一種異質結構整流二極體的製作方法
2023-06-02 00:37:21
一種異質結構整流二極體的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及整流二極體，具體涉及一種異質結構整流二極體。其包括依次排列的襯底、緩衝層、窄禁帶材料外延層、寬禁帶材料外延層、在寬禁帶材料外延層上設有的凹槽，在寬禁帶材料外延層的上表面設有兩個歐姆電極及和兩個歐姆電極中的一個歐姆電極連接的肖特基電極，肖特基電極從寬禁帶材料外延層的上表面延伸並填充至凹槽內。本實用新型中，位於肖特基電極之下的寬禁帶材料外延層很薄，導致該部分異質結界面的二維電子氣濃度與其他位置相比較低，且肖特基電極能夠完全耗盡二維電子氣，且陽極電壓稍大於零伏時二極體開啟，從而使得該二極體具有稍大於零伏的開啟電壓。本實用新型的異質結構整流二極體結構簡單，性能穩定，且能獲得低開啟電壓。
【專利說明】一種異質結構整流二極體
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及整流二極體，更具體地，涉及一種異質結構整流二極體。
【背景技術】
[0002]現代社會中，整流器在日常生活中應用越來越廣泛，涉及高壓供電、電能管理、工廠自動化和機動車能量分配管理等諸多領域，整流二極體是這些應用領域中不可或缺的組成部分。近年來，具有高頻、大功率、低功耗特性的肖特基二極體與PN結二極體等器件相t匕，以其獨特的性能優勢越來越引人注目。
[0003]目前有人提出了一種場效應肖特基二極體(FESBD)，該二極體具有導通電壓低、恢復時間短、反向擊穿電壓高等特點。該器件的Schottky (肖特基)電極採用雙接觸結構以獲得低的開啟電壓，低肖特基勢壘金屬為Al/Ti合金；高肖特基勢壘金屬為Pt。Ohmic (歐姆)電極材料為Al/Ti/Au合金，實現了低於0.1V的開啟電壓，並且獲得了高於400V的反向擊穿電壓。該FESBD工作原理如下:(1)當施加正向偏壓時，在AlGaN/GaN異質結面產生二維電子氣(2DEG)，正向電流從低肖特基勢壘金屬出發流向Ohmic電極，因此具有開啟電壓較低的特性；(2)當施加反向偏壓時,從低肖特基勢魚金屬出發流向Ohmic電極的電流被關斷，原因在於高肖特基勢壘電極對AlGaN/GaN異質結的作用。
[0004]另外還有一種Schottky-Ohmic複合結構AlGaN/GaN 二極體(S0CFED)。該器件在結構上與通過柵極下氟化物等離子體注入實現的增強型二極體類似，首先在高阻的Si (矽)襯底上生長GaN (氮化鎵)緩衝層，然後生長厚I μ m的GaN外延層和30nm的AlGaN層，再通過RIE (Reactive 1n Etching,反應離子刻蝕)向AlGaN層中選擇性注入氟化物等離子體，最後形成兩個電極，其中一個為Schottky-Ohmic複合結構電極,另一個為Ohmic電極。複合結構電極中的Schottky電極位於氟化物等離子體的上方，並與結構中另一 Ohmic電極相連。該方法利用了 AlGaN層中的氟陰離子來實現Schottky電極對AlGaN/GaN異質結二維電子氣的完全耗盡，最終獲得了接近O伏的開啟電壓，以及高於200V的擊穿電壓。
[0005]上述兩種二極體實現方法的相同點是都利用了 Schottky電極對異質結面二維電子氣導電溝道的控制作用，與傳統的Schottky 二極體相比，上述兩種二極體具有更低的開啟電壓。但在器件製作上，採用雙肖特基勢壘電極時工藝過程較複雜，而採用氟化物等離子體注入時會造成材料的損傷以及性能的不穩定。由此可見，在實現低開啟電壓的同時，如何簡化製作工藝，保護半導體表面形貌，是一個值得探討的問題。
實用新型內容
[0006]本實用新型為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種製作工藝簡單、具有低開啟電壓的異質結構整流二極體。
[0007]為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案如下:
[0008]一種異質結構整流二極體，包括依次排列的襯底、緩衝層、窄禁帶材料外延層、寬禁帶材料外延層，還包括在所述寬禁帶材料外延層中設有的凹槽，在寬禁帶材料外延層的上表面設有兩個歐姆電極以及和兩個歐姆電極中的其中一個歐姆電極連接的肖特基電極，所述肖特基電極從寬禁帶材料外延層的上表面延伸並填充至凹槽內。本實用新型中，位於肖特基電極之下的寬禁帶材料外延層很薄，導致該部分異質結界面的二維電子氣濃度與其他位置相比較低，並且肖特基電極能夠完全耗盡二維電子氣，且陽極電壓稍大於零伏時二極體開啟，從而使得該二極體具有稍大於零伏的開啟電壓。
[0009]作為一種優選的方案，所述凹槽通過掩膜進行二次外延生長形成，其設於第一層寬禁帶材料外延層之上並位於第二層寬禁帶材料外延層中，所述寬禁帶材料外延層為兩層結構，包括通過氣相外延生長法形成的第一層寬禁帶材料外延層和在通過選擇區域生長法形成的第二層寬禁帶材料外延層，所述第一層寬禁帶材料外延層與第二層寬禁帶材料外延層為相同組分的材料外延。異質結構整流二極體材料外延層包括在襯底上依次生長的緩衝層、窄禁帶材料外延層、第一層寬禁帶材料外延層、第二層寬禁帶材料外延層。
