一种垂直型氮化镓肖特基二极管器件及其制备方法与流程

本发明涉及一种基于异质结构的垂直型氮化镓肖特基二极管器件及其制备方法，属于半导体微电子器件及器件工艺技术领域。

背景技术：

半导体功率器件是完成电能高效转换、控制和调节的核心元素。如今半导体功率器件广泛应用从传统的工业控制到个人计算机、消费类电子产品，智能汽车，新能源系统、轨道交通、智能电网等等多个领域。在过去的60年当中，硅基功率半导体器件一直承担着这一任务，并取得了长足的进步。然而，如今硅基功率器件已经几乎达到了其材料理论值的上限。另一方面，电力能源转换系统的高效化，开关频率的高速化，尺寸的小型化又对功率器件性能提出了新的要求。氮化镓具有宽的直接带隙、强的原子键、高的导热率、良好的化学稳定性，较强的抗辐照能力等性质，在光电子器件、高压器件、高功率器件和高频微波器件方面有着广阔的前景。因此氮化镓材料与器件的研究和应用便成为目前全球功率半导体器件研究的前沿和热点之一[1]。

在众多的功率器件当中，功率二极管是基础而又十分重要的一种器件形式。它在电能转换系统中有多种应用场景，既可以当做整流二极管来使用，也可以当做快速恢复二极管来使用。前者通常应用于50-60Hz的电网频率，要求器件可以承担高电压大电流[2]；后者可以应用于开关器件的续流二极管，或者高频变压器后端的输出整流管，要求可以支撑几百kHz甚至更高的开关频率，要求器件开关损耗低[3]。

肖特基二极管是功率二极管中的一种，它利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。目前，氮化镓基肖特基二极管的研究主要围绕两种类型类型展开：一种是基于AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管，是一种横向表面器件[4,5]，另一种是基于金属-氮化镓的肖特基二极管[6,7]。

前者基于AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管的工作原理是在器件表面分别形成肖特基接触区以及欧姆接触区，并利用AlGaN/GaN之间的二维电子气(2-DEG)作为沟道进行导电；后者基于氮化镓材料的肖特基二极管同样是在样品的同侧或两侧形成肖特基接触区以及欧姆接触区。以金属-n型半导体形成的肖特基二极管为例，在正向偏置条件下，金属半导体之间的势垒下降，电子由半导体向金属方向移动，形成正向电流。

上述两种肖特基二极管具有开关频率高和导通电压低等优点，但也存在反向击穿电压较低及反向漏电流偏大的缺点。在反向偏置条件下，基于AlGaN/GaN异质结的平面型肖特基二极管其电场的分布具有以下两个特点：(1)表面的铝镓氮材料之中存在较大的电场；(2)铝镓氮层中的电场是不均匀分布的，在边缘处存在极大的尖峰值[8]。而当该尖峰值达到氮化镓的临界击穿场强时，该器件即发生击穿。而基于金属-氮化镓的肖特基二极管在反向偏压条件下的电场峰值出现在金属-氮化镓界面上，即器件表面，从而容易受到表面态等因素的影响。

[1]H.Amano et al.,"The 2018GaN power electronics roadmap,"(in English),J.Phys.D-Appl.Phys.,Review vol.51,no.16,p.48,Apr 2018,Art no.163001.

[2]Y.Lian,Y.Lin,J.Yang,C.Cheng,and S.S.H.Hsu,"AlGaN/GaN Schottky Barrier Diodes on Silicon Substrates With Selective Si Diffusion for Low Onset Voltage and High Reverse Blocking,"IEEE Electron Device Letters,vol.34,no.8,pp.981-983,2013.

[3]M.Ueno et al.,"Fast recovery performance of vertical GaN Schottky barrier diodes on low-dislocation-density GaN substrates,"in 2014IEEE 26th International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC's(ISPSD),2014,pp.309-312.

[4]G.Lee,H.Liu,and J.Chyi,"High-Performance AlGaN/GaN Schottky Diodes With an AlGaN/AlN Buffer Layer,"IEEE Electron Device Letters,vol.32,no.11,pp.1519-1521,2011.

