一种高阻断电压的氮化镓PN二极管及制备方法与流程

一种高阻断电压的氮化镓pn二极管及制备方法
技术领域
1.本发明涉及氮化镓功率半导体器件，尤其是一种高阻断电压的氮化镓pn二极管及制备方法，属于电力电子器件技术领域。


背景技术：

2.作为第三代半导体典型代表的氮化镓半导体具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优点，氮化镓pn二极管因其高阻断电压、低反向漏电流、高开关速度等优异特性在电源管理、5g移动通信、半导体照明、消费电子等领域具有广泛的应用。
3.现行技术中的氮化镓pn二极管主要采用横向与垂直两种结构形式。
4.横向结构的氮化镓pn二极管制作在异质外延的氮化镓半导体衬底上，基板为价格低廉的硅基板，或者碳化硅基板，或者蓝宝石基板。现行技术中，横向结构的氮化镓pn二极管一般通过加大极间间距即加大漂移区长度来获得较高的阻断电压，但因此会增大器件芯片尺寸和导通电阻，减小单位芯片面积上的有效电流密度和芯片性能。
5.垂直结构的氮化镓pn二极管制作在同质外延的氮化镓半导体衬底上，现行技术中的垂直结构氮化镓pn二极管一般通过加大外延层厚度来增大漂移区长度以获得较高的阻断电压，但氮化镓外延层的缺陷密度与外延层的厚度成正比，且现行氮化镓外延技术尚不足以制备大尺寸、高性能、低成本的自支撑氮化镓外延片，从而限制了垂直结构的氮化镓pn二极管的性能和应用。
6.早期横向结构的氮化镓pn二极管的阳极电极和阴极电极分布在器件结构两侧的顶面，台面结构的横向氮化镓pn二极管的阳极电极和阴极电极分布在台面两侧的底部，而垂直结构的氮化镓pn二极管中组成器件结构的阴极电极、衬底、漂移层、器件有源层、阳极电极沿垂直方向由自下而上依次相接，阳极电极位于器件结构的顶面，阴极电极位于器件结构的底面，或者通过制作台面使阴极电极位于底部的两侧，均为非共面的输入输出电极结构，不便于器件的平面集成及其在功率集成电路中的应用。


