專利名稱：一種功率二極管器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種功率二極管器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
功率二極管器件要能夠承受高電壓，器件結(jié)構(gòu)中就必須采用先進(jìn)的終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如附圖I所示，此終端結(jié)構(gòu)的作用是削弱電極邊緣的電場增強(qiáng)尖峰，使電場分布平坦化，避免器件過早擊穿。因此，在高功率肖特基器件的設(shè)計(jì)過程中，在確定了電壓阻斷層的摻雜濃度和厚度后，肖特基電極周邊的終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將決定器件能否承受所要求的高電壓。場限環(huán)(guard ring)是功率二極管器件最常用的終端結(jié)構(gòu),它的制備工藝對(duì)于娃基器件已經(jīng)非常成熟，如附圖2所示，通常通過幾個(gè)操作步驟完成·
按設(shè)計(jì)生長具有合適摻雜濃度和厚度的N-/N+外延結(jié)構(gòu)；
通過半導(dǎo)體微加工工藝在器件表面形成掩膜，進(jìn)行選擇性P型雜質(zhì)離子注入；
去除掩膜，經(jīng)過熱退火后形成P型終端結(jié)構(gòu)；
采用半導(dǎo)體微加工方法制作肖特基二極管的陽極和陰極。場限環(huán)結(jié)構(gòu)雖然效果很好并被大規(guī)模采用到硅基功率電子器件中，但是，這種結(jié)構(gòu)卻不能簡單地被移植到GaN功率電子器件的工藝流程中。其主要的原因是在GaN材料中通過離子注入方法進(jìn)行P型摻雜并不成熟；具體來講，當(dāng)被加速的離子注入到單晶材料中時(shí)，聞能尚子將極大地破壞材料晶格的有序性，進(jìn)而在注入?yún)^(qū)的材料中形成聞密度的晶格缺陷。在傳統(tǒng)的硅器件工藝中，只要通過熱退火(一般溫度在1100度左右)就可完全清除離子注入帶來的晶格損傷；但是，由于寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料的特殊物性，只有采用超過1500度的熱處理才有可能清除離子注入帶來的晶格損傷。而1500度的熱處理可使器件表面的GaN材料分解，使肖特基勢壘降低，增加肖特基電極的反向漏電流和減小器件的反向耐壓；同時(shí)，1500度以上的熱處理對(duì)退火設(shè)備的要求也很高，導(dǎo)致器件制備成本大幅度攀升。綜上所述，傳統(tǒng)的離子注入場限環(huán)工藝不能簡單地照搬到功率二極管器件的制備工藝流程中。因此，如何在功率二極管器件中形成可靠的P型場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)是制備高功率肖特基器件的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的主要目的是提供一種功率二極管器件及其制備方法，可以有效降低肖特基電極周邊的電場強(qiáng)度，提高GaN肖特基器件的反向耐壓能力。為了解決上述難題，本發(fā)明采取的方案是一種功率二極管器件，它包括相層疊設(shè)置的襯底、緩沖層、外延層、ALN層、場限環(huán)、環(huán)形場板、形成肖特基結(jié)的金屬層，所述場限環(huán)呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述ALN層為與所示場限環(huán)相對(duì)應(yīng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述外延層與陰極相電連，所述金屬層與陽極相連。優(yōu)選地，所述環(huán)形場板上形成有多個(gè)呈環(huán)形的凹凸部，環(huán)形場板的凸部的最高點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，環(huán)形場板的最低點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環(huán)形場板向外延層的投影位于最靠近中心的場限環(huán)內(nèi)，所述金屬層覆蓋任一個(gè)環(huán)形場板的凹部。優(yōu)選地，所述襯底由包括但不局限于藍(lán)寶石、碳化硅或硅中的一種或幾種制成。優(yōu)選地，所述緩沖層由包括但不局限于GaN、AlN中的一種或幾種制成。優(yōu)選地，所述環(huán)形場板由絕緣材料制成。優(yōu)選地，所述環(huán)形場板的任一個(gè)凹部向外延層的投影至少部分的與所述場限環(huán)相重合。優(yōu)選地，所述外延層包括層疊設(shè)置的第一 GaN層以及第二 GaN層，所述第一 GaN層 與緩沖層相鄰，所述第二 GaN層與ALN層相鄰，所述第一 GaN層為η++型GaN，所述第二 GaN層為η-型GaN或i_GaN,所述場限環(huán)為Ρ-GaN,所述陰極與所述第一 GaN層相電連。優(yōu)選地，所述第一 GaN層的厚度為O. I-IOym0優(yōu)選地，所述第二 GaN層的厚度為1_20 μ m。優(yōu)選地，所述場限環(huán)的厚度為O. 01-3 μ m。優(yōu)選地，所述ALN層的厚度為O. l-100nm。一種功率二極管器件的制備方法，它包括以下步驟
A)制備襯底與緩沖層，使用金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在緩沖層上外延生長形成GaN外延層；
B)在GaN外延層上生長ALN層；
C)在ALN層上生長P-GaN層；
D)通過干法刻蝕，自P-GaN層上向下開設(shè)多個(gè)環(huán)形槽，該環(huán)形槽至少部分位于ALN層
內(nèi)；
