二极管阳极结构、纵向二极管以及横向二极管的制作方法

本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种二极管阳极结构、纵向二极管以及横向二极管。

背景技术：

在高压开关应用领域中，为了提高效率降低损耗，要求二极管具有反向漏电小、反向耐压大和正向导通压降小的特性。基于宽禁带半导体材料，特别是氮化镓材料的功率电子器件具有优越的特性。因此，氮化镓肖特基二极管近年来逐渐成为研究的热点。

众所周知，PN结二极管的正向压降大，因此其导通损耗大，但是其反向漏电流小，关态损耗小。肖特基二极管则具有正向压降小，反向漏电大的特点。此外肖特基二极管由于不存在少子存储效应，与PN结二极管相比反向恢复时间短，开关速度快。

为了降低肖特基二极管的漏电可通过选择金属提高金属和半导体接触的势垒高度，但是高的势垒高度又会导致正向压降大，导通损耗高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种二极管阳极结构、纵向二极管以及横向二极管，以解决现有技术中降低肖特基二极管反向漏电时会增加正向开启电压的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种二极管阳极结构，包括：

半导体层；

至少两个第一肖特基金属层，位于所述半导体层上，与所述半导体层形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度；

至少一个第二肖特基金属层，位于所述半导体层上，且位于所述第一肖特基金属层之间，与所述半导体层形成有肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度。

可选的，所述第一肖特基势垒高度大于所述第二肖特基势垒高度。

可选的，所述第一肖特基金属层与所述半导体层之间形成有势垒调节区。

可选的，所述半导体层上形成有与所述第一肖特基金属层对应的凹槽结构，所述第一肖特基金属层的底部位于所述凹槽结构中。

可选的，采用氟基等离子体处理所述凹槽结构，在所述凹槽结构内形成所述势垒调节区；或者在所述凹槽结构内生长氮化硅，二氧化硅，氮化铝材料，在所述凹槽结构内形成所述势垒调节区。

可选的，采用氟基等离子体处理所述半导体层表面，在所述半导体层表面形成所述势垒调节区。

可选的，在所述二极管阳极结构上形成有金属场板，所述金属场板包括单层金属场板、双层金属场板以及阶梯型金属场板中的至少一种。

第二方面，本发明实施例还提供了一种纵向二极管，包括上述第一方面所述的二极管阳极结构，还包括：

衬底；

重掺杂N型氮化镓层，位于所述衬底上；

至少两个阴极金属层，位于所述重掺杂N型氮化镓层上，与所述重掺杂N型氮化镓层形成欧姆接触,所述二极管阳极结构，位于所述重掺杂N型氮化镓层上，且位于相邻的两个所述阴极金属层之间。

第三方面，本发明实施例还提供了一种纵向二极管，包括上述第一方面所述的二极管阳极结构，还包括：

阴极金属层；

重掺杂N型氮化镓层，位于所述阴极金属层上，与所述阴极金属层形成欧姆接触，所述二极管阳极结构，位于所述重掺杂N型氮化镓层上。

第四方面，本发明实施例还提供了一种横向二极管，包括上述第一方面所述的二极管阳极结构，还包括：

衬底；

氮化镓层，位于所述衬底上；

铝镓氮层，位于所述氮化镓层上，与所述氮化镓层在界面处形成二维电子气；

阴极金属层，位于所述铝镓氮层上，所述阴极金属层的底部截止在所述铝镓氮层或者所述氮化镓层，与所述二维电子气形成欧姆接触；

所述二极管阳极结构位于所述铝镓氮层上。

本发明实施例提供的二极管阳极结构、纵向二极管以及横向二极管，通过在半导体层上设置至少两个第一肖特基金属层，第一肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度，在半导体层上，且在第一肖特基金属层之间设置至少一个第二肖特基金属层，第二肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度。采用上述技术方案，在阳极区域与半导体形成两种势垒高度，在二极管反向关断时，第一肖特基势垒高度可以降低反向漏电，在二极管正向开启时，第二肖特基势垒高度可以降低正向开启电压，采用上述二极管阳极结构，既可以降低反向漏电，也可以降低正向开启电压，保证提高二极管效率，可以解决现有技术中在降低肖特基二极管反向漏电时会增加正向开启电压的技术问题。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1a为本发明实施例一提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图；