技术实现要素：

7.本发明针对以上问题，提供了一种通过环形漂移区结构增大漂移区的路径长度以提高器件的阻断电压，同时使阳极电极、阴极电极和场板电极汇集于器件结构的顶面，形成一种共面的器件输入输出电极结构，便于实现器件的平面集成化以及在功率集成电路中应用的一种高阻断电压的氮化镓pn二极管及制备方法。
8.本发明的技术方案是：一种高阻断电压的氮化镓pn二极管制备方法，包括以下步骤：1）准备基板；2）在所述基板上生长0.5μm厚的aln过渡层；3）在所述过渡层上生长8μm厚的n
―
‑
gan漂移层，si掺杂浓度为1x10
16 cm
‑3；
4）在所述漂移层上生长0.5μm厚的n
+
‑
gan欧姆接触层，si掺杂浓度为6x10
19 cm
‑3；5）刻蚀n
+
‑
gan欧姆接触层和n
―
‑
gan漂移层，形成漂移通道内隔离层沟槽和漂移通道外隔离层沟槽；6）淀积二氧化硅或者氮化硅填充漂移通道内隔离层沟槽和漂移通道外隔离层沟槽，形成漂移通道内隔离层和漂移通道外隔离层；7）刻蚀漂移通道内隔离层，形成场板沟槽；8）淀积ti/au填充场板沟槽，形成场板金属层；9）刻蚀漂移通道内隔离层之间的n
+
‑
gan欧姆接触层和n
―
‑
gan漂移层，形成有源区凹槽；10）在有源区凹槽内生长4μm厚连通漂移层的n
―
‑
gan有源区第二半导体层，si掺杂浓度为1 x 10
16 cm
‑3；11）在有源区凹槽内有源区第二半导体层上生长1μm厚的p
‑
gan有源区第一半导体层，mg掺杂浓度为3 x 10
19 cm
‑3；12）在有源区凹槽内有源区第一半导体层上生长0.5μm厚的p
+
‑
gan有源区欧姆接触层，mg掺杂浓度为1 x 10
20 cm
‑3；13）制作阳极电极、阴极电极、场板电极的光刻胶掩模层；14）在光刻胶掩模层上淀积ti/al/ti/au多金属层，形成阳极电极、阴极电极、场板电极。
9.15）采用600℃，n2气氛中退火形成阳极、阴极电极与相应半导体层的欧姆接触。
10.一种高阻断电压的氮化镓pn二极管，包括基板、过渡层、漂移层、有源区、漂移通道、场板和金属电极层；所述基板、过渡层和漂移层自下而上依次相接设置；所述有源区包括自下而上依次相接的有源区第二半导体层、有源区第一半导体层和有源区欧姆接触层；所述漂移通道包括自下而上相接的通道漂移层和漂移通道欧姆接触层以及位于通道漂移层和漂移通道欧姆接触层内外两侧的漂移通道内隔离层与漂移通道外隔离层；所述有源区和漂移通道分别与漂移层的上端相接，所述漂移通道设有两个，位于有源区的两侧；所述漂移通道通过漂移通道内隔离层与有源区相隔离；所述场板设有两个，分别内嵌于相应的漂移通道内隔离层中；所述金属电极层包括阳极电极、阴极电极和场板电极；所述阳极电极位于有源区的顶部并与有源区欧姆接触层相接；所述阴极电极位于漂移通道的顶部并与漂移通道欧姆接触层相接；所述场板电极位于漂移通道内隔离层和场板的顶部并与场板相接。
11.所述基板为si基板、sic基板或蓝宝石基板。
12.所述过渡层包括aln外延层。
13.所述过渡层还包括自下而上相接于aln外延层上的algan外延层。
14.所述有源区第一半导体层为p
‑
gan外延层或n
‑
gan外延层；所述有源区第二半导体层、漂移层、通道漂移层分别为n
―
‑
gan外延层或p
―
‑
gan外延层；
所述有源区欧姆接触层为p
+
‑
gan外延层或n
+
‑
gan外延层；所述漂移通道欧姆接触层为n
+
‑
gan外延层或p
+
‑
gan外延层。
15.所述漂移通道内隔离层和漂移通道外隔离层分别为二氧化硅层或氮化硅层。
16.所述场板为ti/au双金属层。
17.所述阳极电极、阴极电极和场板电极分别为ti/al/ti/au多金属层。
18.所述阳极电极、阴极电极和场板电极分别为cr/al/ti/au多金属层。
19.本发明中包括基板、过渡层、漂移层、有源区、漂移通道、场板和金属电极层；有源区第二半导体层、漂移层和两个漂移通道构成一个环状的漂移区结构，相对于仅有横向漂移区的横向结构氮化镓pn二极管或者仅有垂直漂移区的垂直结构氮化镓pn二极管，本发明中的漂移区的路径总长度大于制作在相同基板及外延层尺寸的横向结构或者垂直结构氮化镓pn二极管中漂移区的路径长度，由此增大氮化镓pn二极管的阻断电压。本发明具有提高器件的阻断电压，同时使阳极电极、阴极电极和场板电极汇集于器件结构的顶面，形成一种共面的器件输入输出电极结构，便于实现器件的平面集成化以及在功率集成电路中应用等特点。
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图，图2是本发明步骤4的结构示意图，图3是本发明步骤6的结构示意图，图4是本发明步骤8的结构示意图，图5是本发明步骤12的结构示意图，图6是本发明步骤14的结构示意图。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.本发明如图1
‑
6所示，一种高阻断电压的氮化镓pn二极管制备方法，包括以下步骤：1）准备6英寸si基板、sic基板或者蓝宝石基板；2）采用金属有机化学气相沉积（mocvd）方法在所述基板上生长0.5μm厚的aln过渡层；3）采用mocvd方法在所述过渡层上生长8μm厚的n
―
‑
gan漂移层，si掺杂浓度为1 x 10
16 cm
‑3（包括通道漂移层）；4）采用mocvd方法在所述漂移层上生长0.5μm厚的n
+
‑
gan欧姆接触层，si掺杂浓度为6 x 10
19 cm
‑3；如图2所示；5）采用反应离子刻蚀（rie）或者感应耦合等离子体（icp）等深离子干法刻蚀方法刻蚀n
+
‑
gan欧姆接触层和n
―
‑
gan漂移层，形成漂移通道内隔离层沟槽和漂移通道外隔离层沟槽；
