專利名稱：一種復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaN基功率器件領(lǐng)域，尤其涉及一種Schottky-Ohmic復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管及其制作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會中，電子電力技術(shù)不斷發(fā)展，穩(wěn)壓器、整流器、逆變器等電子器件在日常生活中應(yīng)用越來越廣泛，涉及高壓供電、電能管理、工廠自動化和機(jī)動車能量分配管理等諸多領(lǐng)域。二極管和開關(guān)器件是這些應(yīng)用領(lǐng)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管與PN結(jié)二極管等器件相比，以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢越來越引人注目。 傳統(tǒng)的功率型肖特基二極管主要采用Si材料制作。由于禁帶寬度、電子遷移率等材料特性本身的限制，硅基功率器件的性能已經(jīng)接近其理論極限，不能滿足當(dāng)今高頻、高溫及大功率的需求。為了突破Si材料的理論極限，人們已著手尋找具有更優(yōu)性能的材料。
GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、電子飽和漂移速率高、熱穩(wěn)定性良好等特點。當(dāng)AlGaN/GaN形成異質(zhì)結(jié)時，由于大的能帶帶階及壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，可產(chǎn)生高達(dá)1013/cm2的二維電子氣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)III-V族電子器件中二維電子氣的濃度?；贕aN材料系的以上優(yōu)勢，耐高溫、高頻、大功率肖特基二極管(SBD)的研究方興未艾，關(guān)鍵技術(shù)圍繞著提高擊穿電壓、增大正向電流、減小正向壓降和開啟電壓等方面不斷創(chuàng)新發(fā)展。 Furukawa電子公司的Uemoto等人在研究高效逆變器(inverter)時，提出了一種場效應(yīng)肖特基二極管(FESBD)。該二極管具有導(dǎo)通電壓低、恢復(fù)時間短、反向擊穿電壓高等特點。該器件的Schottky電極采用雙接觸結(jié)構(gòu)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電極材料為Al/Ti/Au合金。實現(xiàn)了低于0. IV的開啟電壓，并且獲得了高于400V的反向擊穿電壓。該FESBD工作原理如下(l)當(dāng)施加正向偏壓時，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)面產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)，正向電流從低肖特基勢壘金屬出發(fā)流向Ohmic電極，因此具有開啟電壓較低的特性；(2)當(dāng)施加反向偏壓時，從低肖特基勢壘金屬出發(fā)流向Ohmic電極的電流被關(guān)斷，原因在于高肖特基勢壘電極對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的場效應(yīng)作用。參見文獻(xiàn)S. Yoshida，et al. ， 〃 AlGaN/GaNfield effect Schottkybarrier diode(FESBD)〃 ， phys.stat. sol. (c) ， vol. 2， no. 7， pp.2602 2606， 2005。
Sharp公司的Takatani等人提出了另一種Schottky-Ohmic復(fù)合結(jié)構(gòu)AIGaN/GaN場效應(yīng)二極管(SOCFED)。該器件在結(jié)構(gòu)上與通過柵極下氟化物等離子體注入實現(xiàn)的增強(qiáng)型場效應(yīng)管類似，首先在高阻的Si襯底上生長GaN緩沖層，然后生長厚1 P m的GaN外延層和30nm的AlGaN層，再通過RIE向AlGaN層中選擇性注入氟化物等離子體，最后形成兩個電極，其中一個為Schottky-Ohmic復(fù)合結(jié)構(gòu)電極，另一個為Ohmic電極。復(fù)合結(jié)構(gòu)電極中的Schottky電極位于氟化物等離子體的上方，并與結(jié)構(gòu)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(xiàn)Schottky電極對AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)二維電子氣的完全耗盡，最終獲得了接近0伏的開啟電壓，以及高于200V的擊穿電壓。參見文獻(xiàn)
