部蒸鍍0.5μπι厚度的與GaN外延層形成低勢皇接觸的金屬，優(yōu)選為Ti/Au金屬，去膠后獲得第二金屬結(jié)構(gòu)13。
[0033]優(yōu)選地，還包括底部電極形成步驟SI 5，在GaN襯底10背面形成底部電極14，與GaN襯底10形成歐姆接觸。在圖7中示出了該實施例的流程圖。具體地，例如淀積蒸鍍鈦/金金屬，快速熱退火處理后形成歐姆接觸，所得結(jié)構(gòu)如圖8所示。
[0034]優(yōu)選地，在步驟Sll前進(jìn)行步驟S15，當(dāng)然，根據(jù)實際需要，也可以以不同次序執(zhí)行以上概述的各步驟。
[0035]在GaN基功率二極管制備方法的另一實施例中，如流程圖9所示，包括如下步驟: 步驟S21，提供GaN襯底20。優(yōu)選為η型GaN襯底，摻雜濃度大于118Cnf3。
[0036]步驟S22，在GaN襯底20上形成GaN外延層21。例如，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積法(MOCVD)外延20_厚的η型GaN漂移層，摻雜濃度優(yōu)選為2 X 116Cnf3。
[0037]步驟S23，形成第一金屬層22并對其進(jìn)行圖形化，形成第一金屬結(jié)構(gòu)23，具體包括如下步驟:
步驟S231，在GaN外延層21上形成第一金屬外延層22，所得結(jié)構(gòu)如圖10所示；
步驟S232，對第一金屬外延層22進(jìn)行圖形化，使部分所述GaN外延層暴露，形成多個以預(yù)定間隔分布的第一金屬結(jié)構(gòu)23，所得結(jié)構(gòu)如圖11所示。
[0038]步驟S24，在第一金屬結(jié)構(gòu)23上以及GaN外延層21上形成第二金屬結(jié)構(gòu)24，與GaN外延層21形成低勢皇肖特基接觸，所得結(jié)構(gòu)如圖12所示。具體地，例如，懸涂正性光刻膠，曝光出頂部電極區(qū)域。然后，在器件頂部蒸鍍0.5 μπι厚度的與GaN外延層形成低勢皇肖特基的金屬，優(yōu)選為Ti/Au，去膠后獲得第二金屬結(jié)構(gòu)24。
[0039]優(yōu)選地，如流程圖9所示，還包括底部電極形成步驟S25，在步驟S21前執(zhí)行步驟S25，即在GaN襯底20背面形成底部電極25，與GaN襯底形成歐姆接觸。具體地，例如淀積蒸鍍鈦/金金屬，快速熱退火處理后形成歐姆接觸，所得結(jié)構(gòu)如圖13所示。應(yīng)理解，圖9中所示的具體步驟提供了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的制備GaN基功率二極管的特定方法。根據(jù)可替代的實施方案也可以執(zhí)行其他順序的步驟。例如，本發(fā)明的可替代的實施方案可以以不次序執(zhí)行以上所概括的步驟。此外，圖9中所示的單獨步驟可以包括可以以各種次序執(zhí)行的多個子步驟，只要適合于單獨步驟即可。此外，根據(jù)特定的應(yīng)用可以添加或去除附加的步驟。本領(lǐng)域技術(shù)人員之一將認(rèn)識到許多變化方案、修改方案和替代方案。
[0040]在GaN基功率二極管制備方法的又另一實施例中，如流程圖14所示，第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟S23還包括步驟S233，在所述預(yù)定間隔中形成GaN外延結(jié)構(gòu)26。例如，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積法(MOCVD)外延η型GaN外延層，摻雜濃度優(yōu)選為2Χ 1016cm—3。之后，采用化學(xué)機(jī)械拋光法對器件進(jìn)行表面平坦化操作，從而僅在開口區(qū)中形成GaN外延結(jié)構(gòu)26，所得結(jié)構(gòu)如圖15。
[0041]以下結(jié)合圖6，對GaN基功率二極管實施例進(jìn)行說明。如圖6所示，GaN基功率二極管，包括:GaN襯底10，具有第一摻雜濃度，優(yōu)選地，例如為η型，摻雜濃度大于1018cm—3 XaN外延層11，位于GaN襯底10上，具有第二摻雜濃度，其中，第二摻雜濃度小于第一摻雜濃度，優(yōu)選地，例如摻雜濃度2 X 1016cm—3，厚度優(yōu)選為20 ym。第一金屬結(jié)構(gòu)12，以預(yù)定間隔分布于GaN外延層11中，與GaN外延層11形成高勢皇肖特基接觸；以及，第二金屬結(jié)構(gòu)13，形成于第一金屬結(jié)構(gòu)12以及GaN外延層11上，與GaN外延層11形成低勢皇肖特基接觸。
[0042]優(yōu)選地，如圖8所示，還包括底部電極13，位于GaN襯底1背面，與GaN襯底1形成歐姆接觸。底部電極13例如為鈦/金金屬。
[0043]以下結(jié)合圖12，對GaN基功率二極管另一實施例進(jìn)行說明。如圖12所示，GaN基功率二極管，包括:GaN襯底20，具有第一摻雜濃度，優(yōu)選地，例如為η型，摻雜濃度大于118Cm一3 AaN外延層21，位于GaN襯底20上，具有第二摻雜濃度，其中，第二摻雜濃度小于第一摻雜濃度，優(yōu)選地，例如摻雜濃度2 X 116Cnf3，厚度優(yōu)選為20μπι。第一金屬結(jié)構(gòu)23，以預(yù)定間隔分布于GaN外延層21上，與GaN外延層21形成高勢皇肖特基接觸；以及，第二金屬結(jié)構(gòu)24，形成于第一金屬結(jié)構(gòu)23以及GaN外延層21上，與GaN外延層21形成低勢皇肖特基接觸。
[0044]優(yōu)選地，如圖13所示，還包括底部電極25，位于GaN襯底20背面，與GaN襯底20形成歐姆接觸。底部電極25例如為鈦/金金屬。
