专利名称：具有低正向电压及低反向电流操作的氮化镓基底的二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及二极管，更明确地说，本发明涉及显示出改善的正向电压和反向漏电电流特性的氮化镓基底的二极管。
背景技术：
整流二极管是低电压转换、电源供应、电源转换器和相关的应用中最广为使用的器件之一。要达到最有效率的操作，最好能使二极管有低通态压(0.1-0.2伏特或更低)、低反向漏电电流、高电压阻断能力(20-30伏特)和高转换速度。
最常见的二极管是由具有引入不纯成分的硅(Si)，在一控制的模式下来调整该二极管的操作特性所制成的pn接面二极管。二极管也可以由例如砷化镓(GaAs)和碳化硅(SiC)等其他半导体材料来形成。接面二极管的一个缺点是在正向传导期间，二极管的电力损失在大电流量时会变得相当大。
萧特基整流二极管是一种特别形式的整流二极管，其由一可整流的金属-半导体障壁区域所构成，而非一pn接面。当金属接触半导体，一障壁区域会被形成在两者间的接面处。当被正确地制造时，该障壁区域会将电荷储存效应降到最小并藉由缩短关闭(turn-off)时间来促进二极管的转换[L.P.Hunter，半导体器件第1-10页(1970年)的半导体材料、器件、和电路物理]。常见的萧特基二极管具有比pn接面二极管低的开启电压(约0.5伏特)，并且二极管中的能量损失会对系统造成显著冲击的应用上(例如转换电源供应内的输出整流器)是较希望被使用的。
传统的萧特基二极管将通态压降至低于0.5伏特的方法之一是降低它们的表面障壁电压。但是，这会导致反向漏电电流的增加。此外，降低的障壁位能差会降低高温操作的品质并且导致反向偏压操作下的软性崩溃特性(soft breakdowncharacteristics)。
并且，萧特基二极管通常是由砷化镓所制成，这种材料的一个缺点是其费米能级(或表面电势)是不变的或固定在约0.7伏特左右。因此，开启状态正向电压(Vf)是固定的。无论用来接触半导体的金属是何种型式，表面电势都无法降低至低于Vf。
近来，硅基底的萧特基整流二极管已被发展成具有较低的Vf。(IXYS公司，硅基底电源萧特基整流器，零件编号DSS 20-0015B；国际整流器，硅基底萧特基整流器，零件编号11DQ09)。这些装置的萧特基障壁表面电势约在0.4伏特，且具有约在0.3-0.4伏特的较低极限的Vf。在实际的效用上以正规的使用钛的金属化方法处理时最低可达到的萧特基障壁电压在0.4伏特左右。这导致电流密度在100安培/平方厘米的约在0.25伏特的Vf。
其他具有操作电流密度在100安培/平方厘米的约0.25伏特的Vf的混合结构(具有0.58伏特的障壁位能)也有披露。(M.Mehrotra、B.J.Baliga，「沟槽金氧半障壁萧特基(TMBS)整流器」，国际电子器件会议，1993年)。这样的一个设计是具有用来修饰电场以最小化反向漏电的pn接面的接面障壁控制的萧特基整流器。另一种装置是沟槽金氧半障壁整流器，其中沟槽和金氧半障壁的功能是用来调整电场量变(profile)。此装置的一个缺点是由pn接面所导致的电容。并且，在以III族氮化物为基的装置内制造pn接面是有点困难的。
氮化镓(GaN)材料系统已被使用在例如高效蓝光和绿光发光二极管和雷射的光电装置内，以及例如高功率微波电晶体的电子装置内。氮化镓有3.4电子伏特(eV)宽的直接能隙，高电子速度(2×107厘米/秒)，高崩溃场(breakdown field)(2×106伏特/厘米)和异质结构的可得性。
发明内容
本发明提供具有低Vf的创新的以III族氮化物为基的二极管。创新的二极管的实施例也包括用来保持相对低的反向电流(Irev)的结构。
创新的二极管较佳者是由氮化镓材料系统形成，并且不像由例如砷化镓的材料所制造的传统的二极管一般，氮化镓的费米能级(或表面电势)并不固定在其表面能态。在氮化镓萧特基二极管中，金属-半导体接面的障壁高度是依据使用的金属类型而定。使用特别的金属将会降低二极管的萧特基障壁高度并使Vf落在0.1-0.3伏特的范围内。
创新的氮化镓萧特基二极管通常包含一n+的氮化镓层在基材上，以及一n-的氮化镓层在该n+的氮化镓层的相对于该基材的一侧上。电阻金属接点是包含在该n+氮化镓层上，与该n-氮化镓层隔离，并且一萧特基金属层是被包含在该n-氮化镓层上。要被整流的讯号通过该萧特基金属和电阻金属接点施加至该二极管。当该萧特基金属被沉积在该n-氮化镓层上时，一障壁电压便在该n-氮化镓在两者之间的表面上形成。该萧特基金属层有一功函数，其决定了该障壁电压的高度。