图1b为本发明实施例一提供的另一种二极管阳极结构的剖面结构示意图；

图2a为本发明实施例二提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图；

图2b为本发明实施例二提供的一种二极管阳极结构的俯视示意图；

图2c为本发明实施例二提供的另一种二极管阳极结构的俯视示意图；

图2d为本发明实施例二提供的再一种二极管阳极结构的俯视示意图；

图3a为本发明实施例三提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图；

图3b为本发明实施例三提供的另一种二极管阳极结构的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图；

图5a为本发明实施例五提供的一种纵向二极管阳极的剖面结构示意图；

图5b为本发明实施例五提供的另一种纵向二极管阳极的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例六提供的一种横向二极管阳极的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示,这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例或结构之间具有任何关联性。

实施例一

图1a和图1b均为本发明实施例一提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图，具体的，本发明实施例提供的二极管阳极结构包括两种不同类型的肖特基金属层。如图1a和图1b所示，所述二极管阳极结构可以包括：

半导体层101；

至少两个第一肖特基金属层102，位于半导体层101上，与半导体层101形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度；

至少一个第二肖特基金属层103，位于半导体层101上，且位于第一肖特基金属层102之间，与半导体层101形成肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度。

具体的，如图1a所示，半导体层101上形成有与第一肖特基金属层101对应的凹槽结构，第一肖特基金属层102的底部位于所述凹槽结构中；如图1b所示，第一肖特基金属层102还可以直接位于半导体层101上，无须通过凹槽结构。

示例性的，半导体层101的材料可以为氮化镓(GaN)，还可以为其他氮化物，这里优选为GaN。GaN半导体层的形成方法可以是在衬底材料上采用金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor DePosition，MOCVD)或者氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)等方法得到。进一步的，所述衬底材料可以为P型衬底材料，也可以为N型衬底材料，这里对衬底材料的具体类型不进行限定，在实际生产过程中，可以根据实际需要选择衬底材料的类型。

如图1a所示，在半导体层101上采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成凹槽结构，采用金属蒸发和剥离工艺，或者采用金属蒸发和刻蚀等工艺在半导体层101的凹槽结构中形成第一肖特基金属层102，第一肖特基金属层102的底部位于所述凹槽结构中。第一肖特基金属层102与半导体层101形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度，第一肖特基金属层102的材料可选择功函数较大的金属如镍(Ni)、硒(Se)、钯(Pd)、铂(Pt)、铱(Ir)等。

在半导体层101上，且第一肖特基金属层102之间，采用金属蒸发和剥离工艺，或者采用金属蒸发和刻蚀等工艺形成第二肖特基金属层103。第二肖特基金属层103与半导体层101形成肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度，第二肖特基金属层103的材料可选择功函数小的金属如钛(Ti)、钽(Ta)等金属。可以理解的，当第一肖特基金属层102形成在半导体层101中的凹槽结构时，与第二肖特基金属层103接触的半导体层101的厚度大于等于与第一肖特基金属层102接触的半导体层101的厚度。

如图1b所示，第一肖特基金属层102和第二肖特基金属层103均位于半导体层101表面与半导体层101形成肖特基接触，分别得到第一肖特基势垒高度和第二肖特基势垒高度。具体可以是采用金属蒸发和剥离工艺，或者采用金属蒸发和刻蚀等工艺直接在半导体层101上形成第一肖特基金属层102和第二肖特基金属层103，第二肖特基金属层103位于第一肖特基金属层102之间。第一肖特基金属层102的材料可选择功函数较大的金属，第二肖特基金属层103的材料可选择功函数较小的金属，通过选择功函数不同的金属，得到不同的肖特基势垒高度。

