專利名稱：功率二極管器件及其制備方法
技術領域：
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：
功率二極管器件要能夠承受高電壓，器件結構中就必須采用先進的終端結構設計。其結構如附圖I所示，此終端結構的作用是削弱電極邊緣的電場增強尖峰，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計過程中，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構設計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構,它的制備工藝對于娃·基器件已經(jīng)非常成熟，如附圖2所示，通常通過幾個操作步驟完成
按設計生長具有合適摻雜濃度和厚度的N-/N+外延結構；
通過半導體微加工工藝在器件表面形成掩膜，進行選擇性P型雜質離子注入；
去除掩膜，經(jīng)過熱退火后形成P型終端結構；
采用半導體微加工方法制作肖特基二極管的陽極和陰極。場限環(huán)結構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，這種結構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行P型摻雜并不成熟；具體來講，當被加速的離子注入到單晶材料中時，聞能尚子將極大地破壞材料晶格的有序性，進而在注入?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，1500度以上的熱處理對退火設備的要求也很高，導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)終端結構是制備高功率肖特基器件的關鍵技術。

發(fā)明內容
針對上述問題，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，它包括相層疊設置的襯底、緩沖層、外延層、環(huán)形場板、形成肖特基結的金屬層，所述外延層在其與所述環(huán)形場板相鄰的一端上具有多個場限環(huán)，所述環(huán)形場板上形成有多個呈環(huán)形的凹凸部，環(huán)形場板的凸部的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環(huán)形場板的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，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，所述金屬層覆蓋任一個環(huán)形場板的凹部，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，所述襯底由包括但不局限于藍寶石、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)形場板的每個凹部之間的寬度為0. I-IOum0優(yōu)選地，所述環(huán)形場板的每個凹部的最低點至凸部的最高點的距離為0. 01-1 U m。優(yōu)選地，所述環(huán)形場板相鄰兩個凸部最高點之間的距離為0. 01-10 u m。
·
優(yōu)選地，所述環(huán)形場板的任一個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層與環(huán)形場板相鄰，所述第一 GaN層為n++型GaN，所述第二GaN層為n-型GaN或i_GaN，所述場限環(huán)為P_GaN。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，使用金屬有機源化學氣相沉積系統(tǒng)在緩沖層上外延生長形成外延層;
B)通過半導體微加工工藝在外延層表面形成掩膜，采用干法刻蝕方法開設多個自掩膜表面向外延層延伸的環(huán)形槽，該環(huán)形槽至少部分的位于外延層內，；
C)使用金屬有機源化學氣相沉積系統(tǒng)選擇性的在環(huán)形槽中外延生長形成場限環(huán)；
D)采用等離子體增強化學氣相沉積方法覆蓋絕緣介質制作環(huán)形場板；
E)在環(huán)形場板上覆蓋金屬層以形成肖特基結制作陽極；
F)采用半導體微加工方法，將外延層與陰極相電連制作陽極。本發(fā)明采用以上結構和方法，具有以下優(yōu)點
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)和介質場板兩種高電壓終端結構，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尖峰，并且可以使整個終端結構縮小面積，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加場板終端結構可保證肖特基器件承受大大超過設計要求的電壓，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構。圖2a為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結構形成過程的第一步。圖2b為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結構形成過程的第二步。圖2c為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結構形成過程的第三步。圖2d為傳統(tǒng)肖特基二極管的場限環(huán)終端結構形成過程的第四步。圖3為本發(fā)明中的陰極設置在襯底的背面的功率二極管器件。圖4為本發(fā)明中的陰極設置在襯底的側面的功率二極管器件。
圖5a為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法中經(jīng)過步驟A)后的結構示意圖。圖5b為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法的步驟B)中在外延層表面形成掩膜的結構示意圖。圖5c為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法的步驟B)中形成環(huán)形槽后的結構示意圖。圖5d為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法的步驟
C)中形成場限環(huán)的結構示意圖。圖5e為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法中經(jīng)過步驟D)后的結構示意圖。圖5f為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法中經(jīng)過步驟E)后的結構示意圖。圖5g為本發(fā)明中的功率ニ極管器件制備方法中經(jīng)過步驟F)后的結構示意圖?！D6為仿真的反向偏壓下600V級GaN肖特基ニ極管器件表面電場的強度分布圖。圖7a顯示了 GaN肖特基ニ極管的逆向I-V曲線圖。圖7b顯示了 GaN肖特基ニ極管的正向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、掩膜。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域的技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍作出更為清楚明確的界定。本發(fā)明的第一實施例中一種功率ニ極管器件，它包括相層疊設置的襯底I、緩沖層6、外延層2、環(huán)形場板9、形成肖特基結的金屬層10。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，當襯底I為導體時，陰極4可以設置在襯底I的背面。當襯底I為絕緣體或導電性不良的材料吋，陰極4可設置在第一 GaN層21的側面。襯底I由包括但不局限于藍寶石、碳化硅或硅中的ー種或多種制成。緩沖層6由包括但不局限于GaN、AlN中的ー種或多種制成。外延層2由GaN制成。外延層2包括層疊設置的第一 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n++型GaN，所述第二 GaN層22為n_型GaN或i_GaN，陰極4與所述第一 GaN層21相電連。外延層2在其與所述環(huán)形場板9相鄰的一端上具有多個場限環(huán)3，場限環(huán)3為P-GaN。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遠超越傳統(tǒng)的硅基功率電子器件。GaN具有比Si材料高出ー個數(shù)量級的擊穿電場和更好的耐高溫能力。高擊穿電場使GaN肖特基ニ級管可以取代Si PIN高壓ニ極管。受PN結區(qū)內少數(shù)載流子存貯效應的影響，PIN ニ極管的開關速度又要比肖特基ニ極管慢很多，這對高效電源系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)是非常不利的。采用基于寬禁帶半導體GaN的肖特基整流器恰恰可以解決以上矛盾。GaN肖特基ニ級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，使高電壓應用成為可能。
