肖特基二極管及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件，特別是涉及一種肖基特二極管及其制造方法。
【背景技術】
[0002]現代社會中，電力電子技術不斷更新發展，穩壓器、整流器、逆變器等電力電子器件在日常生活中應用越來越廣泛，涉及高壓供電、電能管理、工廠自動化、機動車能源分配管理等諸多領域。
[0003]二極管是電力電子應用領域中不可或缺的組成部分。近年來，具有高頻、大電流、低功耗特性的肖特基二極管以其獨特的性能優勢越來越引人注目。
[0004]傳統的功率型肖特基二極管主要是在硅(Si)基材料上制作。硅材料發展歷史悠久，硅單晶制備成本低、硅器件加工工藝成熟，因此硅基肖特基二極管的發展也是最為成熟的。但是，由于禁帶寬度、電子迀移率等材料特性的限制，硅基功率肖特基二極管的性能已經接近其理論極限，不能滿足當今高頻、高功率、高耐溫的需求。硅基肖特基二極管耐壓低、電流輸運能力有限、在高溫條件下對系統散熱要求苛刻，這造成了器件體積重量大、能耗大，不利于電力電子系統向集成化、小型化、節能化發展。
[0005]為了突破硅材料的自身限制，人們開始尋找具有更優性能的材料。以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代寬禁帶半導體材料進入了人們視野。它們具有優異的物理和化學性質，如禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度大、抗輻射能力強、化學穩定性好等，特別適合制作尚耐壓、尚耐溫、尚頻、大功率肖特基一極管器件。GaN材料另一突出的特點就是利用自身的極化效應，如圖1所示，在非摻雜的AlGaN/GaN就可以形成電子面密度達到113CnT2量級的高濃度二維電子氣(2DEG 〖Two-dimens1nal electron gas)。2DEG面密度大、在溝道二維平面內迀移率高，利用這一特性制作的橫向導通的GaN肖特基二極管是目前最常見的，也是最有潛力的外延結構形式。如圖2所示，傳統AlGaN/GaN肖特基二極管橫向器件最大的優勢利用了 2DEG溝道導通輸運電流，可以有效降低器件的導通電阻，實現大功率輸出。
[0006]但是，在傳統AlGaN/GaN肖特基二極管中，由于器件導通層在半導體外延結構的表面，反向阻擋工作時，器件的電場分布過于集中在外延層表面，限制了器件耐壓特性。
[0007]在目前的現有技術中，為了改善肖特基二極管電極的電場集邊效應，提高器件的擊穿電壓，通常在肖特基二極管結構中采用場板結構、保護環結構或超結結構。
[0008]場板結構和保護環結構通過調控電極和半導體接觸處的電場分布，降低邊緣處的電場峰值，在一定程度上可以改善由于電極邊緣電場強度過大導致的擊穿現象，提升器件的擊穿電壓。超結結構則采用離子注入的手段，形成η型GaN層和ρ型GaN交替的結構，通過電荷補償原理將外延層中載流子濃度提高I個量級的同時，在反向耗盡狀態下，實現電場在外延層中的分布接近處處相等的理想狀態，使得外延層耐壓能力的最優化。
[0009]然而，這些技術手段還存在如下缺陷:
[0010]首先，現有的場板結構、保護環結構或超結結構，由于十分靠近氮化鎵異質結有源區，且通常采用場板工藝和離子注入工藝進行制作，對器件的電流傳輸能力影響較大，在提升耐壓性能的同時，犧牲了器件較大的輸出特性；
[0011]其次，這些技術手段沒有充分利用整體外延層的耐壓潛質，耐壓性能進一步提升的空間十分有限；
[0012]再次，無論是場板工藝還是離子注入工藝，都增加了器件制作過程中穩定性保持的難度，也提高了器件的制作成本，不利于產業化推廣。
[0013]因此，如何在保證肖特基二極管的電流傳輸能力及穩定性的同時提升其耐壓特性，并且減少制作工藝對器件性能的影響，成為目前亟需解決的技術難點之一。
【發明內容】
[0014]基于此，本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種肖基特二極管及其制造方法。
[0015]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
[0016]一種肖基特二極管，包括:襯底、緩沖層、外延結構、肖特基接觸金屬以及歐姆接觸金屬，襯底、緩沖層、外延結構依次層疊設置；
[0017]所述外延結構包括依次層疊的超結層、GaN溝道層和勢皇層，所述超結層是由復數個P型GaN層與η型GaN層互相交替層疊構成；
[0018]所述肖特基接觸金屬與歐姆接觸金屬分別對稱設置于所述外延結構的相對的兩側面，且一端延伸至所述外延結構的上表面，另一端延伸至所述緩沖層。
[0019]在其中一個實施例中，所述P型GaN層的摻雜濃度為116?1019cnT3，厚度為Inm?Ium ;所述η型GaN層的摻雜濃度為116?10 19cnT3，厚度為Inm?lum。
[0020]在其中一個實施例中，所述ρ型GaN層的摻雜劑為Mg、Zn、C或Fe ;所述η型GaN層的摻雜劑為Si或Ge。
[0021]在其中一個實施例中，所述勢皇層為AlGaN層、AlN層、AlInN層中的一種或多種組合，厚度為Inm?50nmo