K.Takatani，et al. ，〃 AlGaN/GaN Schottky-ohmic combined anode field effectdiodewith fluoride-based plasma treatment" ， ELECTRONICS LETTERS, vol.44， no.4，2008。幾乎同時，香港科技大學(xué)的Chen等人提出了一種AlGaN/GaN橫向型場效應(yīng)整流器(L-FER)，同時復(fù)合了 AlGaN/GaN增強(qiáng)場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)。該L-FER與Takatani等人提出的AlGaN/GaNSOCFED結(jié)構(gòu)上完全一致。在制作工藝上，AlGaN/GaN L-FER與AlGaN/GaN增強(qiáng)型場效應(yīng)管相似，并且都獲得了低的開啟電壓，為GaN功率集成電路提供了一種低損耗的解決方案。該L-FER的正向開啟電壓為O. 63V，此時電流密度為100A/cm2 ;器件展示了 390V的反向擊穿電壓(BV)，此時電流為lmA/mm，比導(dǎo)通電阻(R。n, sp)為1. 4mQ cm2，品質(zhì)因子(BV2/R。n, sp)為108MV/cm2。 參見文獻(xiàn)Wanj皿 Chen， et al. ， 〃 High-performance AlGaN/GaNlateralfield-effect rectifiers compatible with high electron mobilitytransistors〃 ，Appl. Phys. Lett. ， vol. 92， 253501， 2008。 上述兩種GaN基場效應(yīng)二極管實現(xiàn)方法的相同點是都利用了 Schottky電極對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)面二維電子氣導(dǎo)電溝道的控制作用。與傳統(tǒng)的GaN基功率型Schottky二極管相比，上述兩種二極管具有更低的開啟電壓。但在器件制作上，采用雙肖特基勢壘電極時工藝過程較復(fù)雜，而采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(wěn)定。由此可見，在實現(xiàn)低開啟電壓的同時，如何簡化制作工藝，保護(hù)半導(dǎo)體表面形貌，是一個值得探討的問題。 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種器件結(jié)構(gòu)簡單、無離子注入或刻蝕造成的材料損傷、性能穩(wěn)定、可獲得低開啟電壓的Schottky-0hmic復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管及其制作方法。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，包括以下步驟 A、依次在襯底上生長緩沖層、GaN外延層、第一AlGaN層；本發(fā)明中的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，其開啟電壓可以通過第一層AlGaN層的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，很方便實現(xiàn)低的開啟電壓。 B、在所述第一 AlGaN層上淀積一層介質(zhì)掩蔽膜，并通過光刻的方法保留形成Schottky區(qū)域之上的掩蔽膜； C、在未被掩蔽的第一 AlGaN層上選擇區(qū)域生長(SAG)和第一 AlGaN層同樣Al組分的第二 AlGaN層，并腐蝕去除介質(zhì)掩蔽膜，形成凹槽；這樣采用選擇區(qū)域生長(SAG)的方法二次生長形成的Schottky電極蒸鍍窗口，即所述凹槽結(jié)構(gòu)，與氟離子注入或等離子刻蝕方法相比提高了器件工作的可靠性。 D、光刻圖形后在第二 AlGaN層上形成兩個0hmic電極，并合金形成歐姆接觸；
E、再次光刻圖形后，蒸鍍Schottky電極，所述Schottky電極填充至所述凹槽內(nèi)，并與兩個0hmic電極之一相連。這樣就形成了 Schottky-0hmic的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
步驟D中，通過蒸鍍并合金形成的兩個歐姆電極，它們材質(zhì)為Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au，且分別位于凹槽的兩側(cè)，以此形成互不接觸的兩極
發(fā)明內(nèi)容
步驟E中，所述Schottky電極為Ni/Au或Pt/Au。 步驟A、B中，采用MOCVD方法在110(TC的溫度下依次在襯底上生長緩沖層、GaN外延層、第一AlGaN層，所述襯底為藍(lán)寶石或Si或SiC或GaN ;所述掩蔽膜為Si02或SiN ;GaN外延層3的厚度為1 10 ii m，第一 AlGaN層的厚度為5 10nm。 步驟C中，用M0CVD法在110(TC下生長，所述第二 AlGaN層(6)的厚度為15 30nm。所述第一 AlGaN層及第二 AlGaN層的Al組分相同，分別為20 % 30 % 。
本發(fā)明同時也提供一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，由下至上依次包括襯底、緩沖層、GaN外延層、第一 AlGaN層、第二 AlGaN層，在所述第二 AlGaN層還設(shè)有延伸至第一 AlGaN層的凹槽，還包括設(shè)置于第二 AlGaN層上表面的兩個歐姆電極，以及和兩個歐姆電極之一連接的Schottky電極，所述Schottky電極填充至所述凹槽內(nèi)。所述兩個歐姆電極分別位于凹槽的兩側(cè)。所形成的Schottky-Ohmic接觸復(fù)合結(jié)構(gòu)中，Schottky接觸用來實現(xiàn)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)二維電子氣的控制。 所述的AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，由于復(fù)合結(jié)構(gòu)中位于Schottky電極之下的第一AlGaN層很薄，導(dǎo)致該部分AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣濃度與其他位置相比較低，并且Schottky電極能夠完全耗盡二維電子氣導(dǎo)電溝道，從而使得該二極管具有稍大于零伏的開啟電壓。