[5]西安电子科技大学，“渐变Al组分AlGaN/GaN肖特基二极管及其制备方法”,CN108520899A,20180608

[6]S.Han,S.Yang,and K.Sheng,"High-Voltage and High-ION/IOFF Vertical GaN-on-GaN Schottky Barrier Diode With Nitridation-Based Termination,"IEEE Electron Device Letters,vol.39,no.4,pp.572-575,2018.

[7]意法半导体(图尔)公司，“垂直氮化镓肖特基二极管”,CN104821341A,20150204

[8]E.Acurio et al.,"Reliability Improvements in AlGaN/GaN Schottky Barrier Diodes With a Gated Edge Termination,"IEEE Transactions on Electron Devices,vol.65,no.5,pp.1765-1770,2018.

[9]英诺赛科(珠海)科技有限公司,“SBD器件及其制备方法”,CN106784022A,20161220

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：肖特基二极管反向击穿电压较低及反向漏电流偏大的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种垂直型氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，包括由上至下依次复合的阳极金属层、铝镓氮层、N型轻掺杂层、N型重掺杂层、缓冲层及衬底，铝镓氮层与阳极金属层之间为肖特基接触；当阴极金属层设于N型重掺杂层上，且与N型轻掺杂层不接触时，为准垂直型异质结构；当阴极金属层复合于衬底底部时，为全垂直型异质结构。

优选地，所述铝镓氮层与N型轻掺杂层的外侧设有P型氮化镓保护环，用于在反向偏压下的电场屏蔽；P型氮化镓保护环与阳极金属层之间为欧姆接触。

本发明还提供了上述垂直型氮化镓肖特基二极管器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：在衬底表面沉积一层缓冲层，在缓冲层上采用金属有机物化学气相沉积氮化镓材料依次形成N型重掺杂层、N型轻掺杂层；

步骤2)：刻蚀部分N型轻掺杂层，在N型轻掺杂层中刻蚀凹槽，并沉积铝镓氮层；

步骤3)：采用电子束蒸发技术继续沉积阳极金属层，与铝镓氮层形成肖特基接触；

步骤4)：根据需要采用离子注入技术在N型轻掺杂层中制备可选的P型氮化镓保护环；继续在P型氮化镓保护环上沉积阳极金属层，该部分阳极金属层与P型氮化镓保护环形成欧姆接触；

步骤5)：在N型重掺杂层表面采用电子束蒸发技术沉积阴极金属层，两者之间形成欧姆接触，得到准垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件；

或者，在衬底表面采用电子束蒸发技术沉积阴极金属层，两者之间形成欧姆接触，得到全垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件。

优选地，所述步骤3)中沉积的阳极金属层的材料为金属镍；步骤4)中沉积的阳极金属层的材料为金属钛。

优选地，所述准垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件中的缓冲层为生长缓冲层。

优选地，所述全垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件中的缓冲层为导电缓冲层，衬底为导电衬底。

本发明提供的氮化镓肖特基二极管器件较现有的横向平面型和垂直型氮化镓肖特基二极管具有更强的抗击穿能力，P型氮化镓保护环的引入进一步提升垂直型氮化镓肖特基二极管的击穿能力。

本发明提供了一种异质结构垂直型氮化镓肖特基二极管器件，该器件正向导通时，可利用AlGaN/GaN之间的二维电子气(2-DEG)作为导电沟道的一部分，减少串联电阻进而减少发热，有利于防止热逃逸现象[9]；当处于反向偏压条件下时，电场的峰值处于铝镓氮层中，而该材料的临界击穿场强优于氮化镓材料，因而可以增加器件反向耐压特性。

本发明的异质结构垂直型氮化镓肖特基二极管具有以下有益效果：

1、施加正向电压时，在铝镓氮和氮化镓间形成的异质结中会生成二维电子气，内部的二维电子气在电场的引导下产生垂直方向上的正向电流，表明异质结构垂直型氮化镓肖特基二极管能够正常开启工作；