E)通過濕法刻蝕去除被暴露在環(huán)形槽表面的ALN完成場限環(huán)的制作；
F)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法覆蓋絕緣介質(zhì)制作環(huán)形場板；
G)在環(huán)形場板上覆蓋金屬層以形成肖特基結(jié)作為器件的陽極；
H)采用半導(dǎo)體微加工方法制作器件的陰極，在器件背面蒸鍍金屬層形成陽極。本發(fā)明采用以上結(jié)構(gòu)和方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、不僅避免了離子注入和后續(xù)的超高溫退火工藝，而且綜合了 P型GaN場限環(huán)和介質(zhì)場板兩種高電壓終端結(jié)構(gòu)，可有效提高GaN肖特基器件的反向耐壓能力。2、優(yōu)化凹部的深度，寬度和間距能極大的減低電極邊緣的電場增強(qiáng)尖峰，并且可以使整個(gè)終端結(jié)構(gòu)縮小面積，從而可以在同樣面積的晶圓上生產(chǎn)更多的功率二極管器件芯片。3、溝槽式P-型外延GaN加場板終端結(jié)構(gòu)可保證肖特基器件承受大大超過設(shè)計(jì)要求的電壓，從而保證了功率二極管器件的穩(wěn)定性和可靠性。


圖I為傳統(tǒng)的肖特基二極管的結(jié)構(gòu)。圖2a為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)形成過程的第一步。圖2b為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)形成過程的第二步。
圖2c為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)形成過程的第三步。圖2d為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)形成過程的第四步。圖3為本發(fā)明功率二極管器件陰極設(shè)置在襯底的背面的功率二極管器件。圖4為本發(fā)明功率二極管器件陰極設(shè)置在襯底的側(cè)面的功率二極管器件。圖5a為本發(fā)明中功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟A)后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5b為本發(fā)明功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟B)后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5c為本發(fā)明功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟C)后的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5d為本發(fā)明功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟E)后中形成場限環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5e為本發(fā)明功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟F)后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5f為本發(fā)明功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟G)后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5g為本發(fā)明功率二極管器件制備方法中經(jīng)過步驟H)后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為仿真的反向偏壓下600V級(jí)GaN肖特基二極管器件表面電場的強(qiáng)度分布圖。圖7a顯不了未被刻蝕的外延生長N-型GaN表面光潔度。圖7b顯示了經(jīng)優(yōu)化條件濕法刻蝕后N-型GaN的表面光潔度。圖8a顯示了 GaN肖特基二極管的逆向I-V曲線圖。圖8b顯示了 GaN肖特基二極管的正向I-V曲線圖。附圖中1、襯底；2、外延層；21、第一 GaN層;22、第二 GaN層；3、場限環(huán)；4、陰極；
5、陽極；6、緩沖層；7、凸部；8、凹部；9、環(huán)形場板；10、金屬層；11、ALN層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍作出更為清楚明確的界定。本發(fā)明的實(shí)施例中一種功率二極管器件，它包括相層疊設(shè)置的襯底I、緩沖層6、外延層2、ALN層11、場限環(huán)3、環(huán)形場板9、形成肖特基結(jié)的金屬層10，所述外延層2與陰極4相電連，所述金屬層10與陽極5相連。外延層2與陰極4相電連,金屬層10與陽極5相連。如附圖3和4所示，當(dāng)襯底I為導(dǎo)體時(shí)，陰極4可以設(shè)置在襯底I的背面。當(dāng)襯底I為絕緣體或?qū)щ娦圆涣嫉牟牧蠒r(shí)，陰極4可設(shè)置在第一 GaN層21的側(cè)面。襯底I由包括但不局限于藍(lán)寶石、碳化硅或硅中的一種或多種制成。緩沖層6由包括但不局限于GaN、AlN中的一種或多種制成。外延層2由GaN制成。外延層2包括層疊設(shè)置的第一 GaN層21以及第二 GaN層22，所述第一 GaN層21與緩沖層6相鄰，所述第二 GaN層22與環(huán)形場板9相鄰，所述第一GaN層21為η++型GaN，所述第二 GaN層22為η-型GaN或i_GaN，陰極4與所述第一 GaN層21相電連。其中第一 GaN層21的厚度為O. I-IOym0第二 GaN層22的厚度為1-20 μ m。在外延層2上設(shè)置有ALN層11，ALN層11的厚度為O. l_100nm。在ALN層11相對(duì)應(yīng)的位置上設(shè)置有場限環(huán)3，即在場限環(huán)3與外延層2之間設(shè)置有ALN層11。場限環(huán)3為P-GaN。場限環(huán)3的厚度為O. 01-3 μ m。
