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(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)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(fā)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(jié)構(gòu)層，形成于所述GaN外延層上；第一金屬結(jié)構(gòu)，形成于所述GaN結(jié)構(gòu)層以及各GaN結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，位于所述GaN襯底的背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。本發(fā)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(dǎo)致的器件性能的退化，可以很好的應(yīng)用于功率電子領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及混合PIN肖特基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基混合P IN肖特基(MPS )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。
[0004]MPS 二極管兼具PIN 二極管和肖特基二極管(SBD)的優(yōu)勢。當(dāng)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(qū)需要很高的工藝復(fù)雜度，基于此法制備的GaN MPS器件很難獲得良好的電學(xué)指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種電學(xué)指標(biāo)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(fā)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(dǎo)電類型和第一摻雜濃度；
第一導(dǎo)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層，其以一定間隔形成于所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上；多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層，其以一定間隔形成于所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上；
以及，第一金屬結(jié)構(gòu)，形成于所述第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層以及各第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層之間的所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上，與所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。
[0007]進(jìn)一步，本發(fā)明還包括:第二金屬結(jié)構(gòu)，位于所述GaN襯底的背面，與所述GaN襯底形成歐姆接觸。
[0008]進(jìn)一步，所述第一導(dǎo)電類型為η型，所述第二導(dǎo)電類型為P型。
[0009]進(jìn)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(yōu)選為，η型GaN外延層的厚度為3?50 μηι，ρ型GaN結(jié)構(gòu)層的厚度為0.1?Ιμπι。[0011 ]本發(fā)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(dǎo)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(dǎo)電類型GaN外延層;在所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上形成以一定間隔分布的多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層；以及，
在所述第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層以及各所述第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層之間的第一導(dǎo)電類型GaN外延層上形成第一金屬結(jié)構(gòu)，與所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。
[0012]進(jìn)一步，在形成第一金屬結(jié)構(gòu)前，包括如下步驟:在所述GaN襯底的背面形成第二金屬結(jié)構(gòu)，所述GaN襯底與所述第二金屬結(jié)構(gòu)間形成歐姆接觸。
[0013]進(jìn)一步，形成多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層，包括如下步驟:在所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上外延形成第二導(dǎo)電類型GaN外延層;在所述第二導(dǎo)電類型GaN外延層上形成犧牲層；以及，對所述第二導(dǎo)電類型GaN層進(jìn)行圖案化，使部分所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層暴露，形成以一定間隔分布的多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層。
[0014]進(jìn)一步，所述第一導(dǎo)電類型為η型，所述第一摻雜濃度大于IX 1018cm—3。
[0015]進(jìn)一步，所述第二導(dǎo)電類型為P型，P型GaN結(jié)構(gòu)層的摻雜濃度為2X 1017cm—3。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，能夠直接在GaN基片上制備出垂直結(jié)構(gòu)的MPS器件，避免了由于位錯問題導(dǎo)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(jié)構(gòu)的功率器件由于電流崩塌效應(yīng)對器件可靠性的影響，有助于更好的應(yīng)用在功率電子領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0017]圖1是形成第一導(dǎo)電類型GaN外延層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是形成第二導(dǎo)電類型GaN外延層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是形成犧牲層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是形成多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖5是形成第一金屬結(jié)構(gòu)后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖6是形成第二金屬結(jié)構(gòu)后的器件結(jié)構(gòu)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)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(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。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語〃上〃、〃下〃 〃〃頂〃、〃底〃等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)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(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。術(shù)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(shù)特征的數(shù)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(jié)合附圖，針對本發(fā)明所涉及的GaN基混合MPS二極管進(jìn)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(dǎo)電類型，例如可以為η型重?fù)诫s的GaN襯底，摻雜濃度大于IX 1018cm—3，當(dāng)然根據(jù)需要也可以為P型GaN襯底。
[0029]第一導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)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(dǎo)電類型。也就是說當(dāng)GaN外延層101的導(dǎo)電類型為η型時，GaN結(jié)構(gòu)層102的導(dǎo)電類型為P型，當(dāng)GaN外延層101的導(dǎo)電類型為P型時，GaN結(jié)構(gòu)層102的導(dǎo)電類型為η型。GaN結(jié)構(gòu)層102的摻雜濃度可以根據(jù)不同情況而進(jìn)行設(shè)定，例如P型摻雜的GaN結(jié)構(gòu)層，摻雜濃度為2 X 117Cnf3XaN結(jié)構(gòu)層102丨的厚度例如可以是0.5μπι。
[0031 ] 第一金屬結(jié)構(gòu)104，形成于GaN結(jié)構(gòu)層102'以及各GaN結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)104例如可以為金屬鎳/金復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)，可以包括金、鈀、銀、鎳及其組合等的金屬。