使用可以降低萧特基障壁电压的金属会导致低的Vf，但也会导致Irev不想要的增加。本发明的第二实施例藉由在该二极管的表面上包含一沟槽结构来降低Irev。本结构防止了该创新的二极管在反向偏压下电场的增加。因此，萧特基障壁电压降低了，因而有助于降低Irev。
该沟槽结构较佳者是形成在该n-氮化镓层上，而且含有一些在相邻沟槽之间具有平台区域的互相平行、间距相等的沟槽。每一个沟槽的侧壁和底表面上都有一绝缘层。一连续的萧特基金属层是在该沟槽结构上，覆盖该绝缘层和沟槽之间的平台。或者，每一个沟槽的侧壁和底表面可以用金属而非绝缘体来覆盖，并且该金属与该萧特基金属是电隔离的。该平台区域选用的掺杂浓度和宽度可在该金属-半导体接点下产生想要的电场重新分配。
本发明的第三实施例提供一具有因电子穿隧过(而非越过)该障壁电压而形成低Vf的氮化镓隧道二极管(tunnel diode)。本实施例具有一基材，一n+氮化镓层夹在该基材和一n-氮化镓层之间。一氮化铝镓(AlGaN)障壁层被包含在与该n+氮化镓层相对的该n-氮化镓层上。一电阻接点被包含在该n+氮化镓层上，并且一顶部接点是被包含在该氮化铝镓层上。待整流的讯号被施加在该电阻和顶部接点之间。
在该障壁层不同的厚度和铝克分子比导致不同的正向和反向操作特性下，该障壁层的设计可将正向穿隧可能性最大化。在一特定的厚度和铝克分子比下，该二极管有低的Vf和低的Irev。使用较厚的障壁层和/或增加铝克分子浓度则降低了Vf并增加了Irev。当厚度或克分子比进一步增加，该创新的二极管会呈现电阻操作特性，或变成一传统的萧特基二极管。
本发明的这些和其他进一步的特色和优点由如下的详细说明，与附随的图示一起，对那些熟知技艺者来说会变得显而易见，其中
图1是本发明的一氮化镓萧特基二极管实施例的剖面图；图2是一图表，其显示一般金属的功函数与其原子序的关系；图3是图1中所示的二极管的能带图；图4是图1的氮化镓萧特基二极管的另一个实施例的剖面图，具有一沟槽结构以降低反向漏电电流；图5是本发明的一隧道二极管实施例的剖面图；图6是图5的隧道二极管具有一22埃厚度和30％铝克分子比的障壁层的能带图；图7是一图表，其显示具有图6的能带图的该创新的隧道二极管的电压/电流特性；图8是图5的隧道二极管具有一30埃厚度和30％铝克分子比的障壁层的能带图；图9是一图表，其显示具有图8的能带图的该创新的隧道二极管的电压/电流特性；图10是图5的隧道二极管具有一38埃厚度和30％铝克分子比的障壁层的能带图；图11是一图表，其显示具有图10的能带图的该创新的隧道二极管的电压/电流特性；及图12是本发明的一隧道二极管实施例的剖面图，具有一沟槽结构以降低反向漏电电流。
较佳实施例的描述图1显示一根据本发明所制造的具有降低的金属至半导体障壁电压的萧特基二极管10。该创新的二极管是由以III族氮化物为基的材料系统或其他费米能级不固定在其表面能态的材料系统所形成。III族氮化物是指那些由氮和周期表的III族内的元素，通常是铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)所形成的半导体化合物。该词也指三元(ternary)和特(tertiary)化合物，例如氮化铝镓和氮化铝铟镓(AlInGaN)。对于该创新的二极管来说较佳的材料是氮化镓和氮化铝镓。
该创新的二极管10含有一基材11，其若不是蓝宝石(Al2O3)、硅，就是碳化硅，且较佳的基材是一4H多型结构(polytype)的碳化硅。其他多型结构的碳化硅也可以被使用，包含3C、6H和15R多型结构。一AlxGa1-xN缓冲层12(其中x在0和1之间)被包含在基材11上，并在碳化硅基材和二极管10的其他的结构之间提供一适当的晶格结构过渡。
碳化硅对III族氮化物有比蓝宝石更为接近的晶格结构匹配并使III族氮化物薄膜具有较高的品质。碳化硅也有非常高的热传导性以至于在碳化硅上的III族氮化物元件的总输出功率不会被基材的散热所限制(如一些在蓝宝石上所形成的元件的情况)。并且，碳化硅基材的实用性为元件隔离和降低的寄生电容提供了空间，使得元件商业化成为可能。碳化硅基材可自北卡罗莱纳州(North Carolina)达拉谟(Durham)的克里研究公司(Cree Research，Inc.)取得，其制造方法在科学文摘(scientific literature)以及美国专利第34,861、4,946,547和5,200,022中被提到。