进一步的，所述第一肖特基势垒高度大于所述第二肖特基势垒高度。

这里不同的肖特基势垒高度是通过选择不同类型的肖特基金属实现的，肖特基金属类型不同，相应的肖特基金属的功函数不同，因此与半导体层接触时，可以得到不同的肖特基势垒高度。具体的，第一肖特基金属层102的材料可选择功函数较大的金属，第二肖特基金属层103的材料可选择功函数较小的金属，这样，第一肖特基金属层102与半导体层101肖特基接触得到的第一肖特基势垒高度大于第二肖特基金属层103与半导体层101肖特基接触得到的第二肖特基势垒高度。在二极管工作时，正向开启时由于第二肖特基金属层103与半导体层101之间的第二肖特基势垒高度低，可以降低正向开启时的开启电压，在反向关断时，由于第一肖特基金属层102与半导体层101之间的第一肖特基势垒高度高，并且反向关断时，电场尖峰位于第一肖特基金属层102与半导体层101接触的边缘，该区域肖特基势垒高度高，因而可以降低反向漏电。

本发明实施例一提供的二极管阳极结构，通过在半导体层上设置至少两个第一肖特基金属层，第一肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度，在半导体层上，且在第一肖特基金属层之间设置至少一个第二肖特基金属层，第二肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度。采用上述技术方案，在阳极区域与半导体形成两种势垒高度，在二极管反向关断时，第一肖特基势垒高度可以降低反向漏电，在二极管正向开启时，第二肖特基势垒高度可以降低正向开启电压，采用上述二极管阳极结构，既可以降低反向漏电，也可以降低正向开启电压，保证提高二极管效率，可以解决现有技术中在降低肖特基二极管反向漏电时会增加正向开启电压的技术问题。

实施例二

图2a、图2b、图2c和图2d均为本发明实施例二提供的一种二极管阳极结构的结构示意图，本实施例以实施例一为基础，在实施例一的基础上进行调整。具体的，本发明实施例提供的二极管阳极结构包括多个第一肖特基金属层102和多个第二肖特基金属层103。

如图2a所示，图2a中位于半导体层101上的第一肖特基金属层102的个数为4个，位于半导体层101上且位于第一肖特基金属层102之间的第二肖特基金属层103的个数为3个，在实际应用中，可以根据正向开启电流和反向漏电的需求调整第一肖特基金属层102和第二肖特基金属层103的个数和间距。

图2b、图2c和图2d为本发明实施例提供的几种二极管阳极结构的俯视示意图，如图2b和图2c所示，位于二极管阳极结构边缘位置处的第一肖特基金属层102形成封闭图形将第二肖特基金属层103包围在其中，位于二极管阳极结构中间位置处的第一肖特基金属层102的个数可以有多个，并且第一肖特基金属层102的形状可以设置为圆形或者方形，位于二极管阳极结构中间位置处的第一肖特基金属层102的大小和形状可以相同，也可以不同，这里不对中间位置处的第一肖特基金属层102的大小的形状进行限定。

如图2d所示，位于二极管阳极结构边缘位置处的第一肖特基金属层102没有将第二肖特基金属层103完全包围，这种结构适用于横向二极管结构，由于在横向二极管结构中存在沟道层和势垒层，在沟道层与势垒层之间形成有二维电子气，设置第一肖特基金属层102不将第二肖特基金属层103完全包围，可以使第一肖特基金属层102耗尽其周围的二维电子气，在第二肖特基金属层103到横向二极管结构的欧姆金属之间形成耗尽层，可以进一步降低反向漏电。

本发明实施例二提供的二极管阳极结构，在半导体层上设置多个第一肖特基金属层和多个第二肖特基金属层，位于边缘位置处的第一肖特基金属层可以形成包围结构将第二肖特基金属层完全或者不完全包围在其中，并且位于中间位置处的第一肖特基金属层的形状可以为圆形或者方形，形状和大小可以相同也可以不同。本发明实施例提供的二极管阳极结构，不仅可以降低反向漏电和正向开启电压，同时结构设置灵活多变，可以适应各种实际需求。