[0022]在其中一個實施例中，所述勢皇層為Α1((ι.2_α3^((ι.7_α8)Ν，厚度為20-30nm。優選為厚度為 25nm 的 Ala25Gaa 75N。
[0023]在其中一個實施例中，所述超結層的厚度為200nm?10 μ m。
[0024]在其中一個實施例中，所述GaN溝道層的厚度為Inm?500nm。
[0025]在其中一個實施例中，所述肖特基接觸金屬為Ni/Au合金、Pt/Au合金或Pd/Au合金；所述歐姆接觸金屬為Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金。
[0026]本發明還提供所述的肖特基二極管的制造方法，包括如下步驟:
[0027](I)通過外延生長技術，在襯底上依次生長緩沖層、超結層、GaN溝道層以及勢皇層；
[0028](2)通過濕法或干法刻蝕技術對所述外延結構，或外延結構和緩沖層進行刻蝕，形成用于容納肖特基接觸金屬的第一容納區域和用于容納歐姆接觸金屬的第二容納區域；
[0029](3)通過光刻技術和電子束蒸發技術，于所述第一容納區域和第二容納區域分別形成肖特基接觸金屬和歐姆接觸金屬，即得所述肖特基二極管；
[0030]或，
[0031](a)通過外延生長技術，在襯底上生長緩沖層；
[0032](b)分別于所述第一容納區域和第二容納區域制作掩膜；
[0033](c)再于緩沖層上依次生長超結層、GaN溝道層以及勢皇層后，去除掩膜；
[0034](d)進行步驟(3)，即得所述肖特基二極管。
[0035]本發明的原理及優點如下:
[0036]本發明所述肖基特二極管，在襯底上依次形成緩沖層、ρ型GaN層與η型GaN層交替的超結層、GaN溝道層和勢皇層，所述超結層、GaN溝道層以及勢皇層形成外延結構，肖特基接觸金屬與歐姆接觸金屬分別對稱設置于所述外延結構的相對的兩側面，且一端延伸至所述外延結構的上表面，另一端延伸至所述緩沖層，完整連接異質結有源區(GaN溝道層和勢皇層形成的區域)以及超結區(超結層區域)。
[0037]其中，勢皇層和GaN溝道層接觸界面處形成2DEG溝道，具有優良的電流導通能力；超結層中P型GaN層與η型GaN層接觸形成ρ/η結，可進一步提升該區域的載流子濃度，促進電流的導通；超結層與異質結有源區采用互相平行的層疊結構，使二者電流傳輸性能的發揮相對獨立，更有利于電流的導通。
[0038]當給所述肖特基二極管施加正向電壓時，電流從肖特基接觸金屬(陽極)注入，通過勢皇層和GaN溝道層接觸界面處形成2DEG溝道以及超結區中的ρ/η結，導通到歐姆接觸金屬(陰極)，可實現大功率輸出；當施加反向電壓時，2DEG溝道會對電壓產生阻擋，且由于超結區的電場垂直于陽極和陰極之間的電場，使電場在該區域中的均勻分散，形成均勻的耗盡區域，降低了電場峰值，提高肖特基二極管的耐壓特性。
[0039]特別地，當所述勢皇層為Al (α2_α 3)Gaftl.7_α8)Ν，厚度為20_30nm時，可以在勢皇層和GaN溝道層界面形成高濃度、高迀移率的2DEG ;當所述ρ型GaN層與η型GaN層的摻雜濃度分別為116?10 19cnT3，厚度分別為Inm?Ium時，形成的ρ/η結既能夠保證較好的電流導通能力，又能夠承受較高的反向電壓，提高耐壓特性。
[0040]本發明所述肖基特二極管的制造方法，通過外延生長技術，交替生長η型GaN和ρ型GaN層，直接形成超結結構，在此基礎上再生長形成的GaN溝道層和勢皇層，并利用光刻技術和電子束蒸發技術制作陰極歐姆接觸金屬和陽極肖特基接觸金屬，避免采用傳統的場板工藝和離子注入工藝，降低工藝對肖基特二極管性能的影響，增加導流和耐壓的穩定性，且工藝簡單，制作成本低，是保障肖特基二極管優良輸出特性的同時提升耐壓特性的有效方法。
[0041 ] 本發明所述襯底的材料可以為硅材料、碳化硅、藍寶石、氮化鎵或氧化鋅。
[0042]所述緩沖層可為Α1Ν、AlGaN, GaN中的一種或多種組合的層結構或超晶格結構。
[0043]本發明所述肖特基二極管還可以包括鈍化層，材料可為Si02、SiN, A1203、A1N、HfO2, MgO, Sc2O3> Ga203、AlHfOx、HfS1N 中的一種或多種組合，厚度為 Inm ?lOOnm。
[0044]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0045]本發明所述肖基特二極管，具有較高的耐壓特性，且保證了良好的電流傳輸能力及穩定性，避免采用傳統的場板結構和保護環結構，可以簡化制作工藝，降低成本。
[0046]本發明所述肖基特二極管的制造方法，能夠降低工藝對肖基特二極管性能的影響，增加導流和耐壓的穩定性，且工藝簡單，制作成本低，是保障肖特基二極管優良輸出特性的同時提升耐壓特性的有效方法。
【附圖說明】
[0047]圖1為AlGaN/GaN外延結構(左圖)及能帶、電子濃度分布圖(右圖)；
[0048]圖2為傳統AlGaN/GaN肖特基二極管結構；
[0049]圖3為本發明所述肖特基二極管；
[0050]圖4為本發明所述肖特基二極管的制作方法I的步驟⑴示意圖；
[0051]圖5為本發明所述肖特基二極管的制作方法I的步驟(2)示意圖；<