该创新的二极管10在基材11上有一n+氮化镓层12，以及一n-氮化镓层13在该n+氮化镓层12相对基材11的另一侧上。n+层12被高度掺杂至浓度为至少每立方厘米(cm3)1018，而较佳浓度是这个数目的5至10倍。n-层13有较低的掺杂浓度，但仍然是n-型并且杂质浓度最好是在每立方厘米5×1014至5×1017的范围内。n-层13的厚度最好为0.5至1微米，且n+层12的厚度为0.1至1.5微米，虽然其他厚度也可以使用。
n-氮化镓层13的某些部分被蚀刻至n+层的位置，并且电阻金属接点14a和14b是被包含在蚀刻区域内的n+氮化镓层上，以使其与n-氮化镓层13电隔离。在另一个实施例中，一或多个电阻接点可以被包含在没有被n+氮化镓层12所覆盖的基材的表面上。该实施例对并非n型的基材特别适用。一萧特基金属层16被包含在n-氮化镓层13相对n+氮化镓层12的一侧上。
金属的功函数是在一真空中自金属除去一电子所需要的能量，而材料的费米能级是有50％可能性找到带电载子的能级。半导体的电子亲和力是真空能级和导带能级之间的差异。
如上所述，氮化镓的表面费米能级是不固定的，因此，有不同功函数的萧特基金属会导致不同的障壁电压。障壁电压由以下公式估计障壁高度＝功函数-半导体的电子亲和力图2是一图表20，显示了真空内各种金属表面的金属功函数21与个别金属原子序22之间的关系。选择的金属应该具有低的萧特基障壁电压和低的Vf、但要高到足以使反向电流维持在低的程度。例如，若被选择的金属具有与半导体的电子亲和力相当的功函数，障壁电压则会接近零。这会导致Vf接近零，同时也增加了二极管的反向电流，使得该二极管在本质上成为电阻的并且无法提供整流的作用。
可以使用许多不同的金属以达到低的障壁高度，较佳的金属包括钛(4.6功函数)23、铬(4.7)24、铌(4.3)25、锡(4.4)26、钨(4.6)27和钽(4.3)28。铬24导致可接受的障壁电压并且可藉由传统的方法轻易地沉积。
图3显示了一从该创新的萧特基障壁二极管穿过的一垂直线上得到的典型的能带图30。该图显示了萧特基金属31、氮化镓半导体层32和萧特基障壁电压33的能级。
在用萧特基金属接点氮化镓半导体材料之前，两者的费米能级是不同的。一旦发生接触且两种材料变成一单一热力系统后，该系统的单一的费米能级就会产生。这是藉由电子从具有较高的费米能级的半导体材料流动到具有较低的费米能级的萧特基金属所导致。半导体的电子藉由流动至金属来降低他们的能量。这使得半导体的离子化施体能级数稍微超过其自由电子数，因此该半导体会有净正电荷。自半导体流至金属内的电子致使该金属具有负静电荷。半导体的能级因此被降低，而金属的则提高了。此电子表面电荷的存在以及半导体的非中和的电荷离子化施体能级的存在产生形成障壁电压的偶极层。
在操作上，待由该创新的萧特基二极管10整流的讯号通过萧特基金属层16和电阻接点14a和14b被施加。讯号整流起因于n-氮化镓层13表面的障壁电压的存在，其抑制了半导体内电荷粒子的流动。当萧特基金属层16相对于半导体是正的时(正向偏压)，障壁的半导体侧上的能量会提高。然后，导带上大量的自由电子于是可以流动至金属内。半导体侧的能量升得越高，障壁顶部上面的一能量处电子就越多，直到最后，在大的偏压电压下，半导体内自由电子的整个分布可以超越障壁。电压对电流的特性在本质上成为电阻。障壁越低，需要超越障壁的Vf就越低。
但是，如上所讨论，降低障壁能级也会增加反向漏电电流。当半导体相对于金属是正的时(反向偏压)，障壁的半导体侧相对于金属侧是低的，以至于电子能够自由流动通过障壁的顶部无阻碍地到达半导体。在障壁顶部上方的金属中存在的电子数量与半导体内的电子总数比较起来通常是非常少的。结果导致非常低的电流特性。当电压大到足够可以切断所有流动的电子时，电流会饱和。障壁电压越低，需要用来使电流饱和的反向偏压就越低。
