利用注入制造氮化镓p-i-n二极管的方法
【专利摘要】一种第III族氮化物半导体器件，包括：用于支持在第III族氮化物半导体器件的正向偏置操作期间的电流流动的有源区。该有源区包括：具有第一导电类型的第一第III族氮化物外延材料和具有第二导电类型的第二第III族氮化物外延材料。第III族氮化物半导体器件还包括物理上相邻于有源区并且包括包含第一第III族氮化物外延材料的一部分的注入区的边缘终端区。第一第III族氮化物外延材料的注入区相对于第一第III族氮化物外延材料的相邻于注入区的部分具有降低的电导率。
【专利说明】利用注入制造氮化镓P-I-N二极管的方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 以下常规美国专利申请通过引用并入本申请中用于所有目的：
[0003] · 2011 年 12 月 22 日提交的题为 "METHOD OF FABRICATING A GAN P-I-N DIODE USING MPLANTATION" 的第 13/335329 号申请；
[0004] ·2011 年 12 月 22 日提交的题为"FABRICATION OF FLOATING GUARD RINGS USING SELECTIVE REGROWTH" 的第 13/335355 号申请；
[0005] ·2011 年 10 月 11 日提交的题为"METHOD AND SYSTEM FOR FLOATING GUARD RINGS IN GAN MATERIALS" 的第 13/270606 号申请；
[0006] ·2011 年 11 月 18 日提交的题为"GAN-BASED SCHOTTKY BARRffiR DIODE WITH FIELD PLATE"的第13/300028号申请；以及，
[0007] ·2011 年 11 月 17 日提交的题为"METHOD AND SYSTEM FOR FABRICATING FLOATING GUARD RINGS IN GAN MATERIALS" 的第 13/299254 号申请。
【背景技术】
[0008] 功率电子器件广泛用在各种应用中。功率电子器件通常用在电路中以改变电能的 形式例如，从交流到直流，从一个电压电平到另一电压电平或者以一些其他方式。这样的 器件可以在宽范围的功率电平内操作，从移动设备中的几毫瓦到高压输电系统中的几百兆 瓦。尽管在功率电子器件方面取得了进展，但是在本领域中还对改进的电子系统和操作该 改进的电子系统的方法存在需求。
【发明内容】
[0009] 本发明一般性涉及电子器件。更具体地，本发明涉及一种用于使用第III族氮化 物半导体材料提供具有用于提供边缘终端的注入区的P-i-N二极管的技术。仅通过示例 的方式，本发明已应用于用于制造用于高压GaN基器件的P-i-N二极管的方法和系统。该 方法和技术可以应用于各种化合物半导体系统，例如，垂直结型场效应晶体管（JFET)、晶闸 管、肖特基势垒二极管、PN二极管、双极晶体管和其他器件。
[0010] 根据一个实施方案，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法。该 方法包括：提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底，以 及形成耦接到第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层。第一第 III族氮化物外延层的特征在于比第一掺杂剂浓度小的第二掺杂剂浓度。该方法还包括： 形成耦接到第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外延层；去 除第二第III族氮化物外延层的一部分以露出第一第III族氮化物外延层的一部分；以及 向第一第III族氮化物外延层的露出部分的注入区中注入离子。第一第III族氮化物外延 层的露出部分相邻于第二第III族氮化物外延层的剩余部分。该方法还包括形成耦接到第 二第III族氮化物外延层的剩余部分的第一金属结构，以及形成耦接到第III族氮化物衬 底的第二金属结构。注入区中的电荷密度显著低于第一第ΠΙ族氮化物外延层中的电荷密 度。
[0011] 根据另一实施方案，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法。该 方法包括提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底，以及 形成耦接到第ΠΙ族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层。第一第 III族氮化物外延层的特征在于比第一掺杂剂浓度小的第二掺杂剂浓度。该方法还包括形 成耦接到第一第ΠΙ族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外延层，以及 向包括第一第III族氮化物外延层的第一部分和第二第III族氮化物外延层的第一部分的 注入区中注入离子。该方法还包括形成耦接到第二第III族氮化物外延层的第二部分的第 一金属结构，以及形成耦接到第III族氮化物衬底的第二金属结构。
