肖特基二极管的制作方法
【专利摘要】一种肖特基二极管，具有：半导体层层叠体，其包括在基板(1)上形成的GaN层(4b)、以及在该GaN层上形成并且与GaN层相比带隙更大的AlGaN层(4a)；阳极电极(6)以及阴极电极(7)，它们在该半导体层层叠体上相互隔开间隔地形成；以及阻挡层(5)，在阳极电极(6)与阴极电极(7)之间的区域形成为与AlGaN层相接。阳极电极的一部分以不与AlGaN层的表面相接的方式形成在阻挡层上。阳极电极与阻挡层的势垒高度大于阳极电极与AlaN层的势垒高度。
【专利说明】肖特基二极管
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够用于例如功率器件中的肖特基二极管。【背景技术】
[0002]以氮化镓O^aN)为代表的III族氮化物半导体是GaN以及氮化铝(AlN)的带隙在室温下分别大到3.4eV以及6.2eV的宽隙半导体。因此，具有绝缘破坏电场大、电子的饱和漂移速度比砷化镓(GaAs)等化合物半导体或硅(Si)半导体等大的特征。
[0003]另外，在由AlGaN/GaN构成的异质结构中，在结晶面为(0001)面的异质界面上，由于自发极化以及压电极化的缘故而产生电荷，即使是未掺杂也能够获得IXlO13cnT2以上的表面载流子浓度。由此，能够使用异质界面的二维电子气体(2DEG:2Dimensional ElectronGas)来实现电流密度更大的二极管或异质结场效应晶体管(HFET:Hetero-junction FieldEffect Transistor)。因此，当前也在活跃地进行使用有利于高输出化以及高耐压化的氮化物半导体的功率器件的研究以及开发。
[0004]另外，例如，通式AlGaN表示三元混晶AlxGa1J(这里，x为0≤x≤I)。与其相同，多元混晶是使用各构成元素的元素符号的排列、例如AlInN或GaInN等的简写。例如，氮化物半导体AlxGanInyN (这里，x，y为0≤x≤1，0≤y≤I)简写为AlGalnN。
[0005]肖特基二极管是作为功率器件使用的二极管之一。在GaN系的二极管中开发了使用由AlGaN/GaN形成的异质结构的肖特基二极管。GaN系的肖特基二极管使用在未掺杂AlGaN层与未掺杂GaN层之间的界面生成的二维电子气体层作为沟道，因此，能够进行大电流并且低电阻的动作。
[0006]一般来讲，肖特基二极管具有与pn 二极管相比开关特性优异的优点，另一方面，也存在反向的漏电流大的这一缺点。另外，通常在器件的表面上形成钝化膜作为表面保护膜。钝化膜具有抑制表面能级的形成，并减少被称为电流崩塌的正向电流降低的这一效果。而且，从可靠性这一点上来看，还具有防止杂质侵入器件的这一功能，因此，在器件的表面上形成钝化膜是必不可少的。
[0007]现有技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献I JP特开2009-076866号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的技术课题
[0011]但是，本申请发明人发现了以下现象:如果在GaN系的肖特基二极管中形成钝化膜，则该肖特基二极管中的反向漏电流会大幅增加。产生该现象的原因可以认为是由于在钝化膜与未掺杂的铝镓(1-AlGaN)之间的界面形成了泄漏通道。
[0012]如上所述，在具有由AlGaN/GaN形成的异质结构的肖特基二极管中，降低反向的漏电流是要解决的课题，特别是降低形成钝化膜之后的漏电流是一个很大的问题。[0013]鉴于上述问题，本发明的目的在于:在由氮化物半导体形成的肖特基二极管中，在不使启动电压上升的情况下降低反向的漏电流。
[0014]解决技术课题的手段
[0015]为了达到上述目的，本发明的由氮化物半导体构成的肖特基二极管被设置成使阻挡层介于阳极与1-AlGaN层的表面之间的结构。