图4显示了该创新的氮化镓萧特基二极管40的另一个实施例，其利用降低障壁高度来处理反向电流增加的问题。二极管40与上面的实施例是相似的，具有一相似的基材41、n+氮化镓层42、和电阻金属接点43a和43b，它们也可以被包含在基材的表面上。其也具有一n-氮化镓层44，但是此层并非是平面的，其具有在n-氮化镓层内包含沟槽46的二维沟槽结构45。较佳的沟槽结构45包含互相平行且间距相等并具有保留在相邻沟槽之间的平台区域49的沟槽46。每一沟槽46都有一覆盖其侧壁46a和底表面46b的绝缘层47。许多不同的绝缘材料可以被使用，较佳的材料是氮化硅(SiN)。一萧特基金属层48被包含在整个沟槽结构45上方，将绝缘层夹在萧特基金属和沟槽侧壁及底表面之间，并覆盖住平台区域49。该平台区域在萧特基金属和n-氮化镓层44之间提供直接接触区域。或者，每一个沟槽可以用金属代替绝缘体来覆盖。在此实施例中，萧特基金属应该是与沟槽金属绝缘和/或隔离开来。
平台区域49具有被选择以在平台的金属-半导体接面下产生电场重新分配的掺杂浓度和宽度。这导致二极管电场的峰值被推移开萧特基障壁并且强度减少。这在减少障壁降低的同时增加了反向偏压电压，其帮助防止反向漏电电流急速增加。
此重新分配的发生是因为在平台49内的电荷与在顶表面上的萧特基金属层48以及与在沟槽侧壁46a和底表面46b上的金属的耦合。然后，该损耗从顶表面(如在一传统的萧特基整流器内)和沟槽侧壁46a延伸，从侧壁损耗传导区域。该侧壁损耗降低了萧特基金属层48下的电场，并且也可以被想成是「去掉」了反向漏电电流。沟槽结构45将该反向漏电电流保持在相对低的程度，甚至包括低的障壁电压和低的Vf。
较佳的沟槽结构45具有宽度为该萧特基障壁区域宽度的一至两倍的沟槽46。因此，若障壁区域是0.7至1.0微米，沟槽宽度可以在0.7至2微米的范围内。
上述的二极管10和40是利用已知技术来制造。它们的n+和n-氮化镓层藉由已知的沈积技术沉积在基材上，包括但不限于有机金属化学气相沉积(MOCVD)。对于二极管10，n-氮化镓层13藉由已知的蚀刻技术蚀刻至n+氮化镓层12的位置，例如化学、反应离子蚀刻(RIE)、或离子研磨蚀刻(ion mill etching)。萧特基金属层16和电阻金属层14a和14b是藉由标准金属化技术形成在该二极管10上。
至于二极管40，在n+和n-层42和44被沉积在基材上之后，n-氮化镓层44藉由化学或离子研磨蚀刻来蚀刻以形成沟槽46。n-氮化镓层44为了电阻金属43a和43b进一步被蚀刻至n+氮化镓层42的位置。然后，氮化硅绝缘层47被沉积在整个沟槽结构45的上方，且将该氮化硅层在平台49的部分蚀刻掉。作为最后一个步骤，一连续的萧特基金属层48利用标准金属化技术被形成在沟槽结构45的上方，覆盖绝缘层47和暴露出来的沟槽平台49。电阻金属也利用标准金属化技术被形成在n+氮化镓层42上。在以金属覆盖沟槽的沟槽二极管的实施例中，该金属也可以利用标准金属化技术来沉积。
隧道二极管图5显示了该创新的二极管的另一个实施例50，其中Vf是低的，因为在正向偏压下电子穿隧通过障壁区域。藉由穿隧通过该障壁，电子不需要藉由传统热电子放射越过障壁的方式来通过该障壁。
就像图1和图4中的实施例，该创新的隧道二极管50是由以III族氮化物为基的材料系统所形成，并且较佳者是由氮化镓、氮化铝镓、或氮化铟镓形成，但是其他的材料系统也可以使用。极性和非极性材料的组成物可以被使用，包括极性材料在极性材料上和极性材料在非极性材料上。这些材料的一些例子包括复合极性氧化物，例如钛酸锶、铌酸锂、钛酸铅锆，以及非复合/二元氧化物，例如氧化锌。材料可以被用在硅或任何硅/介电质堆叠，只要穿隧电流是许可的。
该二极管50具有一个若不是由蓝宝石、碳化硅(SiC)，就是由硅所组成的基材51，其中基于上面所述的原因，碳化硅是较佳的基材材料。该基材上具有一n+氮化镓层52，在n+氮化镓层52相对基材51的一侧上具有一n-氮化镓层53。一氮化铝镓障壁层54被包含在n-氮化镓层相对n+氮化镓模板层52的一侧上。在二极管50的边缘上，障壁层54和n-氮化镓层53被向下蚀刻至n+氮化镓层52处，并且电阻金属接点55a和55b被包含在n+氮化镓层52上的蚀刻区域内。如前面的结构般，该电阻接点也可以被包含在基材的表面上。一金属接点层56被包含在氮化铝镓障壁层54上相对n-氮化镓层53的一侧上。待整流的讯号通过该电阻接点55a和55b以及顶部金属接点56被施加。