[0010]作為一種優選的方案，所述凹槽通過刻蝕形成於寬禁帶材料外延層中，所述寬禁帶材料外延層為通過氣相外延生長的一層結構，凹槽下有一層很薄的寬禁帶材料外延層，所述異質結整流二極體的材料外延層結構包括在襯底上依次生長的緩衝層、窄禁帶材料外延層、寬禁帶材料外延層。
[0011]作為一種優選的方案，兩個歐姆電極分別位於凹槽的兩旁側。
[0012]作為一種優選的方案，所述窄禁帶材料外延層的厚度為111111至1(^111。
[0013]作為一種優選的方案，所述的緩衝層厚度為20nm至3 μ m。
[0014]作為一種優選的方案。所述凹槽的深度為15nm至30nm，凹槽下或肖特基電極下寬禁帶材料外延層厚度為5nm至10nm。
[0015]作為一種優選的方案，所述寬禁帶材料外延層與窄禁帶材料外延層形成具有二維電子氣的異質結構；所述寬禁帶材料外延層/窄禁帶材料外延層為AlGaN/GaN結構層、InAlGaN/GaN 結構層、Al InN/GaN 結構層、AlGaAs/GaAs 結構層、AlPGaAs/GaAs 結構層、GaPAs/GaAs結構層、AllnP/InP結構層、AlAsInP/InP結構層等異質結構中的任意一種可以形成二維電子氣的異質結構。
[0016]與現有技術相比，本實用新型技術方案的有益效果是:
[0017]本實用新型的異質結構整流二極體結構簡單，性能穩定，而且能夠獲得低開啟電壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型中一種異質結構整流二極體具體實施例1的結構示意圖。
[0019]圖2為具體實施例1的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖一。
[0020]圖3為具體實施例1的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖二。
[0021]圖4為具體實施例1的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖三。
[0022]圖5為具體實施例1的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖四。
[0023]圖6為具體實施例1的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖五。
[0024]圖7為具體實施例1的異質結構整流二極體製備方法所形成的產品。
[0025]圖8為本實用新型中一種異質結構整流二極體具體實施例2的結構示意圖。
[0026]圖9為具體實施例2的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖一。
[0027]圖10為具體實施例2的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖二。
[0028]圖11為具體實施例2的異質結構整流二極體製備過程中的半成品結構圖三。
[0029]圖12為具體實施例2的異質結構整流二極體製備方法所形成的產品。
【具體實施方式】
[0030]附圖僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0031]為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；
[0032]對於本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
[0033]在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「旁側」等指示的方位或者位置關係為基於附圖所示的方位或者位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，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實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或隱含所指示的技術特徵的數量。由此，限定的「第一」、「第二」的特徵可以明示或隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本實用新型的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。
[0034]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以是通過中間媒介間接連接，可以說兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型的具體含義。