[0016]具体而言，本发明的第一肖特基二极管具有:基板；半导体层层叠体，其包括在基板上形成的第一氮化物半导体层、以及在该第一氮化物半导体层上形成并且与第一氮化物半导体层相比带隙更大的第二氮化物半导体层；阳极电极以及阴极电极，它们在半导体层层叠体上相互隔开间隔地形成；以及阻挡层，其在阳极电极与阴极电极之间的区域形成为与第二氮化物半导体层相接，阳极电极的一部分以不与第二氮化物半导体层的表面相接的方式形成在阻挡层上，阳极电极与阻挡层的势鱼高度(potential barrier height,以下相同)大于阳极电极与第二氮化物半导体层的势垒高度。
[0017]根据本发明的第一肖特基二极管，在阳极电极与阴极电极之间的区域具有以与第二氮化物半导体层相接的方式形成的阻挡层，并且，阳极电极的一部分以不与第二氮化物半导体层的表面相接的方式形成在阻挡层上。而且，阳极电极与阻挡层的势垒高度大于阳极电极与第二氮化物半导体层的势垒高度。根据该结构，阻挡层发挥界面漏电流的阻挡层的作用，因此，即使在将钝化膜形成在半导体层层叠体以及各电极上的情况下，也能够抑制反向的漏电流。
[0018]在本发明的第一肖特基二极管中，半导体层层叠体可以包括多层第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层，且第一氮化物半导体层与第二氮化物半导体层交替层叠。
[0019]这样一来，分别由多个第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层形成多沟道结构，因此，能够增加正向电流。从而，能够实现低电阻并且反向的漏电流被大幅降低的肖特
基极管。
[0020]在本发明的第一肖特基二极管中，半导体层层叠体可以具有除去了第二氮化物半导体层的一部分而露出第一氮化物半导体层的阶梯部，且阳极电极形成为覆盖阶梯部并与阻挡层相接。
[0021]这样一来，能够使阳极电极与从第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层生成的二维电子气体直接接触，因此，能够降低二极管的启动电压。由此，能够实现启动电压低并且反向的漏电流被大幅降低的肖特基二极管。
[0022]在本发明的第一肖特基二极管中，阻挡层可以由绝缘体构成，在绝缘体中能够使用氮化硅或二氧化硅等的无机材料、或者聚酰亚胺或聚苯并噁唑(PBO)等的有机材料。
[0023]另外，在本发明的第一肖特基二极管中，阻挡层可以由半导体形成。在半导体中能够使用氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)、二氧化钛(TiO2)、氧化镍(NiO)或氧化锌(ZnO)等。
[0024]本发明的第二肖特基二极管具有:基板；半导体层层叠体，其包括在基板上形成的第一氮化物半导体层、以及在该第一氮化物半导体层上形成并且与第一氮化物半导体层相比带隙更大的第二氮化物半导体层；阳极电极以及阴极电极，它们在半导体层层叠体上相互隔开间隔地形成，半导体层层叠体具有除去了第二氮化物半导体层的一部分而露出第一氮化物半导体层的第一阶梯部以及第二阶梯部，阳极电极以及阴极电极形成为分别覆盖第一阶梯部以及第二阶梯部，阳极电极与第二氮化物半导体层表面的重叠长度比阴极电极与第二氮化物半导体层表面的重叠长度短。
[0025]根据本发明的第二肖特基二极管，阳极电极以及阴极电极形成为分别覆盖第一阶梯部和第二阶梯部，并且，阳极电极与第二氮化物半导体层表面的重叠长度比阴极电极与第二氮化物半导体层表面的重叠长度短。因此，能够降低经由阳极电极的第二氮化物半导体层的表面的漏电流。从而，能够实现反向的漏电流被大幅降低且启动电压低的肖特基二极管。
[0026]在本发明的第二肖特基二极管中，半导体层层叠体可以包括多层第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层，且第一氮化物半导体层与第二氮化物半导体层交替层叠。
