带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管及制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管及其制备工艺，本发明专利技术在高掺的n

【技术实现步骤摘要】
带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管及制备工艺


[0001]本专利技术属于半导体器件
，更进一步涉及电子电力器件
中的一种带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管及制备工艺。本专利技术可用于功率器件和开关器件。

技术介绍

[0002]相比于碳化硅(SiC，Silicon Carbide)、氮化镓(GaN，Gallium Oxide)等半导体材料，氧化镓(β
‑
Ga2O3，Gallium Oxide)具有诸多得天独厚的优势。β
‑
Ga2O3的禁带宽度为4.8
‑
4.9eV，理论击穿场强可高达8MV/cm，其数值是SiC和GaN理论极限的两倍以上，巴利加优值更是远远高于其他半导体材料。另外，高质量的单晶β
‑
Ga2O3可以通过熔融法进行大规模生产，包括光浮区法、导模法、提拉法和垂直布里奇曼法，这将大大减少未来材料的成本。并且β
‑
Ga2O3可以在1*10
15
‑
1*10
20
cm
‑3的超宽范围内实现精确的电子浓度调控。但是，与其他氧化物半导体材料类似，β
‑
Ga2O3的有效空穴传导难以实现p型掺杂，因此常常会用其他p型材料例如氧化锡(SnO2，Stannum Oxide)、氧化镍(NiO，Nickel Oxide)或锌镍氧(Zn1‑
x
Ni
x
O，Zinc Nickel Oxide)等来代替。其中，Zn1‑<br/>x
Ni
x
O因其在室温下拥有3.8
‑
4.2eV禁带宽度而显示出巨大的优势，此外，Zn1‑
x
Ni
x
O具有高价带边缘和低空穴有效质量，而且Zn1‑
x
Ni
x
O薄膜可以在富氧环境下生长，通过控制阳离子空位或氧间隙的天然缺陷，从而在室温下表现出p型电导率。Zn1‑
x
Ni
x
O中的p型掺杂也可以通过掺杂铜(Cu，Cuprum)来实现。
[0003]但氧化镓器件也面临着一些问题，水平肖特基二极管器件的面积较大，使其在应用中带来更高的成本劣势。同时，由于其欧姆接触与肖特基接触在低掺外延层开态电阻较大，从而导致功率应用受到限制。相比于水平肖特基二极管，垂直肖特基二极管可以通过利用背面高掺衬底欧姆接触电极的优势来获得更大的电流来提供更高的功率。迄今为止，所报道的氧化镓肖特基二极管的性能受限于缺陷的存在和在电极边缘与拐角附近的耗尽区产生的击穿。为了尽可能消除电场集中效应对肖特基二极管反向耐压能力带来的消极影响，因此结终端技术应运而生，例如场板结构、场限环结构、浮空金属环结构以及结终端拓展结构等。
[0004]Hao Yuan，Qingwen Song等人在其发表的论文“Design and experiment of4H
‑
SiC JBS diodes achieving a near
‑
theoretical breakdown voltage with non
‑
uniform floating limiting rings terminal”(期刊名Solid
‑
State Electronics，123，58
‑
62，2016)中提出了一种带浮空金属环的肖特基二极管结构。该结构在基于4H
‑
SiC材料的肖特基二极管器件上，通过改变浮空金属环的宽度和间距来抑制边缘电场，从而提高击穿电压。但是，该结构仍然存在两点不足，其一，由于该二极管器件采用4H
‑
SiC材料，该半导体材料禁带宽度小，临界场强低且价格昂贵。其二，由于该二极管器件使用大量的浮空金属环，且浮空金属环宽度且间距相同，导致材料面积浪费。
[0005]南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司在其申请的专利文献“带边缘终端的金刚石肖特基二极管制备”(申请号202111662487.6，申请公布号CN 114530487 A)中