该氮化铝镓障壁层54起穿隧障壁的作用。通过障壁的隧道效应是一个量子力学的现象，并且可以使障壁层54的厚度和铝克分子比两者皆不同，使正向穿隧性能达到最大。氮化铝镓-氮化镓材料系统具有内嵌的压电应力，其导致压电偶极。通常压电应力和诱导电荷两者会随着障壁层的厚度而增加。在正向偏压时，来自该压电电荷的电子加强了穿隧，因为它们对传导来说是有助益的，以至于可以发生穿隧的能态数目增加了。因此，该创新的隧道二极管可以由其他显示此类型压电电荷的极性材料来制造。
但是，在反向偏压下，压电电荷也容许反向漏电电流增加。障壁层的厚度越厚或增加的铝克分子比越多，会导致Vf降低，但是也导致Irev增加。因此，该障壁层的一特定的铝克分子比具有一较佳的障壁层厚度，可以达到低Vf和相当低的Irev的操作特性。
图6-11显示该创新的二极管在具有30％的铝的三种不同的氮化铝镓障壁层厚度下的整流特性。每一个厚度都有一能带图和一相应的电压与电流的关系图。
图6显示该隧道二极管50具有22埃厚的障壁层54的能带图60。图中示出在障壁层63和n-氮化镓半导体层62之间的接面处的典型的障壁电压61。顶部接点金属64是在障壁层63相对半导体层的一侧上。图7显示一图表70，该图绘制出图6中的二极管相应的电流对电压特性。其具有一约在0.1伏特的Vf71和低反向电流(Irev)72。
图8显示相同的隧道二极管具有30埃厚的障壁层的能带图80。增加的障壁层厚度增加了障壁区域的压电电荷，从而增强穿透障壁的隧道效应。这使得在障壁层82和n-氮化镓层83之间的接面处的障壁电压81变平。当施加正向偏压时电荷不需要克服该障壁，大幅地降低了二极管的Vf。但是，变平的障壁也容许了反向漏电电流(Irev)的增加。图9是一图表90，它显示Vf91比图7中的Vf要低。并且，Irev92与图7中的Irev相较是增加的。
图10显示相同的隧道二极管具有38埃厚的障壁层的能带图100。再一次，增加的障壁层厚度增加了障壁区域的压电电荷。在此厚度下，在障壁层102和n-氮化镓层103之间的障壁电压101缩小接近该障壁层和n-氮化镓层之间接面处，这导致对于正向和反向偏压两者的电荷来说皆没有障壁。图11显示一相应的电流对电压特性的图表110。二极管100在正向和反向偏压下经受了直接的正向和反向电流，使得该二极管本质上变为电阻。
在障壁层中的铝克分子浓度不同的情况下，要达到图6至11中所示的特性时，该障壁层的厚度就会不同。
图12显示具有一沟槽结构121以降低漏电电流的创新的隧道二极管120。如上面的萧特基二极管40，该沟槽结构包含一些互相平行、间距相等的沟槽122，但是在这个隧道二极管中，它们被蚀刻穿过氮化铝镓障壁层123和n-氮化镓层124，至n+氮化镓层125(AP氮化镓模板)。在相邻的沟槽122之间有平台区域126。沟槽侧壁和底表面具有一绝缘层127，并有顶部萧特基金属层128覆盖住整个沟槽结构121。该沟槽结构的作用方式与上述的实施例相同，降低了反向电流。这对具有一在正向一电压下会产生直接正向电流的障壁层厚度的隧道二极管来说是有用的。藉由使用沟槽结构，该二极管也可以有改善的反向漏电电流。也如同上述般，沟槽侧壁和底表面也可以被一金属覆盖，只要其与该萧特基金属层128隔离开来。
虽然已参照特定的较佳实施样态对本发明作了相当详细的描述，其他的变型是可能的。因此，附加的权项的精神和范围不应该被限制在说明书内所描述的较佳实施样态。
图中标号的简单说明10萧特基二极管11，41，51基材12，42，52，125 n+氧化镓层13，44，53，62，83，103，124 n-氧化镓层14a，14b，43a，43b，55a，55b 电阻金属接点16，48，128 萧特基金属层20，70，90，110 图表21金属功函数22金属原子序23钛24铬25铌26锡27钨28钽30，60，80，100 能带图31萧特基金属32氧化镓半导体层33，61，81，101 萧特基障壁电压40氧化镓萧特基二极管45，121 沟槽结构46，122 沟槽46a 侧壁46b 底表面47，127 绝缘层49，126 平台区域50，120 隧道二极管
54，63，82，102，123 障壁层56 金属接点层64 顶部接点金属71，91 通态压72，92 反向电流
权利要求
1.一种以III族氮化物为基的二极管，其包括一n+掺杂的氮化镓层(42)；一在所述n+氮化镓层(42)上的n-掺杂的氮化镓层(44)；一在所述n-掺杂的氮化镓层(44)上的萧特基金属层(48)，该金属层具有一功函数，所述n-氮化镓层(44)与所述萧特基金属层(48)形成一接面，该接面具有一依赖于所述萧特基金属层(48)的功函数的障壁电压能级(33)；以及一在所述n-层(44)的表面上的沟槽结构(45)，所述二极管在反向偏压下经受一反向漏电电流，所述沟槽结构(45)降低反向漏电电流量。
