一種GaN基混合PIN肖特基二極管及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于半導體器件技術領域，具體為一種GaN基混合PIN肖特基二極管及其制備方法。本發明的GaN基混合PIN肖特基二極管包括：GaN襯底；GaN外延層，形成于所述GaN襯底上；多個GaN結構層，形成于所述GaN外延層上；第一金屬結構，形成于所述GaN結構層以及各GaN結構層之間的所述GaN外延層上，與所述GaN外延層之間形成肖特基接觸。此外，還包括第二金屬結構，位于所述GaN襯底的背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。本發明能夠在不損失芯片面積情況下獲得更高的反向擊穿電壓；同時，避免了由于位錯問題導致的器件性能的退化，可以很好的應用于功率電子領域。
【專利說明】
一種GaN基混合PIN肖特基二極管及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于半導體器件技術領域，具體涉及混合PIN肖特基二極管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的飛速發展，諸如功率開關、功率整流器等大功率電子器件已廣泛應用于國民經濟各個領域。作為傳統硅基功率器件的替代品，基于第三代寬禁帶半導體GaN材料的功率器件因其優異的材料特性和器件結構備受矚目，GaN材料擁有較大的禁帶寬度和電子迀移率，較好的熱穩定性和化學穩定性，因而在大功率和高頻領域有著廣泛的應用前景而受到關注和研究。現今，GaN基高電子迀移率晶體管已經取得了突破性進展，然而對于GaN基混合P IN肖特基(MPS )功率二極管的研究仍面臨諸多挑戰。
[0003]相比于平面結構的GaN基功率器件，垂直結構的GaN基功率器件有著顯著的優勢: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離器件表面，器件有很好的可靠性以及優良的熱穩定性。
[0004]MPS 二極管兼具PIN 二極管和肖特基二極管(SBD)的優勢。當前，GaN基MPS功率二極管一般在硅襯底上制備。然而，由于硅與GaN之間存在較大的位錯密度以及在硅襯底上制備出較薄的GaN漂移區需要很高的工藝復雜度，基于此法制備的GaN MPS器件很難獲得良好的電學指標。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種電學指標良好、制備工藝簡單的GaN基混合PIN肖特基二極管及其制備方法。
[0006]本發明提供GaN基混合PIN肖特基二極管，包括:
GaN襯底，其具有第一導電類型和第一摻雜濃度；
第一導電類型GaN外延層，其具有第二摻雜濃度，形成于所述GaN襯底上，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度；
多個第二導電類型GaN結構層，其以一定間隔形成于所述第一導電類型GaN外延層上；多個第二導電類型GaN結構層，其以一定間隔形成于所述第一導電類型GaN外延層上；
以及，第一金屬結構，形成于所述第二導電類型GaN結構層以及各第二導電類型GaN結構層之間的所述第一導電類型GaN外延層上，與所述第一導電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。
[0007]進一步，本發明還包括:第二金屬結構，位于所述GaN襯底的背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。
[0008]進一步，所述第一導電類型為η型，所述第二導電類型為P型。
[0009]進一步，η型GaN襯底的摻雜濃度大于I X 118Cnf3，η型GaN外延層摻雜濃度為I?10XlO16Cnf30
[00?0] 優選為，η型GaN外延層的厚度為3?50 μηι，ρ型GaN結構層的厚度為0.1?Ιμπι。[0011 ]本發明還提供上述GaN基混合PIN肖特基一■極管的制備方法，具體步驟包括:
提供具有第一導電類型和第一摻雜濃度的GaN襯底；