6）采用等离子体增强化学气相沉积（pecvd）方法淀积二氧化硅或者氮化硅填充漂移通道内隔离层沟槽和漂移通道外隔离层沟槽，形成漂移通道内隔离层和漂移通道外隔离层；如图3所示；7）采用rie或者icp方法刻蚀漂移通道内隔离层，形成场板沟槽；8）采用电子束溅射或者磁控溅射方法淀积ti/au填充场板沟槽，形成场板金属层；如图4所示；9）采用rie或者icp方法刻蚀漂移通道内隔离层之间的n
+
‑
gan欧姆接触层和部分n
―
‑
gan漂移层，形成有源区凹槽；10）采用mocvd方法在有源区凹槽内生长4μm厚连通漂移层的n
―
‑
gan有源区第二半导体层，si掺杂浓度为1 x 10
16 cm
‑3；11）采用mocvd方法在有源区凹槽内有源区第二半导体层上生长1μm厚的p
‑
gan有源区第一半导体层，mg掺杂浓度为3 x 10
19 cm
‑3；12）采用mocvd方法在有源区凹槽内有源区第一半导体层上生长0.5μm厚的p
+
‑
gan有源区欧姆接触层，mg掺杂浓度为1 x 10
20 cm
‑3；如图5所示；13）采用光刻方法形成用于制作阳极电极、阴极电极、场板电极的光刻胶掩模层；14）采用电子束溅射或者磁控溅射方法在光刻胶掩模层上淀积ti/al/ti/au多金属层，并采用剥离方法形成阳极电极、阴极电极、场板电极，如图6所示。
23.15）采用600℃，n2气氛中退火形成阳极、阴极电极与相应半导体层的欧姆接触。
24.一种高阻断电压的氮化镓pn二极管，包括基板、过渡层、漂移层、有源区、漂移通道、场板和金属电极层；所述基板、过渡层和漂移层自下而上依次相接设置；所述有源区包括自下而上依次相接的有源区第二半导体层、有源区第一半导体层和有源区欧姆接触层；所述漂移通道包括自下而上相接的通道漂移层和漂移通道欧姆接触层以及位于通道漂移层和漂移通道欧姆接触层内外两侧的漂移通道内隔离层与漂移通道外隔离层；所述有源区和漂移通道分别与漂移层的上端相接，所述漂移通道设有两个，位于有源区的两侧；所述漂移通道通过漂移通道内隔离层与有源区相隔离；所述场板设有两个，分别内嵌于相应的漂移通道内隔离层中；所述金属电极层包括阳极电极、阴极电极和场板电极；所述阳极电极位于有源区的顶部并与有源区欧姆接触层相接；所述阴极电极位于漂移通道的顶部并与漂移通道欧姆接触层相接；所述场板电极位于漂移通道内隔离层和场板的顶部并与场板相接。
25.所述基板为si基板、sic基板或蓝宝石基板。
26.所述过渡层包括aln外延层。
27.所述过渡层还包括自下而上相接于aln外延层上的algan外延层。
28.所述有源区第一半导体层为p
‑
gan外延层，或者n
‑
gan外延层，用作本发明的氮化镓pn二极管的一个极性区；所述有源区第二半导体层、漂移层、通道漂移层分别为n
―
‑
gan外延层或p
―
‑
gan外延层，用作本发明的氮化镓pn二极管的另一个极性区及漂移层；
所述有源区欧姆接触层为p
+
‑
gan外延层或n
+
‑
gan外延层，用于形成阳极电极的欧姆接触；所述漂移通道欧姆接触层为n
+
‑
gan外延层或p
+
‑
gan外延层，用于形成阴极电极的欧姆接触。
29.所述漂移通道内隔离层和漂移通道外隔离层为二氧化硅层；所述漂移通道内隔离层和漂移通道外隔离层为氮化硅层。
30.所述场板为ti/au双金属层。
31.所述阳极电极、阴极电极和场板电极分别为ti/al/ti/au多金属层。
32.所述阳极电极、阴极电极和场板电极分别为cr/al/ti/au多金属层。
33.所述本发明中的第一半导体层、第二半导体层分别作为本发明的氮化镓pn二极管的两个极性区和漂移层构成本发明的氮化镓pin二极管的功能区结构。正向偏置时，所述氮化镓pn二极管导通。反向偏置时，氮化镓pn二极管因氮化镓材料所具有的大禁带宽度、高击穿电场特点而具有较高的阻断电压，并且由于本发明特有的环状漂移区的路径总长度大于制作在相同尺寸的基板及外延层上的横向结构或者垂直件结构的氮化镓pn二极管中漂移区的路径长度，由此进一步提高氮化镓pn二极管的阻断电压，同时使器件的阳极电极、阴极电极和场板电极汇集于其结构的顶面，形成共面的器件输入输出电极结构，便于实现器件的平面集成以及在功率集成电路中的应用。
34.本发明中的有源区第二半导体层、漂移层和两个漂移通道构成一个环状的漂移区结构，相对于仅有横向漂移区的横向结构氮化镓pn二极管或者仅有垂直漂移区的垂直结构氮化镓pn二极管，本发明中的漂移区的路径总长度大于制作在相同基板及外延层尺寸的横向结构或者垂直结构氮化镓pn二极管中漂移区的路径长度，由此增大氮化镓pn二极管的阻断电压。
35.本发明中场板或者通过场板电极单独施加电位，或者连接阳极电极施加电位，或者连接阴极电极施加电位，优化环状漂移路径上的电场分布，进一步提高氮化镓pn二极管的阻断电压。
36.相比于要求较长横向漂移区的横向结构氮化镓pn二极管或者要求较厚垂直漂移区的垂直结构氮化镓pn二极管，本发明特有的环状电流漂移区结构不要求较长或者较厚的氮化镓外延层，可以利用现行技术中工艺比较成熟，成本比较低廉的硅基氮化镓衬底材料制作高阻断电压的氮化镓pn二极管，满足大规模应用的需求。
37.同时，本发明特有的环状电流漂移区结构，可以使器件的阳极电极、阴极电极、场板电极汇集于器件结构的顶面，即本发明的氮化镓pn二极管具有共面的输入输出电极结构特点，便于实现器件的平面集成化以及应用于功率集成电路中。
38.本发明中用于调整结终端电场的场板可以通过场板电极单独施加电源，或者连接阳极电极施加同一电源电位，或者连接阴极电极施加同一电源电位。
39.对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。