2.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述障壁电压(33)依赖所述萧特基金属功函数。
3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述n-掺杂的氮化镓层(44)具有一电子亲和力，所述障壁电压(33)大致上等于所述萧特基金属功函数减去所述电子亲和力。
4.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一与所述n+氮化镓层(42)邻接、与所述n-掺杂的氮化镓层(44)相对的基材(41)。
5.如权利要求4所述的二极管，其特征在于，所述基材(41)是蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅(Si)。
6.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述萧特基金属层(48)是选自由钛、铬、铌、锡、钨和钽组成的组中的金属之一。
7.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂的氮化镓层(42)被掺杂至浓度为至少每立方厘米(cm3)1018。
8.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述n-掺杂的氮化镓层(44)被掺杂至浓度为每立方厘米5×1014至5×1017的范围内。
9.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述沟槽结构(45)含有多个在相邻的沟槽之间具有平台区域(49)的沟槽(46)，所述沟槽(46)具有用一绝缘材料(47)涂覆的侧壁(46a)和一底表面(46b)，所述萧特基金属层(48)覆盖所述沟槽(46)和平台区域(49)，所述绝缘材料(47)被夹在所述萧特基金属层(48)和所述侧壁(46a)和底表面(46b)之间。
10.如权利要求9所述的二极管，其特征在于，所述多个沟槽(46)互相平行且间距相等。
11.如权利要求9所述的二极管，其特征在于，所述绝缘材料(47)是氮化硅(SiN)。
12.如权利要求9所述的二极管，其特征在于，所述绝缘材料(47)被一具有高功函数的金属所取代。
13.如权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一在所述n+氮化镓层(12)上的电阻接点(43a，43b)，一讯号施加在所述电阻接点(43a，43b)和所述萧特基金属层(48)两端之间的所述的元件上。
14.一种二极管，其包括一高掺杂的氮化镓半导体材料层(42)；一邻接于所述高掺杂的氮化镓半导体材料层(42)的低掺杂的氮化镓半导体材料层(44)，所述低掺杂层具有一没有被固定的表面电势；一在所述低掺杂的氮化镓半导体材料层(44)上的萧特基金属层(48)，所述低掺杂的氮化镓半导体材料层(44)与所述萧特基金属层(48)形成一接面，所述萧特基金属层(48)具有一依赖该萧特基金属类型的障壁电压能级(33)，在可使所述二极管起一低正向电压的二极管作用的所述障壁电压的量值下，所述二极管在反向偏压下经受一反向漏电电流；以及一使所述反向漏电电流量降低的装置。
15.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，所述掺杂层(42，44)是掺杂n型。
16.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，在所述掺杂层(42，44)中的所述半导体材料是III族氮化物。
17.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，所述高掺杂的半导体(42)是n+掺杂的氮化镓层，所述低掺杂的半导体(44)是n-掺杂的氮化镓层。