場限環(huán)3為一個(gè)或多個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，在場限環(huán)3的多個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)之間開設(shè)有多個(gè)溝槽。ALN層11上也開設(shè)有多個(gè)與場限環(huán)3的溝槽相對(duì)應(yīng)且連通的溝槽。因而ALN層11也呈環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形場板9的上部形成有多個(gè)呈環(huán)形的凹凸部7，環(huán)形場板9的凸部7的最高點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，環(huán)形場板9的最低點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環(huán)形場板9向外延層2的投影位于最靠近中心的場限環(huán)3內(nèi)，所述金屬層10覆蓋任一個(gè)環(huán)形場板9的凹部8。環(huán)形場板9的每個(gè)凹部8之間的寬度為O. 1-10 μ m。環(huán)形場板9的每個(gè)凹部8的最低點(diǎn)至凸部7的最高點(diǎn)的距離為O. 01-1 μ m。環(huán)形場板9相鄰兩個(gè)凸部7最高點(diǎn)之間的距離為O. 01-10 μ m。環(huán)形場板9的任一個(gè)凹部8向外延層2的投影至少部分的與所述場限環(huán)3相重合。環(huán)形場板9的下部插入ALN層11與場限環(huán)3溝通形成的溝槽中。從材料特性上分析，GaN是非常適合制備新型高性能功率電子器件的材料，所制器件性能可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的硅基功率電子器件。GaN具有比Si材料高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的擊 穿電場和更好的耐高溫能力。高擊穿電場使GaN肖特基二級(jí)管可以取代Si PIN高壓二極管。受PN結(jié)區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子存貯效應(yīng)的影響，PIN 二極管的開關(guān)速度又要比肖特基二極管慢很多，這對(duì)高效電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是非常不利的。采用基于寬禁帶半導(dǎo)體GaN的肖特基整流器恰恰可以解決以上矛盾。GaN肖特基二級(jí)管可以采用較小厚度和更高摻雜濃度的電壓阻斷層，從而器件的串聯(lián)電阻可以大大降低，使高電壓應(yīng)用成為可能。在場限環(huán)3上設(shè)置有環(huán)形場板9，環(huán)形場板9由絕緣材料制成。該種絕緣介質(zhì)可以是氮化娃SiNx、氧化娃SiOx等。如附圖5a_5g所示的第一實(shí)施例中的制備方法，它包括以下步驟
A)制備襯底I與緩沖層6，使用金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在緩沖層6上外延生長形成GaN外延層2 ；
B)在GaN外延層2上生長ALN層11；
C)在ALN層11上生長P-GaN層；
D)通過干法刻蝕，自P-GaN層上向下開設(shè)多個(gè)環(huán)形槽，該環(huán)形槽至少部分位于ALN層11內(nèi)；
E)通過濕法刻蝕去除被暴露在環(huán)形槽表面的ALN，選擇性的暴露第二GaN層22 ；
F)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法覆蓋絕緣介質(zhì)制作環(huán)形場板9；
G)在環(huán)形場板9上覆蓋金屬層10以形成肖特基結(jié)作為器件的陽極5；
H)采用半導(dǎo)體微加工方法制作器件的陰極4，，在器件背面蒸鍍金屬層10形成陽極5。將商用軟件TCAD對(duì)優(yōu)化了的600V級(jí)GaN肖特基二極管具有溝槽式P-型外延GaN加場板終端結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行模擬(見圖6);從仿真的結(jié)果看，器件在承壓600V時(shí)，肖特基電極附近的最高電場強(qiáng)度〈I. 7MV/cm，大大低于GaN材料的臨界擊穿電場強(qiáng)度(3MV/cm)。由此可看出，創(chuàng)新的溝槽式P-型外延GaN加場板終端結(jié)構(gòu)可保證肖特基器件承受大大超過設(shè)計(jì)要求的600V電壓，從而保證了功率二極管器件的穩(wěn)定性和可靠性。圖7a和圖7b對(duì)未被刻蝕的外延生長N-型GaN表面光潔度和經(jīng)優(yōu)化條件刻蝕后N-型GaN的表面光潔度的比較，可見刻蝕后的GaN表面仍然非常光潔，原子臺(tái)階清晰可見。器件的測試結(jié)果如圖8a和圖8b所示GaN肖特基二極管在反向耐壓900V時(shí)，漏電流小于200微安，也就是說器件擊穿電壓將大大超過900V ;同時(shí)，器件正向?qū)?A時(shí)，正向壓降不到2V。這個(gè)結(jié)果證明了此終端結(jié)構(gòu)和工藝可以使GaN肖特基二極管的反向耐壓達(dá)到理論預(yù)測值。