[0032]優(yōu)選地，GaN基混合MPS 二極管還包括第二金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)105例如可以為金屬鈦/金復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)，可以包括金、鈦、鎢、鉭、鈀及其組合等的金屬。
[0033]在上述結(jié)構(gòu)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(jìn)行說明。
[0035]在步驟SI中，提供具有第一導(dǎo)電類型的GaN襯底100。在本實施例中GaN襯底100的導(dǎo)電類型為η型，摻雜濃度優(yōu)選為重?fù)诫s，更為優(yōu)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(dǎo)電類型GaN外延層101，即與GaN襯底100導(dǎo)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(xué)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(yōu)選為2X 1016cm—3?？梢酝ㄟ^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(dǎo)電類型GaN外延層101后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]在步驟S3中，在第一導(dǎo)電類型GaN外延層101上形成以一定間隔分布的多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)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(dǎo)電類型GaN外延層101上外延形成第二導(dǎo)電類型GaN外延層102，其具有與GaN外延層101相反的導(dǎo)電類型。也就是說當(dāng)GaN外延層101的導(dǎo)電類型為η型時，GaN結(jié)構(gòu)層102的導(dǎo)電類型為P型，當(dāng)GaN外延層101的導(dǎo)電類型為P型時，GaN結(jié)構(gòu)層102的導(dǎo)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(yōu)選為2Χ 117Cm―3，厚度優(yōu)選為0.5μπι?？梢酝ㄟ^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(dǎo)電類型GaN外延層102后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]步驟S32，在第二導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖。例如，采用等離子體增強化學(xué)氣相淀積法(PECVD)生長?10nm厚的氮化硅作為犧牲層103。當(dāng)然也可以采用其他合適材料例如氧化硅等和常規(guī)生成方法形成犧牲層。
[0039]步驟S33，對第二導(dǎo)電類型GaN外延層102進(jìn)行圖案化。懸涂負(fù)性光刻膠，進(jìn)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(dǎo)電類型GaN外延層102進(jìn)行干法刻蝕，使部分第一導(dǎo)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層后的器件器件結(jié)構(gòu)示意圖。但是本發(fā)明不限定于此，可以采用本領(lǐng)域中常規(guī)光刻工藝實現(xiàn)第二導(dǎo)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層102'以及第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層102'之間的第一導(dǎo)電類型GaN外延層101上形成第一金屬結(jié)構(gòu)104。其中，第一金屬結(jié)構(gòu)104與第一導(dǎo)電類型GaN外延層101形成肖特基接觸，與第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)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(qū)域，在器件頂部蒸鍍金屬鎳/金復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)。但是本發(fā)明不限定于此，第一金屬結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(jié)構(gòu)后的器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)105，GaN襯底100與第二金屬結(jié)構(gòu)105間形成歐姆接觸。但是，本發(fā)明不限定于此，在另一實施例中，在步驟S4進(jìn)行步驟S5，也就是說在形成第一金屬結(jié)構(gòu)104的前在GaN襯底100的背面形成第二金屬結(jié)構(gòu)105。第二金屬結(jié)構(gòu)105可以為一層或更多層歐姆金屬。例如，第二金屬結(jié)構(gòu)105可以包含鈦/金歐姆金屬?？梢允褂冒ǖ幌抻阡X、鎳、金及其組合等的其他金屬和/或合金。第二金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后的器件結(jié)構(gòu)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(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。
[0043]根據(jù)本發(fā)明，能夠直接在GaN基片上制備出垂直結(jié)構(gòu)的MPS器件，避免了由于位錯問題導(dǎo)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(jié)構(gòu)的功率器件由于電流崩塌效應(yīng)對器件可靠性的影響，有助于更好的應(yīng)用在功率電子領(lǐng)域。
[0044]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(dǎo)電類型和第一摻雜濃度； 第一導(dǎo)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層，其以一定間隔形成于所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上；以及， 第一金屬結(jié)構(gòu)，形成于所述第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層以及各第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層之間的所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上，與所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。2.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)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(dǎo)電類型為η型，所述第二導(dǎo)電類型為P型。4.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)電類型GaN外延層； 在所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上形成以一定間隔分布的多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層；以及， 在所述第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層以及各所述第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層之間的第一導(dǎo)電類型GaN外延層上形成第一金屬結(jié)構(gòu)，與所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層之間形成肖特基接觸。7.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)前，包括如下步驟:在所述GaN襯底的背面形成第二金屬結(jié)構(gòu)，所述GaN襯底與所述第二金屬結(jié)構(gòu)間形成歐姆接觸。8.根據(jù)權(quán)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(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層包括如下步驟: 在所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層上外延形成第二導(dǎo)電類型GaN外延層； 在所述第二導(dǎo)電類型GaN外延層上形成犧牲層；以及， 對所述第二導(dǎo)電類型GaN層進(jìn)行圖案化，使部分所述第一導(dǎo)電類型GaN外延層暴露，形成以一定間隔分布的多個第二導(dǎo)電類型GaN結(jié)構(gòu)層。9.根據(jù)權(quán)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(dǎo)電類型為η型，所述第一摻雜濃度大于I X 1018cm—3。10.根據(jù)權(quán)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(dǎo)電類型為P型，P型GaN結(jié)構(gòu)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(fā)明人】陳琳, 戴亞偉, 張宇, 李起鳴, 孫清清, 張衛(wèi)
【申請人】復(fù)旦大學(xué), 鎵特半導(dǎo)體科技（上海）有限公司