18.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，所述萧特基金属层(48)具有一功函数，所述障壁电压(33)具有一改变依赖所述萧特基金属层(48)的功函数的能级。
19.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一与所述高掺杂层(42)邻接、与所述低掺杂层(44)相对的基材(41)。
20.如权利要求19所述的二极管，其特征在于，所述基材(41)是蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅(Si)。
21.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，所述萧特基金属层(48)是选自由钛、铬、铌、锡、钨和钽组成的组中的金属之一。
22.如权利要求17所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂的氮化镓层(42)被掺杂至浓度为至少每立方厘米(cm3)1018。
23.如权利要求17所述的二极管，其特征在于，所述n-掺杂的氮化镓层(44)被掺杂至浓度为每立方厘米5×1014至5×1017的范围内。
24.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，降低所述反向漏电电流的装置包括一在所述低掺杂的半导体材料(44)的表面上的沟槽结构(45)，所述二极管在反向偏压下经受一反向漏电电流，所述沟槽结构(45)降低反向漏电电流量。
25.如权利要求24所述的二极管，其特征在于，所述沟槽结构(45)含有多个在相邻的沟槽之间具有平台区域(49)的沟槽(46)，每一个所述沟槽(46)具有用一绝缘材料(47)涂覆的侧壁(46a)和一底表面(46b)，所述萧特基金属层(48)覆盖所述沟槽(46)和平台区域(49)，所述绝缘材料(47)被夹在所述萧特基金属层(48)和所述侧壁(46a)和底表面(46b)之间。
26.如权利要求25所述的二极管，其特征在于，所述绝缘材料(47)被一具有高功函数的金属所取代。
27.如权利要求14所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一在所述高掺杂的半导体材料上的电阻接点(43a，43b)。
28.一种隧道二极管，其包括一n+掺杂层(52)；一邻接于所述n+掺杂层(52)的n-掺杂层(53)；一与所述n-掺杂层(53)邻接，与所述n+层(52)相对的障壁层(54)；以及一在所述障壁层(54)上与所述n-掺杂层(53)相对的金属层(56)，所述n-掺杂层(53)与所述障壁层(54)形成一接面，该接面具有一障壁电压(81)，由于在正向偏压下通过所述障壁电压(81)的电子隧道效应的结果，使所述二极管的通态压降低。
29.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述障壁层(54)具有压电偶极，藉由增强电子隧道效应使该二极管的通态压降低。
30.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述压电偶极的数目随着所述障壁层厚度的增加而增加，同时仍然允许穿隧电流。
31.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一与所述n+层(52)邻接，与所述n-掺杂层(53)相对的基材(51)，所述基材(51)包括蓝宝石、碳化硅或硅。
32.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂层(52)，n-掺杂层(53)和障壁层(54)包括极性材料。
33.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂层(52)，n-掺杂层(53)和障壁层(54)都由III族氮化物材料系统制成。
34.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂层(52)，n-掺杂层(53)和障壁层(54)是铝镓氮材料。
35.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂层(52)，n-掺杂层(53)和障壁层(54)是由极性或非极性材料，或它们的组成物形成的。