2、本发明器件表面处的铝镓氮所承担的电场相较大于下方氮化镓所承担的电场，且铝镓氮材料的击穿电场较大于氮化镓材料的击穿电场(3MV/cm)，实现了异质结构对器件氮化镓材料一定的保护作用，因此本发明相较于普通垂直型氮化镓肖特基二极管能够承担更高的击穿电压；

3、本发明表面处的电场均匀分布，能够将表面电场强度的最大值降低为横向表面器件电场强度尖峰值的一半以下，耐压特性相对更强；

4、引入P型掺杂保护环后，施加正向电压时，器件的正向电流特性发生显著改善，随着电压增大到一定值，引入的保护环与N型掺杂层形成的PIN结开启，由于PIN结依赖两种载流子导电，因此电流迅速增大，引入P型保护环的器件具有更大的正向电流，在大电流系统中可以实现一定的应用；

5、引入P型保护环后施加反向偏压，P型氮化镓在氮化镓材料轻掺杂N型外延层内部经过横向扩散和纵向扩散后与电子复合形成空间电荷区，在一定范围的肖特基结宽度内，随着反向偏压的提高能够在肖特基结下方形成几近贯通的空间电荷区。空间电荷区能够承担较大的电场使得接近阳极表面氮化镓材料的电场强度减小，来保护表面氮化镓材料和与上方阳极金属形成肖特基接触的铝镓氮材料避免击穿，实现了器件内部对器件表面的电场屏蔽效果，从而提升器件耐压特性。相比于没有引入P型保护环的异质结垂直型氮化镓肖特基二极管，进一步改善的器件将一部分的表面电场由器件内部承担，变相增加了承担电场的区域，使表面处电场强度相比降低25％，从而能够进一步提升异质结垂直型氮化镓肖特基二极管的耐压特性。

附图说明

图1为实施例1制得的氮化镓肖特基二极管器件的截面图；

图2-4为实施例2制备的氮化镓肖特基二极管器件不同步骤时的截面图；

图5为实施例3制得的氮化镓肖特基二极管器件的截面图；

图6-8为实施例4制备的氮化镓肖特基二极管器件不同步骤时的截面图；

图9为实施例4制备的氮化镓肖特基二极管器件的俯视图。

图10为实施例3制得的氮化镓肖特基二极管器件正向I-V特性曲线仿真图像；

图11a为施加相同反向电压时，实施例3制得的氮化镓肖特基二极管器件内部电场强度分布仿真图像；

图11b为施加相同反向电压时，实施例3制得的氮化镓肖特基二极管器件纵向电场分布曲线；

图11c为施加相同反向电压时，普通垂直型氮化镓肖特基二极管内部电场强度分布仿真图像；

图11d为施加相同反向电压时，普通垂直型氮化镓肖特基二极管纵向电场分布曲线；

图12为施加相同反向电压时，普通平面型氮化镓肖特基二极管制得的氮化镓肖特基二极管器件反偏时内部电场强度分布仿真图像；

图13为实施例4制得的氮化镓肖特基二极管器件正向I-V特性曲线仿真图像；

图14a为施加相同反向电压时，实施例3制得的氮化镓肖特基二极管器件表面位置处电场分布图；

图14b为施加相同反向电压时，实施例3制得的氮化镓肖特基二极管器件纵向电场分布曲线；

图14c为施加相同反向电压时，实施例4制得的氮化镓肖特基二极管器件表面位置处电场分布图；

图14d为施加相同反向电压时，实施例4制得的氮化镓肖特基二极管器件纵向电场分布曲线。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

一种准垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件的制备方法：

步骤1：在衬底6表面沉积一层生长缓冲层作为缓冲层5，在缓冲层5上采用金属有机物化学气相沉积氮化镓材料依次形成N型重掺杂层4、N型轻掺杂层3；

步骤2：在N型轻掺杂层3上沉积铝镓氮层2；

步骤3：采用电子束蒸发技术继续沉积金属镍作为阳极金属层1，与铝镓氮层2形成肖特基接触；

步骤4：在N型重掺杂层4表面采用电子束蒸发技术沉积阴极金属层7，两者之间形成欧姆接触，得到准垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件，如图1所示。