实施例三

图3a和图3b均为本发明实施例三提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图，本实施例以上述实施例为基础，在上述实施例的基础上进行优化。具体的，本发明实施例提供的二极管阳极结构在第一肖特基金属层102与半导体层101之间形成有势垒调节区。

如图3a所示，第一肖特基金属层102与半导体层101之间形成有势垒调节区104，势垒调节区104与第一肖特基金属层102对应设置。图3a所示的二极管阳极结构中在半导体层101和第一肖特基金属层102之间形成有凹槽结构，因此势垒调节区104可以形成在凹槽结构中。可选的，可以在凹槽结构刻蚀完成之后采用氟基等离子体处理所述凹槽结构，在所述凹槽结构内形成势垒调节区104，还可以在凹槽结构刻蚀完成在所述凹槽结构内生长氮化硅(SiN)，二氧化硅(SiO₂)，氮化铝材料(AlN)等材料，在所述凹槽结构内形成势垒调节区104，在势垒调节区104生成后，采用金属蒸发和剥离工艺，或者采用金属蒸发和刻蚀等工艺，形成第一肖特基金属层102。

如图3b所示，第一肖特基金属层102与半导体层101之间形成有势垒调节区104，势垒调节区104与第一肖特基金属层102对应设置。图3b所示的二极管阳极结构中第一肖特基金属层102位于半导体层101表面与半导体层101形成肖特基接触，因此势垒调节区104可以形成在半导体层101表面，且与第一肖特基金属层102对应位置处。可选的，可以采用氟基等离子体直接处理半导体层101表面，在半导体层101的表面形成势垒调节区104，在势垒调节区104生成后，采用金属蒸发和剥离工艺，或者采用金属蒸发和刻蚀等工艺，形成第一肖特基金属层102。

可以理解的是，势垒调节区104的设置可以进一步增加第一肖特基金属层102与半导体层101之间的势垒高度，进一步降低反向漏电。

本发明实施例三提供的二极管阳极结构，在半导体层上设置至少两个第一肖特基金属层，第一肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度，在半导体层上，且在第一肖特基金属层之间设置至少一个第二肖特基金属层，第二肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度，同时设置有至少两个与第一肖特基金属层对应的势垒调节区。采用上述技术方案，可以进一步增加第一肖特基金属层与半导体层之间的势垒高度，保证最大程度降低反向漏电电流，进一步提升二极管结构的性能。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的一种二极管阳极结构的剖面结构示意图，本实施例以上述实施例为基础，在上述实施例的基础上进行优化。具体的，本发明实施例提供的二极管阳极结构包括金属场板。

如图4所示，本发明实施例提供的二极管阳极结构包括半导体层101、第一肖特基金属层102、第二肖特基金属层103、介质层105以及金属场板106，金属场板106位于第一肖特基金属层102之上，覆盖第一肖特基金属层102的全部或者部分区域。可选的，金属场板106的材料可以为Ni、Ti、Al、Au等金属中的一种或多种的组合。可选的，介质层105位于半导体层101表面，且位于第一肖特基金属层102的边缘位置，介质层105的材料可以为SIN、SIO₂、Al₂O3中的一种或多种。

可选的，金属场板106可以是一层场板，如图4所示，也可以是多层场板或者阶梯形场板等其他本领域技术人员熟知的场板结构，本发明实施例不对金属场板106的具体类型进行限定。

可以理解的是，金属场板106的引入可以进一步降低第一肖特基金属层102边缘的电场强度，进一步降低反向漏电。

本发明实施例四提供的二极管阳极结构，在半导体层上设置至少两个第一肖特基金属层，第一肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第一肖特基势垒高度，在半导体层上，且在第一肖特基金属层之间设置至少一个第二肖特基金属层，第二肖特基金属层与半导体层形成肖特基接触，得到第二肖特基势垒高度，在第一肖特基金属层上设置有金属场板。采用上述技术方案，可以降低第一肖特基金属层边缘的电场强度，最大程度降低反向漏电，进一步提升二极管结构的性能。