[0012] 根据又一实施方案，提供了一种第III族氮化物半导体器件。该第III族氮化物 半导体器件包括用于支持在第III族氮化物半导体器件的正向偏置操作期间的电流流动 的有源区。该有源区包括具有第一导电类型的第一第III族氮化物外延材料和具有第二导 电类型的第二第III族氮化物外延材料。第III族氮化物半导体器件还包括物理上相邻于 有源区并且包括包含第一第III族氮化物外延材料的一部分的注入区的边缘终端区。第一 第III族氮化物外延材料的注入区相对于第一第III族氮化物外延材料的相邻于注入区的 部分具有降低的电导率。
[0013] 通过本发明的方法实现了优于常规技术的许多益处。例如，本发明的实施方案减 小了拥挤在垂直功率器件外围的电场，这与常规器件相比可以产生能够在较高的电压下操 作的器件。另外，本发明的一些实施方案增加了垂直功率器件外围处的临界电场，导致甚至 更高的操作电压。此外，相比现有技术的器件，本发明提供了较简单且较便宜地制造的自对 准边缘终端区。
[0014] 本发明的实施方案所提供的优于常规器件的另一优点是基于GaN基材料的优异 的材料特性。本发明的实施方案提供在块体GaN衬底上的同质外延GaN层，其相对于用于 功率电子器件的其他材料具有优异的特性。由于P = 1/quN，所以高电子迁移率μ与给 定背景掺杂水平Ν相关联，导致了低电阻率Ρ。
[0015] 相比其他材料的类似器件结构，能够获得具有低电阻的可以支持高压的区域使得 本发明的实施方案虽然使用对于GaN器件显著较小的面积，但是能够提供常规器件的电阻 特性和电压能力。因为电容C与面积成比例，近似为C = εΑ/t，所以较小的器件具有较小 的端对端电容。较低的电容导致较快的开关和较小的开关功率损耗。
[0016] 结合下文以及附图对本发明的这些实施方案和其他实施方案以及本发明的许多 优点和特征进行详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1A和图1B是根据本发明的某些实施方案的分别不具有和具有用于边缘终端的 注入区的P-i-N二极管的一部分的简化截面图；
[0018] 图2至图7是示出了根据本发明的实施方案的用于制造具有用于边缘终端的注入 区的P-i-N二极管的过程的简化截面图；
[0019] 图8是示出了根据本发明的实施方案的制造具有用于边缘终端的边缘注入区的 第III族氮化物半导体器件的方法的简化流程图；
[0020] 图9是示出了本发明的使用场板的实施方案的简化截面图；以及
[0021] 图10是示出了根据本发明的实施方案的制造具有边缘终端结构和可选场板的第 III族氮化物半导体器件的方法的简化流程图。
[0022] 在附图中，类似的部件和/或特性可以具有相同的附图标记。此外，可以通过附图 标记后面跟有划线和区分类似部件的第二标记来区分同一类型的各种部件。如果在说明书 中仅使用第一附图标记，则描述适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任意一个 部件，而不考虑第二附图标记。
【具体实施方式】
[0023] 本发明一般地涉及电子器件。更具体地，本发明涉及一种用于使用第III族氮化 物半导体材料提供具有用于提供边缘终端的注入区的P-i-N二极管的技术。仅通过示例的 方式，已将本发明应用于用于制造用于高压GaN基器件的P-i-N二极管的方法和系统。该 方法和技术可以应用于各种化合物半导体系统，例如：垂直结型场效应晶体管（JFET)、晶 闸管、肖特基势垒二极管、PN二极管、双极型晶体管和其他器件。
[0024] GaN基电子器件和光电器件正经历快速发展，并且一般有望超越竞争者硅（Si)和 碳化硅（SiC)。与GaN及相关合金和异质结构相关联的期望特性包括：用于可见光发射和 紫外光发射的高带隙能量；有利的传输特性（例如，高电子迁移率和高饱和速度）；高击穿 电场以及高热导率。具体地，对于给定的背景掺杂水平N，电子迁移率μ高于竞争材料。这 提供了低电阻率Ρ，原因是电阻率与电子迁移率成反比，如公式（1)所示：
【权利要求】
1. 一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法，所述方法包括： 提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底； 形成耦接到所述第III族氮化物衬底的所述第一导电类型的第一第III族氮化物外延 层，其中所述第一第III族氮化物外延层的特征在于比所述第一掺杂剂浓度小的第二掺杂 剂浓度； 形成耦接到所述第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外 延层； 去除所述第二第III族氮化物外延层的一部分以露出所述第一第III族氮化物外延层 的一部分； 向所述第一第III族氮化物外延层的露出部分的注入区中注入离子，所述第一第III 族氮化物外延层的所述露出部分相邻于所述第二第III族氮化物外延层的剩余部分； 形成耦接到所述第二第III族氮化物外延层的所述剩余部分的第一金属结构；以及 形成耦接到所述第III族氮化物衬底的第二金属结构， 其中所述注入区中的电荷密度显著低于所述第一第III族氮化物外延层中的电荷密 度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层包含η型GaN外 延材料。