[0035]下面結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案做進一步的說明。
[0036]實施例1
[0037]如圖1所示，本具體實施例中的一種異質結構整流二極體，包括依次排列的襯底1、緩衝層2、窄禁帶材料外延層3、第一層寬禁帶材料外延層4、第二層寬禁帶材料外延層6，還包括在寬禁帶材料外延層中設有的凹槽，在寬禁帶材料外延層的上表面設有兩個歐姆電極7、8以及和兩個歐姆電極7、8中的其中一個歐姆電極連接的肖特基電極9，肖特基電極9從寬禁帶材料外延層的上表面延伸並填充至凹槽內。
[0038]本實用新型中，所述寬禁帶材料外延層與窄禁帶材料外延層3可以形成具有二維電子氣的異質結構，位於肖特基電極9之下的寬禁帶材料外延層很薄，導致該部分異質結界面的二維電子氣濃度與其他位置相比較低，並且肖特基電極9能夠完全耗盡二維電子氣，而且陽極電壓稍大於零伏時二極體開啟，從而使得該二極體具有稍大於零伏的開啟電壓。當施加在複合結構中肖特基電極9上的電壓為反向偏壓時，該二極體處於截止狀態；當施加在複合結構肖特基電極9上的電壓為大於開啟電壓的正向電壓時，該二極體導通，並且開啟電壓接近零伏。具體製作時，凹槽的深度和凹槽下寬禁帶材料外延層的厚度可以通過調節確定，以使得陽極電壓更靠近零伏和整流二極體特性最優化。
[0039]本具體實施例的異質結構整流二極體採用Schottky-Ohmic (肖特基-歐姆)複合結構實現對導電溝道的控制，實現低的開啟電壓。當施加在肖特基電極9上的電壓為反向偏壓時，肖特基電極9可以耗盡二維電子氣，關閉導電溝道，該異質結構整流二極體處於截止狀態；當施加在肖特基電極9上的電壓為稍大於開啟電壓的正向偏壓時，二維電子氣導電溝道打開，形成導電通路，該異質結構整流二極體導通，並且開啟電壓接近零伏。
[0040]在具體實施過程中，寬禁帶材料外延層可以採用如下結構實現:
[0041]如圖1所示，寬禁帶材料外延層包括通過氣相外延生長法形成的第一層寬禁帶材料外延層4和在通過選擇區域生長法形成的第二層寬禁帶材料外延層6，襯底1、緩衝層2、窄禁帶材料外延層3、第一層寬禁帶材料外延層4、第二層寬禁帶材料外延層6依次排列。第一層寬禁帶外延層4和第二層寬禁帶材料外延層6為相同組分的材料外延。優選地，凹槽通過掩膜進行二次外延生長形成，其設於第一層寬禁帶材料外延層4之上並位於第二層寬禁帶材料外延層6中。
[0042]在具體實施過程中，兩個歐姆電極7、8分別位於凹槽的兩旁側，便於肖特基電極9與其中的一個歐姆電極連接並且便於肖特基電極9延伸至凹槽內。
[0043]在具體實施過程中，緩衝層2的生長和厚度根據襯底I和窄禁帶材料外延層3的不同而變化，優選地，其厚度為20nm至3μπι。
[0044]在具體實施過程中，窄禁帶材料外延層3的厚度根據襯底I材料和緩衝層2材料的不同而設置具體的厚度，優選地，其厚度為14!11至1(^1]1。
[0045]在具體實施過程中，寬禁帶材料外延層的厚度根據外延材料的不同而設置具體的厚度，優選地，凹槽的深度為15nm至30nm，凹槽下或肖特基電極下寬禁帶材料外延層厚度為 5nm 至 1nm0
[0046]在具體實施過程中，寬禁帶材料外延層/窄禁帶材料外延層組成的異質結構可以米用 AlGaN/GaN 結構層、InAlGaN/GaN 結構層、AlInN/GaN 結構層、AlGaAs/GaAs 結構層、AlPGaAs/GaAs結構層、GaPAs/GaAs結構層、AllnP/InP結構層、AlAsInP/InP結構層中任意一種可以形成二維電子氣的異質結構。
[0047]在具體實施過程中，襯底I可以採用藍寶石襯底、Si襯底、SiC襯底、GaN襯底等。
[0048]具體實施過程中，兩個歐姆電極7、8可以採用與異質結構的材料形成歐姆接觸的多層金屬合金。
[0049]下面，詳細通過具體的實例來說明本具體實施例中的異質結構整流二極體的製備方法。在本實例的製備方法中，襯底I採用Si襯底10，緩衝層2可採用AlN/GaN緩衝層20，窄禁帶材料外延層3採用GaN外延層30，第一層寬禁帶材料外延層4採用第一層AlGaN層40，第二層寬禁帶材料外延層6採用第二層AlGaN層60。具體的製備方法如下:
[0050]A、如圖2所示，在Si襯底10上，利用MOCVD (氣相外延生長)方法，首先生長AlN/GaN緩衝層20，然後控制生長條件在其上生長GaN外延層30，最後生長第一層AlGaN層40。
[0051]B、如圖3所示，在所述第一層AlGaN層40上，首先利用PECVD (等離子體增強化學氣相沉積法)方法澱積Si02掩蔽膜，然後在第一層AlGaN層40上光刻圖形後溼法腐蝕去除部分Si02掩蔽膜，保留形成凹槽和肖特基電極接觸區域之上的Si02掩蔽膜50。
[0052]C、如圖4和5所示，在第一層AlGaN層40上的Si02掩蔽膜50之外的部分，利用選擇區域生長的方法，使用MOCVD生長與第一層AlGaN層40具有相同組分的第二層AlGaN層60。最後利用溼法腐蝕去除Si02掩蔽膜50，形成凹槽13。