实施例2

一种带P型氮化镓保护环的准垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件的制备方法：

步骤1：在衬底6表面沉积一层生长缓冲层作为缓冲层5，在缓冲层5上采用金属有机物化学气相沉积氮化镓材料依次形成N型重掺杂层4、N型轻掺杂层3，如图2所示；

步骤2：在N型轻掺杂层3上沉积铝镓氮层2；

步骤3：采用电子束蒸发技术继续沉积金属镍作为阳极金属层1，与铝镓氮层2形成肖特基接触，如图3所示；

步骤4：去胶并重新制备掩模版，采用离子注入技术在N型轻掺杂层3中制备P型氮化镓保护环8(铝镓氮层2被P型氮化镓保护环8包围)；在原先掩模基础上继续在P型氮化镓保护环8上沉积金属钛作为阳极金属层1(见图4中实心部分)，该部分阳极金属层1与P型氮化镓保护环8形成欧姆接触；

步骤5：在N型重掺杂层4表面采用电子束蒸发技术沉积阴极金属层7，两者之间形成欧姆接触，得到准垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件，如图4所示。

实施例3

一种全垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件的制备方法：

步骤1：在衬底6(采用导电衬底)表面沉积一层导电缓冲层作为缓冲层5，在缓冲层5上采用金属有机物化学气相沉积氮化镓材料依次形成N型重掺杂层4、N型轻掺杂层3；

步骤2：使用光刻胶制备掩模版，刻蚀部分N型轻掺杂层3，在N型轻掺杂层3中刻蚀凹槽，并沉积铝镓氮层2；

步骤3：在原先掩模基础上采用电子束蒸发技术继续沉积金属镍作为阳极金属层1，与铝镓氮层2形成肖特基接触；

步骤4：在衬底6表面采用电子束蒸发技术沉积阴极金属层7，两者之间形成欧姆接触，得到全垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件，如图5所示。

实施例4

一种全垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件的制备方法：

步骤1：在衬底6(采用导电衬底)表面沉积一层导电缓冲层作为缓冲层5，在缓冲层5上采用金属有机物化学气相沉积氮化镓材料依次形成N型重掺杂层4、N型轻掺杂层3；

步骤2：使用光刻胶制备掩模版，刻蚀部分N型轻掺杂层3，在N型轻掺杂层3中刻蚀凹槽(如图6所示)，并沉积铝镓氮层2；

步骤3：在原先掩模基础上采用电子束蒸发技术继续沉积金属镍作为阳极金属层1，与铝镓氮层2形成肖特基接触，如图7所示；

步骤4：去胶并重新制备掩模版，采用离子注入技术在N型轻掺杂层3中制备P型氮化镓保护环8；在原先掩模基础上继续在P型氮化镓保护环8上沉积金属钛作为阳极金属层1(图8中实心部分)，该部分阳极金属层1与P型氮化镓保护环8形成欧姆接触；

步骤5：在衬底6表面采用电子束蒸发技术沉积阴极金属层7，两者之间形成欧姆接触，得到全垂直型异质结构的氮化镓肖特基二极管器件，如图9所示。

将实施例1-4制备的氮化镓肖特基二极管器件进行相关试验，试验结果如下。

一、实施例3正向性能测试

实验步骤：使用半导体分析仪SMU模块向器件输出正向电压偏置，在半导体分析仪中呈现测试所得电压-电流曲线，视器件正向电流达到1安培/平方厘米为器件开启工作状态。

实验仪器：Keysight B1500A半导体分析仪

施加正向电压时，在铝镓氮和氮化镓间形成的异质结中会生成二维电子气，内部的二维电子气在电场的引导下产生垂直方向上的正向电流，表明异质结构垂直型氮化镓肖特基二极管能够正常开启工作。本发明的正向I-V特性曲线如图10所示，由于二维电子气中存在高浓度的电子且电子迁移率高，相较于垂直型氮化镓肖特基二极管而言，本发明器件的正向特性会有一定的增强，开启电压约为0.8V。

二、实施例3与基于金属-氮化镓的肖特基二极管反向性能仿真比较

实验步骤：首先分别仿真实施例3与基于金属-氮化镓的肖特基二极管两种器件结构，其次设定施加相同反向偏压于两种器件之上，最后截取器件内部电场分布图像和分布曲线进行比较。

