工艺与传统GaN HEMT工艺兼容，可以实现氮化镓二极管与HEMT的单片集成。
[0036]如图1所示，本发明的氮化镓异质结功率二极管，包括衬底基片1、设置在衬底基片I上表面的外延层2和设置在外延层2上表面的势皇层3，所述外延层2和势皇层3形成异质结；所述势皇层3两端分别设置有第一欧姆接触金属4和第二欧姆接触金属5，所述势皇层3在与第二欧姆接触金属5侧面连接处具有凹槽7，所述凹槽7与第一欧姆接触金属4之间的势皇层3上表面具有钝化层6 ;所述凹槽7底部及与钝化层6相连的侧壁以及钝化层6上表面具有绝缘介质8 ;所述第二欧姆接触金属5的上表面及凹槽7中具有肖特基金属9，所述肖特基金属9在绝缘介质8上表面向第一欧姆接触金属5方向延伸，所述外延层为GaN层，所述势皇层为AlXN层，所述X为Ga、In和Ga与In的混合物中的一种。。
[0037]本发明的工作原理为:
[0038]由于阳极肖特基金属下面的AlXN势皇层被减薄了，所以肖特基金属下方沟道处的二维电子气(2DEG)被完全耗尽。当阳极肖特基/栅介质/半导体MIS栅控结构的肖特基金属施加的电压小于开启电压时，阳极肖特基金属下方沟道处的二维电子气处于耗尽状态，阳极和阴极的欧姆接触金属不能形成导电通路，器件处于断开状态；当阳极肖特基金属施加的电压大于开启电压时，阳极MIS栅控结构下方的半导体一侧沟道处电子开始积累，形成了从阴极到阳极的电流通路，器件处于开启状态。图11为实验制备的传统氮化镓异质结肖特基势皇二极管(SBD) 二极管与氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的正向电流图，以If= ImA/mm为标准，传统结构的SBD开启电压为0.9V，而本发明的二极管的开启电压为0.6V，可见本发明所提出的二极管的开启电压比传统的肖特基势皇SBD 二极管小很多。图12为传统肖特基势皇二极管SBD和本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的反向电流图，本发明所提出的二极管与传统肖特基势皇二极管相比，反向电流降低了两个数量级，可见本发明的所提出的二极管能有效降低二极管的反向漏电，进而提高器件的反向耐压。需要特别指出的是:本发明可通过优化凹槽7的深度和绝缘层介质8的厚度来调节开启电压。
[0039]实施例:
[0040]图2-图9为本发明一种氮化镓异质结MIS功率二极管的制造工艺步骤示意图，其工艺流程如下:
[0041](I)利用金属有机化学气相淀积或分子束外延，在衬底基片I上依次生长GaN层2和势皇层AlXN层3，如图2所示；
[0042](2)采用光刻技术，蒸发(或溅射)欧姆金属，并进行快速热退火形成第一欧姆接触金属4和第二欧姆接触金属5，如图3所示；
[0043](3)采用离子注入技术或干法刻蚀台面技术，形成器件间隔离；
[0044](4)采用等离子体增强化学气相沉积，在异质结势皇层上均匀生长一层钝化层，如图4所示。采用光刻技术，光刻出凹槽区域图形，用湿法刻蚀或干法刻蚀将凹槽区域上面的钝化层刻蚀掉，其余钝化层作为凹槽刻蚀的刻蚀掩膜层，如图5所示；
[0045](5)采用两步刻蚀法在栅极下方异质结势皇层3至二维电子气沟道之间形成一个凹槽。第一步为快速刻蚀，采用电感耦合等离子体刻蚀技术，使用氯气和氯化硼混合等离子体快速刻蚀异质结势皇层，刻蚀时间为150秒，刻蚀深度约为异质结势皇层总厚度的三分之二(15nm)。第二步为慢速刻蚀，采用氧气等离子体反应技术，使用氧气等离子体氧化异质结势皇层，将异质结势皇层表面氧化；然后采用湿法刻蚀技术，将氮化镓基材料放入浓度为20%的稀盐酸溶液中，去除表面氧化层。慢速刻蚀技术为亚纳米刻蚀，慢速刻蚀技术的速率为0.5nm/次。重复该慢速刻蚀技术^^一次，刻蚀深度约为6nm。如图6所示，氮化镓基材料异质结势皇层厚度为23nm ；
[0046](6)采用原子层沉积技术，在整个凹槽和异质结势皇层3表面淀积20nm绝缘介质，作为绝缘介质8，如图7所示；
[0047](7)淀积绝缘介质后在氮气氛围中进行400摄氏度，10分钟的快速热退火，改善栅极绝缘介质8的质量及绝缘介质8与势皇层3之间的界面质量，减少绝缘介质8中的可移动电荷；
[0048](8)采用光刻技术，蒸发(或溅射)栅极金属9，如图8所示。
[0049]其中阳极采用混合阳极的方式由欧姆金属和肖特基金属相连构成。