在所述GaN襯底上形成具有第二摻雜濃度的第一導電類型GaN外延層;在所述第一導電類型GaN外延層上形成以一定間隔分布的多個第二導電類型GaN結構層；以及，
在所述第二導電類型GaN結構層以及各所述第二導電類型GaN結構層之間的第一導電類型GaN外延層上形成第一金屬結構，與所述第一導電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。
[0012]進一步，在形成第一金屬結構前，包括如下步驟:在所述GaN襯底的背面形成第二金屬結構，所述GaN襯底與所述第二金屬結構間形成歐姆接觸。
[0013]進一步，形成多個第二導電類型GaN結構層，包括如下步驟:在所述第一導電類型GaN外延層上外延形成第二導電類型GaN外延層;在所述第二導電類型GaN外延層上形成犧牲層；以及，對所述第二導電類型GaN層進行圖案化，使部分所述第一導電類型GaN外延層暴露，形成以一定間隔分布的多個第二導電類型GaN結構層。
[0014]進一步，所述第一導電類型為η型，所述第一摻雜濃度大于IX 1018cm—3。
[0015]進一步，所述第二導電類型為P型，P型GaN結構層的摻雜濃度為2X 1017cm—3。
[0016]根據本發明，能夠直接在GaN基片上制備出垂直結構的MPS器件，避免了由于位錯問題導致的器件性能的退化。同時，可以在不損失芯片面積的前提下，獲得大的擊穿電壓，避免了橫向結構的功率器件由于電流崩塌效應對器件可靠性的影響，有助于更好的應用在功率電子領域。
【附圖說明】
[0017]圖1是形成第一導電類型GaN外延層后的器件結構示意圖。
[0018]圖2是形成第二導電類型GaN外延層后的器件結構示意圖。
[0019]圖3是形成犧牲層后的器件結構示意圖。
[0020]圖4是形成多個第二導電類型GaN結構層后的器件結構示意圖。
[0021 ]圖5是形成第一金屬結構后的器件結構示意圖。
[0022]圖6是形成第二金屬結構后的器件結構示意圖。
[0023]圖7是GaN基混合PIN肖特基二極管制備方法的一個實施例的流程圖。
[0024]圖8是形成多個第二導電類型GaN結構層的流程圖。
[0025]圖9是GaN基混合PIN肖特基二極管制備方法的另一實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。在本發明的描述中，需要理解的是，術語〃上〃、〃下〃 〃〃頂〃、〃底〃等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。術語〃第一"、"第二 "僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有〃第一〃、〃第二〃的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。
[0027]以下結合附圖，針對本發明所涉及的GaN基混合MPS二極管進行說明。
[0028]如圖5所示，GaN基混合PIN肖特基二極管包括:
GaN襯底100，其具有第一導電類型，例如可以為η型重摻雜的GaN襯底，摻雜濃度大于IX 1018cm—3，當然根據需要也可以為P型GaN襯底。
[0029]第一導電類型GaN外延層101，其形成于GaN襯底100上，具有與GaN襯底100相同的導電類型，摻雜濃度小于GaN襯底100的摻雜濃度，例如可以為2 X 116Cnf3 AaN外延層的厚度例如可以是20 pmo
[0030]多個第二導電類型GaN結構層102S其以一定間隔形成于GaN外延層101上，具有與GaN外延層101相反的導電類型。也就是說當GaN外延層101的導電類型為η型時，GaN結構層102的導電類型為P型，當GaN外延層101的導電類型為P型時，GaN結構層102的導電類型為η型。GaN結構層102的摻雜濃度可以根據不同情況而進行設定，例如P型摻雜的GaN結構層，摻雜濃度為2 X 117Cnf3XaN結構層102丨的厚度例如可以是0.5μπι。
[0031 ] 第一金屬結構104，形成于GaN結構層102'以及各GaN結構層102'之間的GaN外延層101上，與GaN外延層101之間形成肖特基接觸。第一金屬結構104例如可以為金屬鎳/金復合金屬結構，可以包括金、鈀、銀、鎳及其組合等的金屬。
