一种GaN基垂直二极管及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种GaN基垂直二极管及其制备方法，包括S1.在GaN衬底上依次生长n‑GaN层和AlGaN层；S2.在所述AlGaN层上生长阻挡层，刻蚀所述阻挡层端部和AlGaN层端部，暴露出所述n‑GaN层的端部；S3.通过氧离子注入，依次注入从低到高的能量，在所述n‑GaN层的端部形成Ga

A GaN based vertical diode and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基垂直二极管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件领域，具体为一种GaN基垂直二极管及其制备方法。
技术介绍
在垂直功率整流器中，GaN肖特基势垒二极管(SBD)由于其低的正向压降和快速的反向恢复特性，可以提供低的导通/开关损耗和高开关频率。同时，GaN-on-GaN垂直器件能够实现高击穿电压(BV)，高电流容量，低热阻和出色的动态性能，是电力电子应用的理想选择。其结构与特点可以让其在较高压，大电流输出场合，高频率环境下稳定工作。SBD功耗低，能够高压高频运转，正向导通压降较小，其多应用于高频、大电流整流二极管、续流二极管、也会用在微波通信等电路中作为整流二极管、小信号检波二极管，在通信电源、变频器等中比较常见，同时在IC模块、高速计算机也会常使用到SBD，应用方面极为广泛。对于垂直肖特基二极管来说，有效的边缘终止对于抑制垂直GaNSBD中边缘泄漏引起的过早击穿至关重要。然而，由于选择性p掺杂及其激活存在巨大挑战，难以在垂直GaN器件中实现。一般有以下几种方式：(i)场板结构及其与深沟槽相结合；(ii)通过使用大剂量离子注入在器件外围形成高电阻率区域，但可能会形成深能级陷阱；(iii)增加结边缘的势垒高度/厚度，提高击穿，但会增加导通电压。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种GaN基垂直二极管及其制备方，包括S1.在GaN衬底上依次生长n-GaN层和AlGaN层；S2.在所述AlGaN层上生长阻挡层，刻蚀所述阻挡层端部和AlGaN层端部，暴露出所述n-GaN层的端部；S3.通过氧离子注入方式，注入能量依次从低到高，在所述n-GaN层的端部形成Ga2O3高阻区；S4.去除所述阻挡层，在所述AlGaN层上沉积阳极；S5.在所述AlGaN层上沉积氧化层，在所述氧化层顶部开孔；S6.在所述GaN衬底背面沉积阴极。优选的，所述S1中GaN衬底为双面抛光的n型-GaN衬底，所述衬底的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。优选的，所述S1中依次生长方式为金属有机化学气相沉积或分子束外延。优选的，所述S2中阻挡层厚度为1-5μm，所述阻挡层为SiO2。优选的，所述S3中氧离子注入能量依次为20keV-50keV、60keV-80keV和90keV-110keV，注入的时间间隔为1h-2h。优选的，所述离子注入后进行退火处理，所述退火温度为150-250℃，所述退火环境为氮气氛围。优选的，所述S4中通过酸腐蚀去除所述阻挡层。优选的，所述S4和所述S6中通过热蒸发镀膜法沉积阳极和阴极，所述S5中通过原子沉积法沉积氧化层。基于上述方法，本专利技术还提供一种GaN基垂直二极管，二极管结构从下至上依次为GaN衬底，n-GaN层，AlGaN层和阳极，所述GaN衬底底部沉积阴极，所n-GaN层两端部为氧离子注入区，所述氧离子注入区为Ga2O3高阻区，所述Ga2O3高阻区上为氧化层，所述氧化层与AlGaN层和阳极接触，所述氧化层、所述AlGaN层与所述阳极形成肖特基接触，所述氧化层上表面高于所述阳极金属上表面，所述衬底与所述阴极欧姆接触。优选的，所述衬底的掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。优选的，所述衬底的厚度为300μm-500μm，所述n-GaN层厚度为6μm-12μm。优选的，所述AlGaN层厚度为3nm-10nm。优选的，所述氧离子注入区的氧离子浓度为1×1014cm-3-1×1015cm-3，所述Ga2O3高阻区深度为10nm-20nm。优选的，所述阳极金属为Ni/Au或Pt/Au，所述阴极金属选自Ti/Al/Ti/Au、Ni/Au或Ti/Al。优选的，所述氧化层材料为SiO2，Al2O3或SiNx，其中0.2≤x≤1。二极管阳极材料与n型半导体接触形成势垒，其具有整流特性可制成金属-半导体器件。n型半导体中存在着大量的电子，阳极中仅含少量的自由电子，电子从浓度高的n型半导体中向浓度低的阳极中自由扩散。当电子不断从n型半导体扩散到阳极时，n型半导体表面电子浓度慢慢降低，表面电中性受到变化，形成势垒。同时，阳极中的电子也会产生从阳极→n型半导体的漂移运动，消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，就形成了肖特基势垒。