[0050]图10到图13为本发明实验制备的二极管的电流-电压曲线。其中AlGaN势皇层厚度为23nm，Al组分为25%，阳极与阴极的距离Lac = 5，10，20um，凹槽深度为21nm，凹槽中绝缘介质8为原子层淀积技术生长的20nm厚A1203。图10为Lac = 5的传统肖特基势皇二极管SBD和本发明的氮化镓异质结功率二极管的正向电流图，以If= ImA/mm为标准，本发明提出的二极管的开启电压为0.6V，比传统的肖特基势皇二极管(SBD)的开启电压:0.9V小了 33%，在阳极加同样的电压下，本发明提出的二极管的电流是传统的肖特基SBD两倍左右，本发明可通过优化凹槽7的深度和绝缘层介质8的厚度来调节开启电压。图11为Lac = 5的传统肖特基势皇二极管(SBD)和本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的反向电流图，可以看出图1结构二极管的反向电流比图9结构的二极管在0-100V低两个量级，这说明本发明提出的MIS栅控结构可以有效降低传统肖特基势皇二极管SBD的反向电流。图12和图13为图1和图9结构在不同阳极与阴极间距情况下的耐压曲线，以反向漏电为Ir= ImA/mm为击穿标准时，当Lac为5 μπκΙΟ μπι、20 μm时图10结构即传统肖特基势皇二极管(SBD)的击穿电压测得分别为225V、330V、510V，而在更严格的反向漏电标准Ik= 10uA/mm时，本发明提出的二极管在Lac为5 ym和10 μ m的击穿电压分别为430V、860V,而Lac为20 μ m时外加反向电压1100V器件仍未击穿(测试受Keithley 2410设备限制)，可以看出阳极下方凹槽处淀积的绝缘介质形成的MIS栅控结构大大降低了二极管的反向漏电，有效的提高了二极管的反向耐压。上述结果说明本发明提出的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的有效性和可实施性。
【主权项】
1.一种氮化镓异质结MIS栅控功率二极管，包括衬底基片(I)、设置在衬底基片(I)上表面的外延层(2)和设置在外延层(2)上表面的势皇层(3)，所述外延层(2)和势皇层(3)形成异质结；所述势皇层(3)两端分别设置有第一欧姆接触金属(4)和第二欧姆接触金属(5)，所述势皇层(3)在与第二欧姆接触金属(5)侧面连接处具有凹槽(7)，所述凹槽(7)与第一欧姆接触金属(4)之间的势皇层(3)上表面具有钝化层(6);所述凹槽(7)底部及与钝化层(6)相连的侧壁以及钝化层(6)上表面具有绝缘介质(8);所述第二欧姆接触金属(5)的上表面及凹槽(7)中具有肖特基金属(9)，所述肖特基金属(9)在绝缘介质(8)上表面向第一欧姆接触金属(5)方向延伸。2.根据权利要求1所述的一种氮化镓异质结MIS栅控功率二极管，其特征在于，所述外延层⑵为GaN层，所述势皇层(3)为AlXN层，所述AlXN中X为Ga、In或者Ga与In的混合物中的一种。3.根据权利要求2所述的一种氮化镓异质结功率二极管，其特征在于，所述绝缘介质(8)为Si02、Si3N4、Al203、Mg0和HfO2中的一种或多种组合，其厚度为1-lOOnm。4.一种氮化镓异质结MIS功率二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:在衬底基片(I)上层依次外延生长外延层(2)和势皇层(3); 第二步:采用光刻技术，在势皇层(3)上表面两端器件的阳极和阴极区域淀积欧姆金属，并在纯氮气氛围下进行高温快速热退火，分别形成第一欧姆接触金属(4)和第二欧姆接触金属(5)； 第三步:采用离子注入技术或干法刻蚀台面技术，形成器件间隔离； 第四步:在第一欧姆接触金属(4)和第二欧姆接触金属(5)之间的势皇层(3)上表面生长钝化层6 ; 第五步:采用氟基气体刻蚀与第二欧姆接触金属(5)侧面相连钝化层￠)，形成凹槽(7)； 第六步:采用凹槽刻蚀技术刻蚀器件凹槽(7)中的势皇层(3)，将凹槽(7)中势皇层(3)刻蚀至沟道中二维电子气完全耗尽，凹槽(7)底部与外延层(2)之间的势皇层(3)厚度为I?3nm ;所述凹槽刻蚀技术为干法刻蚀和氧化湿法刻蚀其中的一种或者两者结合；第七步:在凹槽(7)中势皇层(3)上表面及侧面以及钝化层(6)上表面淀积绝缘介质(8)，淀积绝缘介质(8)后进行高温快速热退火，退火温度400?500摄氏度，退火时间为.10 ?15min ； 第八步:采用光刻技术，在第二欧姆接触金属(5)上表面及凹槽(J)中淀积阳极肖特基金属9，在凹槽(7)处形成肖特基金属/绝缘介质/半导体的MIS栅控结构。
【专利摘要】本发明涉及半导体器件技术领域，具体为一种氮化镓异质MIS栅控结功率二极管及其制造方法。本发明采用刻蚀阳极肖特基金属下方的势垒层来耗尽肖特基金属下方中的二维电子气，通过在刻蚀出的凹槽中淀积绝缘介质和肖特基金属形成肖特基金属/绝缘介质/半导体(MIS)栅控结构，MIS栅控结构不仅可以控制器件的开启和关断，而且能有效降低器件的反向漏电并提高器件的反向耐压；同时在二极管的阳极形成欧姆/肖特基金属短接的混合阳极设计，可以实现器件较低的正向开启电压。本发明的有益效果为，该二极管具有高反向耐压、高导通电流、低开启电压、低导通电阻和低功耗等优点。本发明尤其适用于氮化镓异质结功率二极管。
【IPC分类】H01L29/739, H01L29/66, H01L29/45, H01L29/872, H01L21/28, H01L29/40, H01L29/06
【公开号】CN104952938
【申请号】CN201510230709
【发明人】周琦, 陈博文, 靳旸, 李健, 鲍旭, 施媛媛, 汪玲, 陈万军, 张波
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月7日