環(huán)形場板9由絕緣材料制成。該種絕緣介質可以是氮化娃SiNx、氧化娃SiOx等。環(huán)形場板9上形成有多個呈環(huán)形的凹凸部7，環(huán)形場板9的凸部7的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環(huán)形場板9的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，最靠近所述功率ニ極管器件中心的環(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，所述金屬層10覆蓋任ー個環(huán)形場板9的凹部8。環(huán)形場板9的每個凹部8之間的寬度為
0.I-IOum0環(huán)形場板9的每個凹部8的最低點至凸部7的最高點的距離為0.01-1 iim。環(huán)形場板9相鄰兩個凸部7最高點之間的距離為0. 01-10 u m。環(huán)形場板9的任一個凹部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。如附圖5a_5g所示的第一實施例中的制備方法，它包括以下步驟
A)制備襯底I與緩沖層6，使用金屬有機源化學氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)在緩沖層6上外延生長結構第一 GaN層21和第二 GaN，即在生長初期摻雜高濃度的NH3形成n++型GaN，摻雜一定時間后，摻雜相對低濃度的NH3形成n-型GaN或i_GaN ；· B)通過半導體微加工エ藝在器件表面形成掩膜11，掩膜11由絕緣介質形成，采用干法刻蝕方法開設多個自掩膜11表面向外延層2延伸的環(huán)形槽，該環(huán)形槽至少部分的位于外延層2內；
C)使用金屬有機源化學氣相沉積系統(tǒng)選擇性的在環(huán)形槽中外延生長形成場限環(huán)3;
D)采用等離子體增強化學氣相沉積方法覆蓋絕緣介質制作環(huán)形場板9；
E)在環(huán)形場板9上覆蓋金屬層10以形成肖特基結制作陽極5；
F)采用半導體微加工方法，將外延層2與陰極4相電連制作陽極5。將商用軟件TCAD對優(yōu)化了的600V級GaN肖特基ニ極管具有溝槽式P-型外延GaN加場板終端結構的器件進行模擬(見圖6);從仿真的結果看，器件在承壓600V吋，肖特基電極附近的最高電場強度〈I. 7MV/cm，大大低于GaN材料的臨界擊穿電場強度(3MV/cm)。由此可看出，創(chuàng)新的溝槽式P-型外延GaN加場板終端結構可保證肖特基器件承受大大超過設計要求的600V電壓，從而保證了功率ニ極管器件的穩(wěn)定性和可靠性。器件的測試結果如圖7a和圖7b所示GaN肖特基ニ極管在反向耐壓900V時，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，器件正向導通8A時，正向壓降不到2V。這個結果證明了此終端結構和エ藝可以使GaN肖特基ニ極管的反向耐壓達到理論預測值。改良后的終端結構將能進ー步提高器件的Unclamped Inductive Switching(UIS)能力，顯著延長器件的使用生命周期。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種功率二極管器件，其特征在于它包括相層疊設置的襯底、緩沖層、外延層、環(huán)形場板、形成肖特基結的金屬層，所述外延層在其與所述環(huán)形場板相鄰的一端上具有多個場限環(huán)，所述環(huán)形場板上形成有多個呈環(huán)形的凹凸部，環(huán)形場板的凸部的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環(huán)形場板的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，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，所述金屬層覆蓋任一個環(huán)形場板的凹部，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寶石、碳化硅或硅中的一種或幾種制成。
3.根據(jù)權利要求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。
4.根據(jù)權利要求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。
5.根據(jù)權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板的每個凹部之間的寬度為O. 1-10 μ m。
6.根據(jù)權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板的每個凹部的最低點至凸部的最高點的距離為O. 01-1 μ m。
7.根據(jù)權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板相鄰兩個凸部最高點之間的距離為O. 01-10 μ m。
8.根據(jù)權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述環(huán)形場板的任一個凹部向外延層的投影至少部分的與所述場限環(huán)相重合。
9.根據(jù)權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述場限環(huán)通過外延再生長形成。
10.根據(jù)權利要求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層與環(huán)形場板相鄰，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。
11.一種如權利要求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，使用金屬有機源化學氣相沉積系統(tǒng)在緩沖層上外延生長形成外延層; B)通過半導體微加工工藝在外延層表面形成掩膜，采用干法刻蝕方法開設多個自掩膜表面向外延層延伸的環(huán)形槽，該環(huán)形槽至少部分的位于外延層內， C)使用金屬有機源化學氣相沉積系統(tǒng)選擇性的在環(huán)形槽中外延生長形成場限環(huán)； D)采用等離子體增強化學氣相沉積方法覆蓋絕緣介質制作環(huán)形場板； E)在環(huán)形場板上覆蓋金屬層以形成肖特基結制作陽極； F)采用半導體微加工方法，將外延層與陰極相電連制作陽極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功率二極管器件，它包括相層疊設置的襯底、緩沖層、外延層、環(huán)形場板、形成肖特基結的金屬層，外延層在其與環(huán)形場板相鄰的一端上具有多個場限環(huán)，環(huán)形場板上形成有多個呈環(huán)形的凹凸部，環(huán)形場板的凸部的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環(huán)形場板的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，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，金屬層覆蓋任一個環(huán)形場板的凹部，外延層與陰極相電連，金屬層與陽極相連。
文檔編號H01L21/329GK102790097SQ20121028389
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權日2012年8月10日
發(fā)明者朱廷剛 申請人:江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司