实施例五

图5a和图5b均为本发明实施例五提供的一种纵向二极管的剖面结构示意图，本发明实施例提供的纵向二极管包括上述实施例提供的二极管阳极结构。

如图5a所示，本发明实施例提供的纵向二极管还包括：

衬底201；

重掺杂N型氮化镓层202，位于衬底201上；

至少两个阴极金属层203，位于重掺杂N型氮化镓层202上，与重掺杂N型氮化镓层202形成欧姆接触，所述二极管阳极结构，位于重掺杂N型氮化镓层202上，且位于相邻的两个阴极金属层203之间。

示例性的，衬底201的材料可以为GaN、Si、蓝宝石、SiN、AlN或其它可以外延生长III-V族氮化物的衬底材料。在衬底201上生长成核层(图中未画出)，缓冲层(图中未画出)，重掺杂N型氮化镓层202和上述实施例所述的二极管阳极结构。阴极金属层203与重掺杂N型氮化镓层202形成欧姆接触，形成二极管的阴极结构。

如图5b所示，本发明实施例提供的纵向二极管还包括：

阴极金属层301；

重掺杂N型氮化镓层302，位于阴极金属层301上，与阴极金属层301形成欧姆接触，所述二极管阳极结构，位于重掺杂N型氮化镓层302上。

图5b所示的纵向二极管，二极管阴极金属层301位于二极管阳极结构的背面，与图5a所示的纵向二极管相比，二极管阴极金属面积大，散热能力好。

需要说明的一点是，在纵向二极管结构中，二极管阳极结构中的半导体层101可以为低掺杂N型GaN。

纵向二极管结构优选具有凹槽结构的二极管阳极结构，凹槽结构可以将电场峰值的位置控制在凹槽结构区域，可以有效的发挥第一肖特基金属层的作用，避免第二肖特基金属层产生大的漏电和击穿。

本发明实施例五提供的纵向二极管，包含上述实施例所述的二极管阳极结构，具备上述二极管阳极结构的有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例提供的二极管阳极结构。

实施例六

图6为本发明实施例六提供的一种横向二极管的剖面结构示意图，本发明实施例提供的横向二极管包括上述实施例一到实施例四任一提供的二极管阳极结构。

如图6所示，本发明实施例提供的横向二极管还包括：

衬底401；

氮化镓层402，位于衬底401上；

铝镓氮层403，位于氮化镓层402上，与氮化镓层402在界面处形成二维电子气；

阴极金属层404，位于铝镓氮层403上，阴极金属层404的底部截止在铝镓氮层403或者氮化镓层402，与所述二维电子气形成欧姆接触；

所述二极管阳极结构位于铝镓氮层403上。

示例性的，当所述横向二极管外加正向电压时，氮化镓层402(沟道层)和铝镓氮层403(势垒层)组成半导体异质结结构，在氮化镓层402和铝镓氮层403的界面处形成高浓度的二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas,2DEG)，如图6中虚线所示，2DEG降低了寄生电阻，因而可以减小正向压降。横向二极管结构与纵向二极管结构降低漏电的机理不完全相同，外加反向电压时，横向二极管通过高势垒的第一肖特基金属层102对其下的2DEG进行耗尽，降低了阳极金属到欧姆电极的漏电。

需要说明的一点是，在横向二极管结构中，二极管阳极结构中的半导体层可以为铝镓氮层403，即可以直接在铝镓氮层403上形成第一肖特基金属层102和第二肖特基金属层103。

本发明实施例六提供的横向二极管，包含上述实施例所述的二极管阳极结构，具备上述二极管阳极结构的有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例提供的二极管阳极结构。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。