利用復(fù)合結(jié)構(gòu)中的Schottky來實現(xiàn)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電溝道的控制，在理論上與凹柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)AlGaN/GaN增強(qiáng)型場效應(yīng)管相同。當(dāng)施加在復(fù)合結(jié)構(gòu)中Schottky電極上的電壓為反向偏壓時，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)施加在復(fù)合結(jié)構(gòu)Schottky電極上的電壓為大于開啟電壓的正向電壓時，二極管導(dǎo)通，并且開啟電壓接近零伏。
與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的GaN基功率型Schottky 二極管相比，本發(fā)明具有開啟電壓低的顯著優(yōu)勢；與現(xiàn)有場效應(yīng)二極管技術(shù)相比，采用選擇區(qū)域生長的方法來獲得凹槽型AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，避免了氟化物等離子體注入方法引起的材料損傷，提高了器件工作的可靠性，同時獲得了低的開啟電壓。此外，本發(fā)明提供的器件結(jié)構(gòu)相對簡單，有利于工藝過程的實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制造方法示意圖； 圖2為本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。 1為藍(lán)寶石襯底，2為A1N緩沖層，3為GaN外延層，4為第一 AlGaN層，5為Si02掩
蔽膜，6為第二AlGaN層，7和8為0hmic電極，9為Schottky電極。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
實施例 如附圖1所示，為本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制造方法示意圖，包含以下步驟 A、如圖1(a)所示，在藍(lán)寶石襯底1上，利用M0CVD方法，在生長溫度為IIO(TC的條件下，以H2和NH3作為保護(hù)氣，首先生長一層20 30nm厚度的A1N緩沖層2，然后控制生長條件在其上生長2微米厚度的GaN外延層3，最后保持110(TC左右的生長溫度，并控制反應(yīng)室中通入的Al源和Ga源流量，生長5 10nm厚度的第一 AlGaN層4，完成第一 AlGaN層的生長。 B、如圖1(b)所示，在所述第一AlGaN層4上，首先利用PECVD方法在25(TC下淀積100nm厚度的Si02掩蔽膜，然后在第一 AlGaN層4上光刻圖形后濕法腐蝕去除部分Si02掩蔽膜，保留形成Schottky接觸區(qū)域之上的Si02掩蔽膜5。 C、如圖1 (c) 、 (d)所示，在第一 AlGaN層4上Si02掩蔽膜5之外的部分，利用選擇區(qū)域生長的方法，使用M0CVD在IIO(TC下生長15 30nm厚度的和第一 AlGaN層4同樣Al組分的第二 AlGaN層6。最后利用濕法腐蝕去除Si02掩蔽膜5，形成凹槽10。
D、如圖1(e)所示，通過蒸鍍的方法，在二次生長的第二AlGaN層6上依次形成能與AlGaN/GaN形成歐姆接觸的金屬或合金，例如Ti/Al/Ni/Au歐姆電極7和8，并合金之后形成歐姆接觸，且所述歐姆電極7和8分別位于凹槽10的兩側(cè)。 E、如圖1 (f)所示，選擇性蒸鍍與0hmic電極7或8相連的的Schottky電極9，所述Schottky電極9的材質(zhì)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-0hmic復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管。
步驟A中襯底也可選用Si、SiC、GaN等材料，緩沖層的生長根據(jù)襯底材料的不同而變化，GaN外延層的厚度范圍為1-10 m。 步驟A、B中第一 AlGaN層4和利用選擇區(qū)域生長的方法二次生長的第二 AlGaN層6，采用的A1組分相同，范圍為20% 30%，其中優(yōu)先采用30% Al組分比的AlGaN比作為勢壘層，即Al。.3Ga。.7N。其中的掩蔽膜5可采用Si02、 SiN等介質(zhì)材料。
步驟D中歐姆電極7和8也可選用Ti/Al/Pt/Au。 本發(fā)明中的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由下至上依次包括藍(lán)寶石襯底l、AlN緩沖層2、GaN外延層3、第一AlGaN層4、第二AlGaN層6，在所述第二 AlGaN層6還設(shè)有凹槽10，還包括設(shè)置于第二 AlGaN層6上表面的歐姆電極7和8，以及和歐姆電極7或8連接的Schottky電極9，所述Schottky電極9填充至所述凹槽10內(nèi)，即和第一 AlGaN層4層接觸，且在第一 AlGaN層4上除Schottky電極9區(qū)域外的其他部分覆蓋有第二AlGaN層6，0hmic電極7和與之相連的Schottky電極9 一起形成Schottky-Ohmic復(fù)合結(jié)構(gòu)的電極。所述歐姆電極7和8分別位于凹槽10的兩側(cè)，且所述凹槽10從第二AlGaN層6延伸至第一 AlGaN層4。此外所述第一 AlGaN層4厚度為5 10nm，第二 AlGaN層6厚度為15 30nm，第一AlGaN層4與第二AlGaN層6的A1組分相同，范圍為20% 30%。 