实验仪器：仿真软件Silvaco

目前，氮化镓基肖特基二极管的研究主要围绕两种类型展开：一种是基于AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管，是一种横向表面器件，另一种是基于金属-氮化镓的肖特基二极管。在反向特性上，本发明器件与基于金属-氮化镓的肖特基二极管相比，施加反向偏压时器件内部电场分布仿真图像如图11a-d所示。显然可见，两种器件的内部电场集中被器件表面所承担，由表面向下逐渐递减。本发明器件表面处的铝镓氮所承担的电场较大于下方氮化镓所承担的电场，且铝镓氮材料的击穿电场较大于氮化镓材料的击穿电场(3MV/cm)，实现了异质结构对器件氮化镓材料一定的保护作用，因此实施例3制备的氮化镓肖特基二极管器件相较于普通垂直型氮化镓肖特基二极管能够承担更高的击穿电压。

三、横向氮化镓的肖特基二极管反向性能仿真

实验步骤：仿真横向氮化镓肖特基二极管器件结构，设定施加相同反向偏压于器件之上，最后截取器件内部电场分布图像和分布曲线进行比较。

实验仪器：仿真软件Silvaco

基于AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管在施加同上反向偏压时器件内部电场分布仿真图像如图12所示，横向表面器件电极间的距离与本发明器件氮化镓层厚度相同。可见，在铝镓氮层中的电场是不均匀分布的，在边缘处存在极大的尖峰值，对器件的耐压特性产生不利影响。相较而言，本发明器件表面处的电场均匀分布，能够将表面电场强度的最大值降低为横向表面器件电场强度尖峰值的一半以下，耐压特性相对更强。

四、实施例4正向性能测试

实验步骤：使用半导体分析仪SMU模块向器件输出正向电压偏置，在半导体分析仪中呈现测试所得电压-电流曲线，视器件正向电流达到1安培/平方厘米为器件开启工作状态。

实验仪器：Keysight B1500A半导体分析仪

引入P型掺杂保护环后，施加正向电压时，器件的正向电流特性发生显著改善，器件正向I-V特性仿真曲线如图13所示。可以明显地观察到存在两个电流变化拐点。与第一部分器件相似，在电压达到0.8V左右时器件肖特基结开启，产生正向电流。随着电压增大到一定值，引入的保护环与N型掺杂层形成的PIN结开启，由于PIN结依赖两种载流子导电，因此电流迅速增大。相比于第一部分结构的器件，说明引入P型保护环的器件具有更大的正向电流，在大电流系统中可以实现一定的应用。

五、实施例4反向性能仿真

实验步骤：仿真引入P型保护环氮化镓肖特基二极管器件结构，设定施加相同反向偏压于器件之上，最后截取器件内部电场分布图像和分布曲线进行比较。

实验仪器：仿真软件Silvaco

施加反向偏压时器件内部电场分布仿真图像如图14a-d所示。引入P型保护环后施加反向偏压，P型氮化镓在氮化镓材料轻掺杂N型外延层内部经过横向扩散和纵向扩散后与电子复合形成空间电荷区，在一定范围的肖特基结宽度内，随着反向偏压的提高能够在肖特基结下方形成几近贯通的空间电荷区。空间电荷区能够承担较大的电场使得接近阳极表面氮化镓材料的电场强度减小，来保护表面氮化镓材料和与上方阳极金属形成肖特基接触的铝镓氮材料避免击穿，实现了器件内部对器件表面的电场屏蔽效果，从而提升器件耐压特性(图14c中空间电荷区相较于表面处氮化镓其承担更大的电场；电场屏蔽效果随着肖特基结宽度的减小而增强)。相比于没有引入P型保护环的异质结垂直型氮化镓肖特基二极管，进一步改善的器件将一部分的表面电场由器件内部承担，变相增加了承担电场的区域，使表面处电场强度相比降低25％，从而能够进一步提升异质结垂直型氮化镓肖特基二极管的耐压特性。