制造垂直型高功率氮化镓pin二极管的方法
【技术领域】
[0001] 本发明所公开是一种制造垂直型高功率氮化镓PIN二极管的方法，特别是在蓝宝 石基板上成长氮化镓约8um厚度的为低浓度掺杂层，反向击穿电压可达到600V以上、导通 电组5mQ-cm2以下。
【背景技术】
[0002] 垂直式III-N(Ill-Nitride)功率元件，包括功率二极管与功率电晶体；其中电晶 体将以垂渠型栅极MISFET为研制标的，然PIN二极管同时具有可兼监测磊晶品质。唯有较 低差排缺陷密度才具有较反向高击穿电压和低漏电流。
[0003] 由于GaN的优异特性，诸如宽能隙（~3. 4eV)、高临界电场（~3MV/cm)、高电子 饱和速度（~2. 5X107cm/s)、热稳定性、化学惰性等，三族氮化物（Ill-Nitride)元件被视 为下一代功率元件基材之一。目前相对普遍的III-N功率元件结构为横向导通型AlGaN/ GaNHEMT元件，其主要特点包括：1)具有高浓度、高迁移率的原生2DEG(二维电子气）（n~ 1X1013cnT2,yn~1500cm2/V-s)，利于降低导通电阻；2)元件结构相对简单，所需的工序 技术相对成熟。此外，借由实现低缺陷异质磊晶，成长III-N元件于如硅晶圆等常用基板， 相对于另一潜力基材SiC，将更凸显其成本优势。然击穿电压可达2000V以上，导通电阻 为14. 8mQ-cm2的AlGaN/GaNHEMT，性能超越硅基功率电晶体，其为常开型（Normally-On/ DepletionMode)兀件，Vth为_2. 8V。
[0004] 然而AlGaN/GaNHEMT结构伴随着一些不易解决的缺点：1)由于是横向导通元件， 需占用较大的晶片面积，且特征导通电阻（Rm，sp)不易降低。2)高达~1013cnT2的原生2DEG 浓度导致元件的阀值电压（Vth)通常是负值，造成Normally-on(常开）的特性。3)由于是 表面横向型元件，电流的路径非常接近表面，任何表面缺陷将会影响元件的直流和切换特 性。4)表面钝化（Passivation)层的特性非常重要，其影响元件的击穿特性和可靠度。目 前很多的研究集中在这个领域，然而进展有限，尚未成功的导入高功率的市场，产品的规格 在200V以下。以目前最成熟的硅功率元件的经验来看，绝大部分电化运输系统中使用的 离散型（Discrete)功率元件均为垂直式结构，如UM0SFET、DM0SFET、IGBT等等，因此若能 发展垂直式(初期为准垂直式）的III-N元件，包括二极管与电晶体，将会有非常大的优势。 2005年美国的Velox公司（现为STMicroelectronics合并)实现600V准垂直式肖特基二 极管（SchottkyBarrierDiode，SBD)于蓝宝石基板上，宣称其特性和碳化硅肖特基二极管 相当，而成本可以降低一半。日本P0WDEC于2010年底以磊晶层移转技术实现600V垂直式 肖特基二极管。2011年北卡大学Prof.Baliga的研究群发表在BulkGaN材料上制作的垂 直式肖特基二极管击穿击穿电压可达1650V。
[0005] 磊晶与工序技术开发，对垂直式元件的成功开发与否，至为重要。举例而言， 0n-GaN元件磊晶技术可提供高品质垂直式结构，低缺陷异质磊晶技术、磊晶层移转键合技 术为准垂直式进化至垂直式结构的关键，择区性/二次III-N磊晶技术、区域性掺杂及活 化技术为所有元件的基础，高品质栅极介电层沉积技术为MISFET元件制作的关键。此关 键技术的执行皆须辅以材料(磊晶、工序）检析技术。元件应用并整合前述关键技术逐步实 现高功率元件。对功率晶体管而言，常关型（Normally-Off)的特性对电力系统的操作安全 (Fail-Safe)极为重要，一般600-VSiMOSFET的阀值电压（Vth)约须达2. 5V以上以避免误 动作。如为采用非导电基板或缓冲层，且磊晶层转移键合技术尚无法施行前，准垂直式结构 为测试工序的阶段性目的，源极（S)及漏极（D)将同位于元件上表，考虑都为有限的接触面 积(不像垂直结构可以全晶背作为漏极)，且低电阻欧姆接触（Pl〇_6Q-cm2)的形成有赖 高温（~800°C以上）退火，为不影响栅极（G)介电层特性，同时保留其工序弹性。
[0006] 除元件嘉晶品质与主动区结构外，边缘电场抑制（EdgeTermination)对元件的 高压特性亦极为重要，特别是当内建极化或压电电场的存在使有效临界电场降低时。例如 熟知横向元件用以抑制栅极端边缘电场所采用的FieldPlate(FP)(场板）及Recessed Gate(凹栅)，或二极管元件用于抑制主动区电极边缘电场的FieldPlate、Junction TerminationExtension(JTE)(终结端扩展)、GuardRing(保护环）等。借由采用高介电 系数（High-k)FP，4H-SiCSBD(肖特基势垒二极管）的接面边缘最大电场可自7MV/cm降至 3. 6MV/cm，促使实际元件击穿击穿电压达到2249V，约为理论值的90%。另两种边缘电场抑 制技术JTE与离子注入形成的GuardRing。另日本P0WDEC今年（2012)发表击穿击穿电 压高达 6000V的分极接合晶体管（PolarizationJunctionHFET，PJ-HFET)，其利用p-GaN 覆盖层使AlGaN层产生分极电荷，促使栅/漏极间的电场均匀化。
【发明内容】
[0007] 本发明公开与一种高功率PIN二极管有关，特别是在蓝宝石基板上成长氮化镓约 8um厚度的为低浓度掺杂层，反向击穿击穿电压可达到600V以上、导通电组5mQ-cm2以下。
[0008] 具体为：
[0009] 一种制造垂直型高功率氮化镓PIN二极管的方法，其包含以下步骤：
[0010] 提供半导体积层或异质基板；以及
[0011] 在该半导体积层或该异质基板上形成平台。
[0012] 如本发明的方法，其中，该半导体积层或该异质基板包含上层区块与下层区块；该 下层区块为该平台且紧邻半导体积层或异质基板上表面；以及该上层区块为垂直型高功率 氮化镓PIN的二极管层，与该半导体积层或异质基板一体成型且连续性衔接。
[0013] 如本发明中任一项的制造方法，其中，欧姆接触与浓度为lxl019cnT3的N型氮化镓；