以上對本發(fā)明所提供的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管及其制作方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實施例的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，包括以下步驟A、依次在襯底(1)上生長緩沖層(2)、GaN外延層(3)、第一AlGaN層(4)；B、在所述第一AlGaN層(4)上淀積一層介質(zhì)掩蔽膜，并通過光刻的方法保留形成Schottky區(qū)域之上的掩蔽膜(5)；C、在未被掩蔽的第一AlGaN層(4)上選擇區(qū)域生長和第一AlGaN層(4)同樣Al組分的第二AlGaN層(6)，并腐蝕去除介質(zhì)掩蔽膜(5)，形成凹槽(10)；其特征在于，還包括以下步驟D、光刻圖形后在第二AlGaN層(6)上形成兩個Ohmic電極(7)、(8)，并合金形成歐姆接觸；E、再次光刻圖形后蒸鍍Schottky電極(9)，所述Schottky電極(9)填充至所述凹槽(10)內(nèi)，并與Ohmic電極(7)或(8)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，其特征在于 步驟D中，通過蒸鍍形成歐姆電極(7)和(8)，它們材質(zhì)為Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Pt/Au，且 分別位于凹槽(10)的兩側(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，其特征 在于步驟E中，所述Schottky電極(9)為Ni/Au或Pt/Au。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，其特征在于 步驟A、B中，采用MOCVD方法在110(TC的溫度下依次在襯底(1)上生長緩沖層(2)、GaN外 延層(3)、第一AlGaN層(4)，所述襯底(1)為藍(lán)寶石或Si或SiC或GaN ;所述掩蔽膜(5)為 Si02或SiN ;GaN外延層(3)的厚度為1 10 y m，第一 AlGaN層(4)的厚度為5 10nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，其特征在于 步驟C中，用MOCVD法在1100。C下生長，所述第二AlGaN層(6)的厚度為15 30nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，其特征在于 第一AlGaN層(4)及第二AlGaN層(6)的Al組分均為20% 30%。
7. —種復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，由下至上依次包括襯底(1)、緩沖層(2)、 GaN外延層(3)、第一AlGaN層(4)、第二AlGaN層(6)，在所述第二 AlGaN層(6)還設(shè)有延 伸至第一AlGaN層(4)的凹槽(10)，其特征在于還包括設(shè)置于第二AlGaN層(6)上表面的 歐姆電極(7)和(8)，以及和歐姆電極(7)或(8)連接的Schottky電極(9)，所述Schottky 電極(9)填充至所述凹槽(10)內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，其特征在于所述歐姆 電極(7)和(8)分別位于凹槽(10)的兩側(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，其特征在于所述第一 AlGaN層(4)厚度為5 10nm，第二 AlGaN層(6)厚度為15 30nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9任一項所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，其特征在 于第一AlGaN層(4)與第二AlGaN層(6)的Al組分相同，范圍為20% 30% 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管的制作方法，包括A、依次在襯底上生長緩沖層、GaN外延層、第一AlGaN層；B、在第一AlGaN層上生成掩蔽膜；C、在未被掩蔽的第一AlGaN層上生長第二AlGaN層，去除掩蔽膜形成凹槽；D、形成兩個Ohmic電極并合金形成歐姆接觸；E、蒸鍍與兩個Ohmic電極之一相連的Schottky電極。其中，Schottky電極蒸鍍窗口通過選擇區(qū)域生長(SAG)的方法形成。本發(fā)明還公開了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN場效應(yīng)二極管，該二極管采用Schottky-Ohmic復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對導(dǎo)電溝道的控制。當(dāng)施加反向偏壓時，Schottky接觸可以耗盡二維電子氣，關(guān)閉導(dǎo)電溝道；當(dāng)施加正向偏壓時，二維電子氣導(dǎo)電溝道打開，形成導(dǎo)電通路。本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、工藝流程中材料損傷少、可實現(xiàn)低的開啟電壓。
文檔編號H01L29/40GK101694833SQ200910193180
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者劉揚(yáng), 張佰君, 文于華, 李佳林, 江灝, 王鋼, 賀致遠(yuǎn) 申請人:中山大學(xué);