[0032]優選地，GaN基混合MPS 二極管還包括第二金屬結構105，位于GaN襯底100的背面，與GaN襯底100形成歐姆接觸，如圖6所示。第二金屬結構105例如可以為金屬鈦/金復合金屬結構，可以包括金、鈦、鎢、鉭、鈀及其組合等的金屬。
[0033]在上述結構中可以通過摻雜硅、氧等形成η型GaN外延層，通過摻雜括鎂、鈹、鋅等形成P型GaN外延層。
[0034]以下參照圖7，針對本GaN基混合MPS二極管的制備方法的一個實施例進行說明。
[0035]在步驟SI中，提供具有第一導電類型的GaN襯底100。在本實施例中GaN襯底100的導電類型為η型，摻雜濃度優選為重摻雜，更為優選的，摻雜濃度大于I X 1018cm—3。
[0036]在步驟S2中，在GaN襯底100上形成第一導電類型GaN外延層101，即與GaN襯底100導電類型相同，摻雜濃度小于GaN襯底100的摻雜濃度。在本實施例中采用金屬有機物化學氣相淀積法(MOCVD)在GaN襯底100上外延20_厚的η型輕摻雜GaN外延層，摻雜濃度優選為2X 1016cm—3。可以通過摻雜硅、氧等形成η型GaN外延層。在圖1中示出了形成第一導電類型GaN外延層101后的器件結構示意圖。
[0037]在步驟S3中，在第一導電類型GaN外延層101上形成以一定間隔分布的多個第二導電類型GaN結構層102'。更具體地說，如圖8所示，包括以下步驟:
步驟S31，在第一導電類型GaN外延層101上外延形成第二導電類型GaN外延層102，其具有與GaN外延層101相反的導電類型。也就是說當GaN外延層101的導電類型為η型時，GaN結構層102的導電類型為P型，當GaN外延層101的導電類型為P型時，GaN結構層102的導電類型為η型。在本實施例中，采用MOCVD法外延P型摻雜GaN外延層102，摻雜濃度優選為2Χ 117Cm―3，厚度優選為0.5μπι。可以通過摻雜括鎂、鈹、鋅等形成P型GaN外延層。在圖2中示出了形成第二導電類型GaN外延層102后的器件結構示意圖。
[0038]步驟S32，在第二導電類型GaN外延層102上形成犧牲層103。圖3是形成犧牲層后的器件結構示意圖。例如，采用等離子體增強化學氣相淀積法(PECVD)生長?10nm厚的氮化硅作為犧牲層103。當然也可以采用其他合適材料例如氧化硅等和常規生成方法形成犧牲層。
[0039]步驟S33，對第二導電類型GaN外延層102進行圖案化。懸涂負性光刻膠，進行圖形曝光，采用BCl3、Ar作為刻蝕氣體，對犧牲層103以及第二導電類型GaN外延層102進行干法刻蝕，使部分第一導電類型GaN外延層101暴露，形成以一定間隔分布的多個第二導電類型GaN結構層102\最后，去除光刻膠及犧牲層103。圖4示出了形成多個第二導電類型GaN結構層后的器件器件結構示意圖。但是本發明不限定于此，可以采用本領域中常規光刻工藝實現第二導電類型GaN外延層102的圖形化。
[0040]接下來，在步驟S4中，在第二導電類型GaN結構層102'以及第二導電類型GaN結構層102'之間的第一導電類型GaN外延層101上形成第一金屬結構104。其中，第一金屬結構104與第一導電類型GaN外延層101形成肖特基接觸，與第二導電類型GaN結構層1021形成歐姆接觸。例如，懸涂正性光刻膠，曝光出頂部電極區域，在器件頂部蒸鍍金屬鎳/金復合金屬結構。但是本發明不限定于此，第一金屬結構層104可以包括金、鈀、銀、鎳及其組合等的金屬，其生成方法也可以采用本領域常用的任意合適的方法，例如濺射、蒸鍍等。圖5示出了形成第一金屬結構后的器件結構示意圖。
[0041 ]在GaN基混合MPS二極管制備方法的另一實施例中，還包括步驟S5，如圖9所示，在GaN襯底100的背面形成第二金屬結構105，GaN襯底100與第二金屬結構105間形成歐姆接觸。但是，本發明不限定于此，在另一實施例中，在步驟S4進行步驟S5，也就是說在形成第一金屬結構104的前在GaN襯底100的背面形成第二金屬結構105。第二金屬結構105可以為一層或更多層歐姆金屬。例如，第二金屬結構105可以包含鈦/金歐姆金屬。可以使用包括但不限于鋁、鎳、金及其組合等的其他金屬和/或合金。第二金屬結構105可以使用各種方法(例如濺射、蒸鍍等)中的任意方法來形成。圖6是形成第二金屬結構后的器件結構示意圖。