36.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂层(52)，n-掺杂层(53)和障壁层(54)是由复合的极性氧化物，诸如钛酸锶、铌酸锂、钛酸铅锆，或它们的组合物形成的。
37.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述n+掺杂层(52)，n-掺杂层(53)和障壁层(54)是由二元极性氧化物，诸如氧化锌形成的。
38.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一在所述障壁和n-掺杂层(123、124)内的沟槽结构(121)，所述二极管在反向偏压下经受一反向漏电电流，所述沟槽结构(121)降低了所述反向漏电电流量。
39.如权利要求28所述的二极管，其特征在于，所述沟槽结构(121)包括多个在所述障壁和所述n-层(123、124)内且在相邻的沟槽(122)之间具有平台区域(126)的沟槽(122)，每一个所述沟槽(122)具有用一绝缘材料(127)涂覆的侧壁和一底表面，所述金属层(128)覆盖所述沟槽(122)和平台区域(126)，所述绝缘材料(127)被夹在所述金属层(128)以及所述侧壁和底表面之间。
40.如权利要求39所述的二极管，其特征在于，所述所述绝缘材料(127)由一具有高功函数的金属所替代。
41.如权利要求39所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一在所述n+掺杂层上的电阻接点(55a，55b)。
42.一种萧特基二极管，其包括一半导体材料(42，44)，该材料具有一没有被固定的表面电势；以及一萧特基金属(48)，该金属具有一功函数并与所述半导体材料(44)形成一接面，该接面具有一障壁电压(33)，所述障壁电压(33)的高度取决于所述功函数。
43.如权利要求42所述的二极管，其特征在于，所述半导体材料(42，44)以III族氮化物为基。
44.如权利要求42所述的二极管，其特征在于，所述半导体材料(42，44)包括邻接n-掺杂氮化镓层(44)和n+掺杂氮化镓层(42)。
45.如权利要求44所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一在所述n+掺杂氮化镓层(42)上的电阻接点(43a，43b)，以所述萧特基金属(48)接触所述n-掺杂氮化镓层(44)。
46.如权利要求42所述的二极管，其特征在于，所述障壁电压(33)的高度必定随所述萧特基金属(48)的功函数而改变。
47.如权利要求44所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一由蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅(Si)制成的基材(41)，该基材与所述n+氮化镓层相邻，与所述n-氮化镓层相对。
48.如权利要求42所述的二极管，其特征在于，所述萧特基金属层(48)是选自由钛、铬、铌、锡、钨、钽、锗以及其他具有类似功函数的金属组成的组中的金属之一。
49.如权利要求42所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括一在所述半导体材料(42，44)内的沟槽结构(45)，所述二极管在反向偏压下经受一反向漏电电流，所述沟槽结构(45)降低了所述反向漏电电流量。
50.如权利要求42所述的二极管，其特征在于，所述沟槽结构(45)含有多个在相邻的沟槽之间具有平台区域(49)的沟槽(46)，所述沟槽(46)具有用一绝缘材料(47)涂覆的侧壁(46a)和一底表面(46b)，所述萧特基金属层(48)覆盖所述沟槽(46)和平台区域(49)，所述绝缘材料(47)被夹在所述萧特基金属层(48)以及所述侧壁(46a)和底表面(46b)之间。
全文摘要
本发明揭示了具有低通态压(V
文档编号H01L29/872GK1555581SQ02817912
公开日2004年12月15日 申请日期2002年7月8日 优先权日2001年7月23日
发明者P·帕里克, P 帕里克, ├ , U·米施拉 申请人:美商克立股份有限公司