[0053]D、如圖6所示，通過蒸鍍的方法，在二次生長的第二層AlGaN層60上依次形成能與AlGaN/GaN形成歐姆接觸的Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au等歐姆電極7和8，兩個歐姆電極7和8分別位於凹槽13的兩旁側。
[0054]E、如圖7所示，選擇性蒸鍍與兩個歐姆電極7或8相連的肖特基電極9，所述肖特基電極9的材質為能夠與AlGaN/GaN形成良好肖特基接觸的金屬或者合金，例如Ni/Au或者Pt/Au,從而最終形成Schottky-Ohmic複合結構AlGaN/GaN 二極體。
[0055]其中的掩蔽膜50可採用Si02、SiN等介質材料。
[0056]實施例2
[0057]本實施例與實施例1不同的是，如圖8所示，寬禁帶材料外延層11為一層結構，凹槽13通過刻蝕形成於寬禁帶材料外延層11上。在此結構下，凹槽13通過刻蝕方法形成。
[0058]下面，詳細通過具體的實例來說明本具體實施例中的異質結構整流二極體的製備方法。在本實例的製備方法中，襯底I採用Si襯底10，緩衝層2採用AlN/GaN緩衝層20，窄禁帶材料外延層3採用GaN外延層30，寬禁帶材料外延層11採用AlGaN層110。
[0059]具體的製備方法如下:
[0060]A、如圖9所示，在Si襯底10上，利用MOCVD方法，首先生長AlN/GaN緩衝層20，然後控制生長條件在其上生長GaN外延層30，最後生長AlGaN層110。
[0061]B、如圖10所示，在AlGaN層110上形成AlGaN層110的掩蔽膜12開出刻蝕窗口，利用幹法或溼法刻蝕形成凹槽13。
[0062]C、如圖11所示，通過蒸鍍的方法，在AlGaN層110上依次形成兩個歐姆電極7和8，且所述歐姆電極7和8分別位於凹槽13的兩側。歐姆電極為可與AlGaN/GaN形成歐姆接觸的Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au等多層金屬合金。
[0063]D、如圖12所示，選擇性蒸鍍與歐姆電極7或8相連的肖特基電極9，所述肖特基電極9的材質為能夠與AlGaN/GaN形成良好肖特基接觸的金屬或者合金，例如Ni/Au或者Pt/Au,從而最終形成Schottky-Ohmic複合結構AlGaN/GaN整流二極體。
[0064]其中的掩蔽膜12可採用光刻膠、Ni金屬層等介質材料。
[0065]相同或相似的標號對應相同或相似的部件；
[0066]附圖中描述位置關係的用於僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0067]顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型權利要求的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種異質結構整流二極體，包括依次排列的襯底、緩衝層、窄禁帶材料外延層、寬禁帶材料外延層，還包括在所述寬禁帶材料外延層上設有的凹槽，在寬禁帶材料外延層的上表面設有兩個歐姆電極以及和兩個歐姆電極中的其中一個歐姆電極連接的肖特基電極，其特徵在於，所述肖特基電極從寬禁帶材料外延層的上表面延伸並填充至凹槽內； 所述窄禁帶材料外延層的厚度為I μ m至10 μ m ; 所述緩衝層的厚度為20nm至3 μ m ; 凹槽的深度為15nm至30nm,凹槽下或肖特基電極下寬禁帶材料外延層厚度為5nm至1nm ； 所述寬禁帶材料外延層與窄禁帶材料外延層形成具有二維電子氣的異質結構；所述寬禁帶材料外延層/窄禁帶材料外延層為InAlGaN/GaN結構層、AlInN/GaN結構層、AlGaAs/GaAs 結構層、AlPGaAs/GaAs 結構層、GaPAs/GaAs 結構層、AllnP/InP 結構層、AlAsInP/InP結構層中的任意一種可以形成二維電子氣的異質結構。
2.根據權利要求1所述的異質結構整流二極體，其特徵在於，所述凹槽通過選擇區域生長的方法二次生長形成，凹槽設於第一層寬禁帶材料外延層之上並位於第二層寬禁帶材料外延層中；所述異質結整流二極體的材材料外延結構包括在襯底上依次生長的緩衝層、窄禁帶材料外延層、第一層寬禁帶材料外延層、第二層寬禁帶材料外延層。
3.根據權利要求1所述的異質結構整流二極體，其特徵在於，所述凹槽通過刻蝕形成於寬禁帶材料外延層中，凹槽下有一層很薄的寬禁帶材料外延層，所述異質結整流二極體的材料外延層結構包括在襯底上依次生長的緩衝層、窄禁帶材料外延層、寬禁帶材料外延層。
4.根據權利要求1所述的異質結構整流二極體，其特徵在於，兩個歐姆電極分別位於凹槽的兩旁側。
【文檔編號】H01L29/41GK204067372SQ201320872366
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】張仙 申請人:廣州吉日嘉禾電子科技發展有限公司