[0042]上述實施例中，以n+型GaN襯底為例對GaN基混合MPS二極管的制備方法進行了說明，但是本發明不限定于此，根據需要還可以選用P型GaN襯底。
[0043]根據本發明，能夠直接在GaN基片上制備出垂直結構的MPS器件，避免了由于位錯問題導致的器件性能的退化。同時，可以在不損失芯片面積的前提下，獲得大的擊穿電壓，避免了橫向結構的功率器件由于電流崩塌效應對器件可靠性的影響，有助于更好的應用在功率電子領域。
[0044]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種GaN基混合PIN肖特基二極管，其特征在于，包括: GaN襯底，其具有第一導電類型和第一摻雜濃度； 第一導電類型GaN外延層，其具有第二摻雜濃度，形成于所述GaN襯底上，其中，所述第二摻雜濃度小于所述第一摻雜濃度； 多個第二導電類型GaN結構層，其以一定間隔形成于所述第一導電類型GaN外延層上；以及， 第一金屬結構，形成于所述第二導電類型GaN結構層以及各第二導電類型GaN結構層之間的所述第一導電類型GaN外延層上，與所述第一導電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。2.根據權利要求1所述的GaN基混合PIN肖特基二極管，其特征在于，還包括:第二金屬結構，位于所述GaN襯底的背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。3.根據權利要求1或2所述的GaN基混合PIN肖特基二極管，其特征在于，所述第一導電類型為η型，所述第二導電類型為P型。4.根據權利要求3所述的GaN基混合PIN肖特基二極管，其特征在于，η型GaN襯底的摻雜濃度大于I X 118Cnf3，η型GaN外延層摻雜濃度為I?10 X 116Cnf3。5.根據權利要求3所述的GaN基混合PIN肖特基二極管，其特征在于，η型GaN外延層的厚度為3?50 μηι，ρ型GaN結構層的厚度為0.1?Ιμπι。6.—種GaN基混合PIN肖特基二極管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 提供具有第一導電類型和第一摻雜濃度的GaN襯底； 在所述GaN襯底上形成具有第二摻雜濃度的第一導電類型GaN外延層； 在所述第一導電類型GaN外延層上形成以一定間隔分布的多個第二導電類型GaN結構層；以及， 在所述第二導電類型GaN結構層以及各所述第二導電類型GaN結構層之間的第一導電類型GaN外延層上形成第一金屬結構，與所述第一導電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。7.根據權利要求6所述GaN基混合PIN肖特基二極管的制備方法，其特征在于， 在形成第一金屬結構前，包括如下步驟:在所述GaN襯底的背面形成第二金屬結構，所述GaN襯底與所述第二金屬結構間形成歐姆接觸。8.根據權利要求6或7所述的GaN基混合PIN肖特基二極管的制備方法，其特征在于，形成多個第二導電類型GaN結構層包括如下步驟: 在所述第一導電類型GaN外延層上外延形成第二導電類型GaN外延層； 在所述第二導電類型GaN外延層上形成犧牲層；以及， 對所述第二導電類型GaN層進行圖案化，使部分所述第一導電類型GaN外延層暴露，形成以一定間隔分布的多個第二導電類型GaN結構層。9.根據權利要求6或7所述的GaN基混合PIN肖特基二極管的制備方法，其特征在于，所述第一導電類型為η型，所述第一摻雜濃度大于I X 1018cm—3。10.根據權利要求9所述的GaN基混合PIN肖特基二極管的制備方法，其特征在于，所述第二導電類型為P型，P型GaN結構層的摻雜濃度為2 X 117Cnf3。
【文檔編號】H01L29/868GK105870205SQ201610259220
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】陳琳, 戴亞偉, 張宇, 李起鳴, 孫清清, 張衛
【申請人】復旦大學, 鎵特半導體科技（上海）有限公司