[0045]上述實施例中，以η型GaN襯底為例對GaN基功率二極管及其制備方法進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明不限定于此，根據(jù)需要還可以選用P型GaN襯底。若采用P型襯底，則與GaN外延層形成低勢皇肖特基接觸的金屬優(yōu)選為Ni/Au、Pt/Ni/Au、Pd/Au等，與GaN外延層形成高勢皇肖特基接觸的金屬優(yōu)選為Ti/Au等。
[0046]根據(jù)本發(fā)明，直接在GaN襯底上制備出垂直結(jié)構(gòu)的功率二極管，在不損失芯片面積情況下獲得高的反向擊穿電壓，避免了由于位錯問題導(dǎo)致的器件性能的退化。此外，為了獲得良好的電學(xué)可靠性以及較高的反向擊穿電壓，業(yè)界引入GaN基MPS器件的概念，利用PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用來提高GaN功率二極管的浪涌電流承受力。然而，對于GaN材料實現(xiàn)P型摻雜具有很高的工藝難度以及工藝復(fù)雜度。本發(fā)明采用淀積高勢皇金屬來取代在GaN基MPS器件制備過程中需對GaN材料進(jìn)行P型摻雜的工藝，并在器件頂部淀積較低勢皇高度的金屬作為陽極，可以在免除對GaN材料P型摻雜的同時，具有良好的可靠性和較高的反向擊穿電壓。該器件可以很好的應(yīng)用于功率電子領(lǐng)域。
[0047]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種GaN基功率二極管，其特征在于，包括: GaN襯底，具有第一摻雜濃度； GaN外延層，位于所述GaN襯底上，具有第二摻雜濃度，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度； 第一金屬結(jié)構(gòu)，以預(yù)定間隔分布于所述GaN外延層上或所述GaN外延層中；以及， 第二金屬結(jié)構(gòu)，形成于所述第一金屬結(jié)構(gòu)以及所述GaN外延層上； 其中，所述第一金屬結(jié)構(gòu)與所述GaN外延層形成高勢皇肖特基接觸，所述第二金屬結(jié)構(gòu)與所述GaN外延層形成低勢皇肖特基接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基功率二極管，其特征在于，還包括:底部電極，位于所述GaN襯底背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GaN基功率二極管，其特征在于，所述GaN襯底為η型，摻雜濃度大于I O18CHf3。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的GaN基功率二極管，其特征在于，所述第一金屬結(jié)構(gòu)材料為Ni。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GaN基功率二極管，其特征在于，所述第二金屬結(jié)構(gòu)為Ti/Au。6.一種GaN基功率二極管制備方法，其特征在于，包括: 提供GaN襯底步驟，提供具有第一摻雜濃度的GaN襯底； GaN外延層形成步驟，在所述GaN襯底上外延具有第二摻雜濃度的所述GaN外延層，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度； 第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，在所述GaN外延層上或者在所述GaN外延層中形成以預(yù)定間隔分布的第一金屬結(jié)構(gòu)，與所述GaN外延層形成高勢皇肖特基接觸；以及， 第二金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，在所述第一金屬結(jié)構(gòu)上以及所述GaN外延層上形成第二金屬結(jié)構(gòu)，與所述GaN外延層形成低勢皇肖特基接觸。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GaN基功率二極管制備方法，其特征在于，還包括:底部電極形成步驟，在所述GaN襯底背面形成底部電極，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的GaN基功率二極管制備方法，其特征在于，所述第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，具體包括如下步驟: 在所述GaN外延層中形成多個以預(yù)定間隔分布的開口區(qū)； 在所述開口區(qū)中形成所述第一金屬結(jié)構(gòu)。9.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的GaN基功率二極管制備方法，其特征在于，所述第一金屬結(jié)構(gòu)形成步驟，具體包括如下步驟: 在所述GaN外延層上形成第一金屬外延層； 對所述第一金屬外延層進(jìn)行圖形化，使部分所述GaN外延層暴露，形成以預(yù)定間隔分布的第一金屬結(jié)構(gòu)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的GaN基功率二極管制備方法，其特征在于，還包括:在所述預(yù)定間隔中形成GaN外延結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L29/861GK105895708SQ201610360509
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月28日
【發(fā)明人】陳琳, 戴亞偉, 鄭亮, 孫清清, 張衛(wèi)
【申請人】復(fù)旦大學(xué)