[0027]这样一来，分别由多层第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层形成多沟道结构，因此，能够增加正向电流。由此，能够实现低电阻并且反向的漏电流被大幅降低的肖特基二极管。
[0028]发明效果
[0029]根据本发明的肖特基二极管，能够在不使启动电压上升的情况下降低反向的漏电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是表示本发明的第一实施方式的肖特基二极管的剖视图。
[0031]图2是表示本发明的第一实施方式的肖特基二极管中的反向的漏电流与施加电压的关系的图表。
[0032]图3是表示本发明的第一实施方式的第一变形例的肖特基二极管的剖视图。
[0033]图4是表示本发明的第一实施方式的第二变形例的肖特基二极管的剖视图。
[0034]图5是表示本发明的第一实施方式的第三变形例的肖特基二极管的剖视图。
[0035]图6是表示本发明的第一实施方式的第四变形例的肖特基二极管的剖视图。
[0036]图7是表示本发明的第一实施方式的第五变形例的肖特基二极管的剖视图。
[0037]图8是表示本发明的第二实施方式的肖特基二极管的剖视图。
[0038]图9是表示本发明的第二实施方式的肖特基二极管中的反向漏电流的阳极电极与AlGaN层的表面的重叠长度的依存性的图表。
[0039]图10是表示本发明的第二实施方式的一个变形例中的肖特基二极管的剖视图。
【具体实施方式】
[0040](第一实施方式)
[0041]参照附图1对本发明的第一实施方式进行说明。
[0042]如图1所示，作为第一实施方式中的氮化物半导体器件的肖特基二极管具有半导体层层叠体，该半导体层层叠体在由例如硅(Si)构成的基板I上按顺序形成:由厚度为200nm的未掺杂的AlN构成的缓冲层2、厚度为2 u m的未掺杂的GaN层3以及具有多沟道结构的沟道层4。另外，能够在基板I中使用蓝宝石(单晶Al2O3)、碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等来取代硅。
[0043]在本说明书中，未掺杂的氮化物半导体是指:在该氮化物半导体中未有意识地添加入决定导电类型的杂质的半导体。[0044]沟道层4是通过将厚度为25nm的未掺杂的AlGaN层4a与厚度为220nm左右的未掺杂的GaN层4b交替层叠而形成的。AlGaN层4a中的Al组分为0.25。另外，GaN层4b的层厚可以为500nm左右。
[0045]作为第一实施方式的特征，在半导体层层叠体、即沟道层4的表面上形成由氮化铝(AlN)或二氧化钛(TiO2)等的半导体、或者氮化硅(SiN)或二氧化硅(SiO2)等的绝缘体形成并且厚度为200nm的阻挡层5。
[0046]在半导体层层叠体的一个端部形成阳极电极6。另外，在另一个端部以覆盖到达半导体层层叠体的GaN层3的凹陷区域(阶梯部)8的一个侧面的方式形成阴极电极7。
[0047]阳极电极6是通过对半导体层层叠体上的阻挡层5进行蚀刻而以与最上层的AlGaN层4a的表面相接的方式形成的。在此，阳极电极6使用由例如厚度为200nm的镍(Ni)或钯(Pd)构成并与电子进行肖特基接触的金属。
[0048]而且，阳极电极6形成为:与阴极电极7对置侧的端部重叠在阻挡层5的端部上。
[0049]另一方面，阴极电极7形成为:由例如厚度为20nm的钛(Ti)与厚度为200nm的铝(Al)的层叠结构(Ti/Al)构成，并与二维电子气体层进行欧姆接触。由此，能够降低接触电阻。另外，也可以不必设置凹陷区域8。
[0050]而且，阳极电极6与阴极电极7的彼此的对置面之间的间隔为例如IOiim?15 u m0
[0051]在此，当在半导体层层叠体中的阳极电极6与阴极电极7之间设置阻挡层5时的要点为:使该阻挡层5与阳极电极6之间的势鱼高度大于阳极电极6与AlGaN/GaN的势鱼高度大。