在本器件中，氧具有较大的电负性，相当于在器件表面置入大批的固定电荷，用来减轻器件内部电场拥挤，使电场分布更加的均匀。大能量的氧离子注入，破坏了原有的Ga-N键的结构，产生部分的Ga2O3，即形成部分的内部高阻区域，从而提高器件的击穿电压。薄层n-AlGaN及n-GaN形成极性掺杂结构，n-GaN对于n-AlGaN来说Al成分为零，接触界面会产生负净极化电荷，促进器件载流子的产生，从而变相的提高了肖特基势垒，增大反向击穿电压，并且降低漏电流。通过极化效应增强器件内部电流运输，在增加击穿电压的同时可以保证输出电流不会减弱，增加器件的正向导通。有益效果：(1)通过氧离子注入打破GaN的原有结构，形成Ga-O键，内部形成高阻区域，表面分化电场强度，提高器件击穿电压；(2)外延生长薄层的n-AlGaN及n-GaN，增大了肖特基势垒高度，然而薄层的n-AlGaN，对正向导通电流改变不大，由于其增加的电流输出特性，反而降低了氧离子注入形成高阻增加了导通电阻所带来的影响。(3)原子沉积法(ALD)沉积氧化层形成边缘终端结构，降低了器件最大电场，增加了一定的耐压能力。附图说明图1-7为本专利技术实施例制备的GaN-on-GaN垂直二极管的工艺流程图。双面抛光的n型GaN衬底1，n-GaN层2，AlGaN薄层3，SiO2阻挡层4，Pt/Au阳极5，离子注入区(Ga2O3高阻区)6，氧化层7，Ti/Al/Ti/Au阴极8具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。实施例本实施例提供一种制备GaN-on-GaN垂直二极管的方法如图1-7所示，具体包括如下步骤：步骤1：如图1所述，准备一个双抛的n型GaN衬底，厚度400μm，衬底掺杂浓度为1x1018cm-3；步骤2：如图2所示利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在GaN衬底上生长11μm的n型Si掺杂GaN层，掺杂浓度约为1x10166cm-3，再通过MOCVD生长方法来生长n-AlGaN层，n-AlGaN厚度为5nm，分别选择氨气，三甲基铝，三甲基镓分作为N源，Al源和Ga源，H2为载气；步骤3：如图3所示，利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)，在n型GaN上面选择性生长一层厚度为1μm的SiO2阻挡层，用于可选择性的阻挡离子注入的区域；步骤4：如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基垂直二极管的制备方法，其特征在于：包括/nS1.在GaN衬底上依次生长n-GaN层和AlGaN层；/nS2.在所述AlGaN层上生长阻挡层，刻蚀所述阻挡层端部和AlGaN层端部，暴露出所述n-GaN层的端部；/nS3.通过氧离子注入方式，注入能量依次从低到高，在所述n-GaN层的端部形成Ga

【技术特征摘要】
1.一种GaN基垂直二极管的制备方法，其特征在于：包括
S1.在GaN衬底上依次生长n-GaN层和AlGaN层；
S2.在所述AlGaN层上生长阻挡层，刻蚀所述阻挡层端部和AlGaN层端部，暴露出所述n-GaN层的端部；
S3.通过氧离子注入方式，注入能量依次从低到高，在所述n-GaN层的端部形成Ga2O3高阻区；
S4.去除所述阻挡层，在所述AlGaN层上沉积阳极；
S5.在所述AlGaN层上沉积氧化层，在所述氧化层顶部开孔；
S6.在所述GaN衬底背面沉积阴极。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S1中GaN衬底为双面抛光的n型GaN衬底，所述衬底的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S1中依次生长方式为金属有机化学气相沉积或分子束外延。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S2中阻挡层厚度为1-5μm，所述阻挡层为SiO2。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S3中氧离子注入能量依次为20keV-50keV、60keV-80keV和90keV-110keV，注入的时间间隔为1h-2h。


6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述离子注入后进行退火处理，所述退火温度为150℃-250℃，所述退火环境为氮气氛围。


7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S4中通过酸腐蚀去除所述阻挡层。


8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新科，陈勇，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44