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述注入区的深度在0. 至1 μ m之间。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述注入区的宽度为0. 5 μ m或更大。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中向所述注入区中注入离子包括在注入期间使用所 述第一金属结构作为掩模。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中： 使用掩模以去除所述第二第III族氮化物外延层的所述一部分；以及 在向所述注入区中注入离子期间也使用所述掩模。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第III族氮化物半导体器件的特征在于600V 或更大的击穿电压。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层的厚度在1 μ m至 100 μ m之间。
9. 根据权利要求1所述的方法，还包括形成耦接到所述注入区的电介质层，其中所述 第一金属结构还耦接到所述电介质层的至少一部分。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属结构还耦接到所述注入区的一部 分。
11. 一种用于制造第III族氮化物半导体器件的方法，所述方法包括： 提供第一导电类型的并且特征在于第一掺杂剂浓度的第III族氮化物衬底； 形成耦接到所述第III族氮化物衬底的所述第一导电类型的第一第III族氮化物外延 层，其中所述第一第III族氮化物外延层的特征在于比所述第一掺杂剂浓度小的第二掺杂 剂浓度； 形成耦接到所述第一第III族氮化物外延层的第二导电类型的第二第III族氮化物外 延层； 向包括所述第一第III族氮化物外延层的第一部分和所述第二第III族氮化物外延层 的第一部分的注入区中注入离子； 形成耦接到所述第二第III族氮化物外延层的第二部分的第一金属结构；以及 形成耦接到所述第III族氮化物衬底的第二金属结构。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中向所述注入区中注入离子降低所述注入区的电 导率或者减少所述注入区的有效电荷。
13. 根据权利要求11所述的方法，还包括： 形成耦接到所述注入区的绝缘层， 其中所述第一金属结构还耦接到所述绝缘层的至少一部分。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述第一金属结构还耦接到所述注入区的一部 分。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述绝缘层的厚度在0. 1 μ m至2 μ m之间。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中形成绝缘层包括对GaN层、氮化铝层或氮化铝镓 层进行外延生长。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述GaN层具有在约IX 1014cnT3至约 1 X 1015cm_3范围内的净掺杂水平。
18. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第III族氮化物半导体器件的击穿电压为 至少600V。
19. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层的厚度在1 μ m 至100 μ m之间。
20. -种第III族氮化物半导体器件，包括： 用于支持在所述第III族氮化物半导体器件的正向偏置操作期间的电流流动的有源 区，所述有源区包括： 具有第一导电类型的第一第III族氮化物外延材料；和 具有第二导电类型的第二第III族氮化物外延材料；以及 边缘终端区，所述边缘终端区物理上相邻于所述有源区并且包括包含所述第一第III 族氮化物外延材料的一部分的注入区，其中所述第一第III族氮化物外延材料的所述注入 区相对于所述第一第III族氮化物外延材料的相邻于所述注入区的部分具有降低的电导 率。
21. 根据权利要求20所述的第III族氮化物半导体器件，其中所述注入区还包含所述 第二第III族氮化物外延材料的一部分。
22. 根据权利要求21所述的第III族氮化物半导体器件，其中所述边缘终端区还包 括： 耦接到所述注入区的电介质层；以及 金属结构，所述金属结构耦接到所述电介质层使得所述电介质层的至少一部分设置在 所述金属结构与所述注入区之间。
23. 根据权利要求20所述的第III族氮化物半导体器件，其中所述第III族氮化物半 导体器件包括P-i-N二极管。
【文档编号】H01L31/112GK104094417SQ201280068139
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】伊舍克·C·克孜勒亚尔勒, 聂辉, 安德鲁·P·爱德华兹, 理查德·J·布朗, 唐纳德·R·迪斯尼 申请人:阿沃吉有限公司