[0052]另外，阻挡层5不局限于上述半导体或绝缘体，也可以使用n型AlGaN、未掺杂的AlGaN、p型AlGaN、氧化镍(NiO)或氧化锌(ZnO)等的半导体材料、或者聚酰亚胺或PBO (聚苯并噁唑)等的有机绝缘材料。由此，能够通过阻挡层5阻断在钝化膜与半导体层层叠体的最表面的AlGaN层4a之间的界面产生的泄漏通道，因此，能够降低反向的漏电流。
[0053]图2表示第一实施方式的肖特基二极管中的反向漏电流的测定结果。在此，图2的横轴表示施加电压(反向电压，单位为V)，纵轴表示每单位长度的电流量(单位是A/mm)。另外，在图2中，图中A表示本发明的肖特基二极管的漏电流量；图中B是比较例，表示没有设置阻挡层的肖特基二极管的漏电流量。另外，本发明的肖特基二极管与比较例的肖特基二极管都是在形成了由氮化硅(SiN)等构成的钝化膜的状态下测定的。
[0054]如图2所示，本发明的肖特基二极管的漏电流小于比较例的肖特基二极管的漏电流，随着施加电压变大，其差值变得显著。在施加电压为100V以上的情况下，本发明的肖特基二极管的漏电流成为比较例中的肖特基二极管的泄漏电流的大约百分之一。根据该结果可知，本发明的肖特基二极管能够降低反向的漏电流。
[0055](第一实施方式的第一变形例)
[0056]图3表示第一实施方式的第一变形例。
[0057]在图1所示的第一实施方式中，作为沟道层4，对层叠了多个由AlGaN/GaN构成的异质结构的多沟道结构的情况进行了说明。
[0058]在图3所示的第一变形例中，是如下所述构成的肖特基二极管，即:将未掺杂的AlGaN层4a作为单层，而在与未掺杂的GaN层3之间的界面的附近形成二维电子气体层(未图示)，将其作为沟道层4来使用。
[0059]在第一变形例的肖特基二极管中也能够获得与图1所示的肖特基二极管相同的效果。
[0060](第一实施方式的第二变形例)
[0061]图4表示第一实施方式的第二变形例。
[0062]如图4所示，在第二变形例中，以与阴极电极7相同的方式形成阳极电极6，即:贯穿阻挡层5以及沟道层4，并且覆盖以到达未掺杂的GaN层3的方式形成的凹陷区域8的一个侧面。
[0063]第二变形例的肖特基二极管不仅具有与图1所示的肖特基二极管相同的效果，而且，还由于阳极电极6与沟道层4直接接触，因此，能够降低正向的启动电压。
[0064]而且，由于能够排除阳极电极6与最上层的AlGaN层4a的表面的接触，因此，能够进一步降低反向的漏电流。
[0065](第一实施方式的第三变形例)
[0066]图5表不第一实施方式的第三变形例。
[0067]如图5所示，在第三变形例中，在图3所示的第一变形例中的具有单层的AlGaN层4a的肖特基二极管中，将阳极电极6设为覆盖凹陷区域8的一个侧面的结构。
[0068]第三变形例中的肖特基二极管不仅具有与图3所示的肖特基二极管相同的效果，还由于阳极电极6与沟道层4直接接触，因此，能够降低正向的启动电压。
[0069]而且，由于能够排除阳极电极6与AlGaN层4a的表面的接触，因此，能够进一步降低反向的泄漏电流。
[0070](第一实施方式的第四变形例)
[0071]图6表示第一实施方式的第四变形例。
[0072]如图6所示，在第四变形例中具有阻挡层5覆盖最上层的AlGaN层4a的一部分的结构。即使在这种情况下也需要通过阻挡层5来阻止阳极电极6与最上层的AlGaN层4a的接触。
[0073]在第四变形例的肖特基二极管中也能够获得与图1所示的肖特基二极管相同的效果。
[0074]另外，在阳极电极6以及阴极电极7中都可以不必设置凹陷区域8。
[0075](第一实施方式的第五变形例)
[0076]图7表不第一实施方式的第五变形例。
[0077]如图7所示，在第五变形例中具有以下结构，S卩:在图5所示的第三变形例中，阻挡层5覆盖AlGaN层4a的一部分。即使在这种情况下也需要通过阻挡层5来阻止阳极电极6与AlGaN层4a的接触。
[0078]在第五变形例的肖特基二极管中也能够获得与图5所示的肖特基二极管相同的效果。