改良后的終端結(jié)構(gòu)將能進(jìn)一步提高器件的Unclamped Inductive Switching(UIS)能力，顯著延長器件的使用生命周期。上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種功率二極管器件，其特征在于它包括相層疊設(shè)置的襯底、緩沖層、外延層、ALN層、場限環(huán)、環(huán)形場板、形成肖特基結(jié)的金屬層，所述場限環(huán)呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述ALN層為與所示場限環(huán)相對(duì)應(yīng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述外延層與陰極相電連，所述金屬層與陽極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所示的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板上形成有多個(gè)呈環(huán)形的凹凸部，環(huán)形場板的凸部的最高點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，環(huán)形場板的最低點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環(huán)形場板向外延層的投影位于最靠近中心的場限環(huán)內(nèi)，所述金屬層覆蓋任一個(gè)環(huán)形場板的凹部。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述襯底由包括但不局限于藍(lán)寶石、碳化硅或硅中的一種或幾種制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述緩沖層由包括但不局限于GaN、AlN中的一種或幾種制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板由絕緣材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板的任一個(gè)凹部向外延層的投影至少部分的與所述場限環(huán)相重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述外延層包括層疊設(shè)置的第一 GaN層以及第二 GaN層,所述第一 GaN層與緩沖層相鄰,所述第二 GaN層與ALN層相鄰，所述第一 GaN層為η++型GaN，所述第二 GaN層為η-型GaN或i_GaN，所述場限環(huán)為P_GaN，所述陰極與所述第一 GaN層相電連。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述第一GaN層的厚度為O. 1-10 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述第二GaN層的厚度為I-20 u ITio
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述場限環(huán)的厚度為O. 01-3 μ mD
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述ALN層的厚度為O.I-IOOnm0
12.—種如權(quán)利要求I所述的功率二極管器件的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟 A)制備襯底與緩沖層，使用金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在緩沖層上外延生長形成GaN外延層； B)在GaN外延層上生長ALN層； C)在ALN層上生長P-GaN層； D)通過干法刻蝕，自P-GaN層上向下開設(shè)多個(gè)環(huán)形槽，該環(huán)形槽至少部分位于ALN層內(nèi)； E)通過濕法刻蝕去除被暴露在環(huán)形槽表面的ALN完成場限環(huán)的制作； F)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法覆蓋絕緣介質(zhì)制作環(huán)形場板； G)在環(huán)形場板上覆蓋金屬層以形成肖特基結(jié)作為器件的陽極；H)采用半導(dǎo)體微加工方法制作器件·的陰極，在器件背面蒸鍍金屬層形成陽極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功率二極管器件，它包括相層疊設(shè)置的襯底、緩沖層、外延層、ALN層、場限環(huán)、環(huán)形場板、形成肖特基結(jié)的金屬層，所述外延層與陰極相電連，所述金屬層與陽極相連。環(huán)形場板上形成有多個(gè)呈環(huán)形的凹凸部，環(huán)形場板的凸部的最高點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，環(huán)形場板的最低點(diǎn)自該功率部件的內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環(huán)形場板向外延層的投影位于最靠近中心的場限環(huán)內(nèi)，所述金屬層覆蓋任一個(gè)環(huán)形場板的凹部。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102779858SQ201210265839
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者朱廷剛 申請(qǐng)人:江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司