[0079]在第四变形例以及第五变形例中，当反向偏压时，能够通过阻挡层5将钝化膜与最上层的AlGaN层4a之间的界面泄漏阻断，因此，能够在不使正向特性恶化的情况下降低反向的漏电流。因此，能够实现由损耗低并且反向的漏电流少的优异的氮化物半导体构成的肖特基二极管。[0080](第二实施方式)
[0081]以下，参照附图8对本发明的第二实施方式进行说明。
[0082]如图8所示，作为第二实施方式的氮化物半导体器件的肖特基二极管具有半导体层层叠体，该半导体层层叠体在由例如硅(Si)构成的基板I上按顺序形成:由厚度为200nm的未掺杂的AlN形成的缓冲层2、厚度为2 u m的未掺杂的GaN层3以及具有多沟道结构的沟道层4。另外，能够在基板I中使用蓝宝石(单晶Al2O3)、碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等以取代硅。
[0083]沟道层4是通过将厚度为25nm的未掺杂的AlGaN层4a与厚度为220nm左右的未掺杂的GaN层4b相互多层层叠而形成的。AlGaN层4a中的Al组分为0.25。
[0084]在半导体层层叠体的两端部分别形成阳极电极6以及阴极电极7，它们分别覆盖到达半导体层层叠体的GaN层3的凹陷区域(阶梯部)8的一个侧面。
[0085]阳极电极6使用由例如厚度为200nm的镍(Ni)或钯(Pd)构成并与电子进行肖特基接触的金属。由此，二维电子气体与阳极电极6直接接触，因此，能够降低正向的启动电压。
[0086]另一方面，阴极电极7形成为:由例如厚度为20nm的钛(Ti)与厚度为200nm的铝(Al)的层叠结构(Ti/Al)而构成，并与二维电子气体层进行欧姆接触。由此，能够降低接触电阻。在此，阳极电极6与阴极电极7彼此的对置面之间的间隔为例如10 ii m?15 ii m。并且，在阴极电极7中，可以不必设置凹陷区域8。
[0087]第二实施方式的肖特基二极管的要点为:阳极电极6与最上层的AlGaN层4a的表面的接触面积小于阴极电极7与最上层的AlGaN层4a的表面的接触面积。
[0088]换言之，重要的是:阳极电极6与最上层的AlGaN层4a的表面的重叠长度小于阴极电极7与最上层的AlGaN层4a的表面的重叠长度。这样一来，能够降低经由阳极电极6的最上层的AlGaN层4a的表面的漏电流，因此，能够降低反向的漏电流。
[0089]图9表示第二实施方式的肖特基二极管中的阳极电极6与最上层的AlGaN层4a的表面的重叠长度的关系。
[0090]在图9中，横轴表示将以最上层的AlGaN层的端部为原点、沿着最上层的AlGaN层的表面的方向作为正方向时的阳极电极的重叠长度(单位为Pm)。另外，纵轴表示每单位长度的反向的漏电流量(单位为A/mm)。而且，施加给肖特基二极管的电压(反向电压)设为200V。由图9可知，阳极电极与最上层的AlGaN层的表面的重叠长度越小，反向漏电流量就变得越小。这可认为是因为:由于阳极电极与最上层的AlGaN层的表面的重叠长度变小，因此，经由阳极电极的最上层的AlGaN层的表面的漏电流被降低。
[0091]由图9可知，对于漏电流的降低而言，优选阳极电极与AlGaN层的重叠量尽量小。例如，在阳极电极中，最合适的重叠量为200nm以下，更优选是IOOnm以下。不过，由于掩模的对位偏差等处理上的原因，因而很难实现使重叠长度成为零，因此，阳极电极与AlGaN层的重叠量优选为20nm以上。即，在阳极电极中，最合适的重叠量为20nm以上且200nm以下，更优选20nm以上且IOOnm以下。
[0092]相比之下，阴极电极与最上层的AlGaN层的重叠量为0.5 ii m以上且Iym以下。即，在阳极电极与最上层的AlGaN层的表面的重叠长度小于阴极电极与最上层的AlGaN层的表面的重叠长度的情况下，能够降低漏电流。[0093]另外，不局限于在阳极电极与最上层的AlGaN层的表面的重叠长度小于阴极电极与最上层的AlGaN层的表面的重叠长度的情况下，在阳极电极与最上层的AlGaN层的表面的接触面积小于阴极电极与最上层的AlGaN层的表面的接触面积的情况下，也能够降低漏电流。
[0094](第二实施方式的一个变形例)
[0095]图10表示第二实施方式的一个变形例。
[0096]在图8所示的第二实施方式中，作为沟道层4，对层叠了多个由AlGaN/GaN构成的异质结构的多沟道结构的情况进行了说明。
[0097]在图10所示的一个变形例的肖特基二极管中，将未掺杂的AlGaN层4a作为单层，在与未掺杂的GaN层3之间的边界的附近形成二维电子气体层(未图示)，并将其作为沟道层4来使用。
[0098]在本变形例的肖特基二极管中也能够获得与图8所示的肖特基二极管相同的效果。
[0099]但是，在构成阳极电极6的肖特基金属中，优选包括镍(Ni)、钯(Pd)以及金(Au)中的至少一种。
[0100]根据第二实施方式以及其变形例，能够降低经由阳极电极的AlGaN层的表面的漏电流，其结果是，能够在不使正向特性恶化的情况下降低反向的漏电流。因此，能够实现由损耗低并且反向的漏电流少的优异的氮化物半导体构成的肖特基二极管。
[0101]产业上的可利用性
`[0102]本发明的肖特基二极管能够在不使启动电压上升的情况下实现反向的漏电流的降低，作为在电视机等的民用设备的电源电路等中使用的功率器件等非常有用。
[0103]附图标记的说明
[0104]
1丛板
2缓冲W
Qp I !
uXj cl.、
4沟道M
4a AlGaX M
4bGaX M
5阻挡M
G阳极电极
7酬极电极
8四陷区域(阶#部)
【权利要求】
1.一种肖特基二极管，具有: 基板； 半导体层层叠体，其包括在上述基板上形成的第一氮化物半导体层、以及在该第一氮化物半导体层上形成并且与上述第一氮化物半导体层相比带隙更大的第二氮化物半导体层； 阳极电极以及阴极电极，在上述半导体层层叠体上相互隔开间隔地形成；以及阻挡层，其在上述阳极电极与上述阴极电极之间的区域形成为与上述第二氮化物半导体层相接， 上述阳极电极的一部分以不与上述第二氮化物半导体层的表面相接的方式形成在上述阻挡层上， 上述阳极电极与上述阻挡层的势垒高度大于上述阳极电极与上述第二氮化物半导体层的势垒高度。
2.根据权利要求1所述的肖特基二极管，其中， 上述半导体层层叠体包括多层上述第一氮化物半导体层和上述第二氮化物半导体层， 上述第一氮化物半导体层与上述第二氮化物半导体层交替层叠。
3.根据权利要求1或2所述的肖特基二极管，其中， 上述半导体层层叠体具有除去了上述第二氮化物半导体层的一部分而露出上述第一氮化物半导体层的阶梯部， 上述阳极电极形成为覆盖上述阶梯部并且与上述阻挡层相接。
4.根据权利要求1?3任一项所述的肖特基二极管，其中， 上述阻挡层由绝缘体构成。
5.根据权利要求1?3任一项所述的肖特基二极管，其中， 上述阻挡层由半导体构成。
6.一种肖特基二极管，具有: 基板； 半导体层层叠体，其包括在上述基板上形成的第一氮化物半导体层、以及在该第一氮化物半导体层上形成并且与上述第一氮化物半导体层相比带隙更大的第二氮化物半导体层；以及 阳极电极以及阴极电极，在上述半导体层层叠体上相互隔开间隔地形成， 上述半导体层层叠体具有除去了上述第二氮化物半导体层的一部分而露出上述第一氮化物半导体层的第一阶梯部以及第二阶梯部， 上述阳极电极以及阴极电极形成为分别覆盖上述第一阶梯部以及第二阶梯部， 上述阳极电极与上述第二氮化物半导体层表面的重叠长度比上述阴极电极与上述第二氮化物半导体层表面的重叠长度短。
7.根据权利要求6所述的肖特基二极管，其中， 上述半导体层层叠体包括多层上述第一氮化物半导体层和上述第二氮化物半导体层， 上述第一氮化物半导体层与上述第二氮化物半导体层交替层叠。
【文档编号】H01L29/872GK103493205SQ201280018873
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年5月20日
【发明者】柴田大辅, 按田义治 申请人:松下电器产业株式会社