提出了一种带边缘终端的金刚石肖特基二极管结构。该结构是一种基于金刚石基衬底肖特基二极管器件，通过终端技术技术来提高击穿电压。但是该结构存在三点不足，其一，由于该二极管器件采用金刚石材料，但该材料掺杂较难，且硬度高，对刻蚀工艺要求严格。其二，大尺寸的金刚石材料生长技术难以实现，且金刚石材料外延较为困难，导致金刚石材料昂贵。其三，由于该二极管器件采用较多的终端结构，导致面积浪费严重。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，通过选择性n型β
‑
Ga2O3异质外延生长技术，提出了一种带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管及制备工艺，用于解决4H
‑
SiC材料禁带宽度小、临界场强低，金刚石材料掺杂较难，金刚石材料生长和外延困难，4H
‑
SiC材料和金刚石材料价格昂贵以及浮空金属环和其他终端结构所导致边缘电场大、击穿电压小、器件面积大的问题。
[0007]为实现上述的目的，本专利技术的思路是，本专利技术采用n型β
‑
Ga2O3材料以及p型Zn1‑
x
Ni
x
O材料，其中，β
‑
Ga2O3的禁带宽度为4.8
‑
4.9eV，理论击穿场强可高达8MV/cm，可以精准实现掺杂浓度为1*10
15
‑
1*10
20
cm
‑3的n型掺杂，以及可以通过熔融法进行大规模生产，这将大大减少未来材料的成本。而Zn1‑
x
Ni
x
O材料禁带宽度为3.8
‑
4.2eV，且具有高价带边缘和低空穴有效质量的优势，且该材料p型掺杂方法多且容易。此外，本专利技术采用了非均匀场限环结构，该结构通过保持场限环的宽度或者间距，而改变场限环的间距或者宽度来达到抑制边缘电场，提高击穿电压且器件面积较小的目的。
[0008]本专利技术的带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管器件，包括自下而上设有的欧姆金属层1、衬底2、外延层3、终端区域4和肖特基金属层5，所述的终端区域4由8
‑
15个场限环组成，所有场限环非均匀设置于外延层3上部的中间位置，每一个场限环均采用Zn1‑
x
Ni
x
O材料，其中，x的取值范围为[0.5,0.8]。
[0009]本专利技术带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管的制备工艺步骤包括如下：
[0010]步骤1，将掺有Si或Sn的高掺n
+
β
‑
Ga2O3衬底材料依次用丙酮、无水乙醇超声清洗后，再用去离子水冲洗，最后经由高纯氮气(N2，Nitrogen)干燥，得到n
+
β
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管，包括自下而上设有的欧姆金属层(1)、衬底(2)、外延层(3)、终端区域(4)和肖特基金属层(5)，其特征在于，所述的终端区域(4)由8
‑
15个场限环组成，所有场限环非均匀设置于外延层(3)上部的中间位置，每一个场限环均采用Zn1‑
x
Ni
x
O材料，其中，x的取值范围为[0.5,0.8]。2.根据权利要求1所述的带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述的欧姆金属层(1)为环形或矩形中的任意一种，该金属层采用20
‑
60nm/120
‑
250nm的Ti/Au金属。3.根据权利要求1所述的带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述的衬底(2)的形状与欧姆金属层(1)相同，该衬底采用掺有Si或Sn的高掺n
+
β
‑
Ga2O3材料，掺杂浓度为1*10
18
‑
5*10
19
cm
‑3，厚度为300
‑
600μm。4.根据权利要求1所述的带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述的外延层(3)的形状与欧姆金属层(1)相同，该外延层为掺Si或Sn的低掺n
‑
β
‑
Ga2O3材料，掺杂浓度为1*10
15
‑
1*10
17
cm
‑3，厚度为5
‑
20μm。5.根据权利要求1所述的带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述的所有场限环中的每个场限环的形状均与欧姆金属层(1)相同，每个场限环均采用Zn1‑
x
Ni
x
O材料，掺杂浓度为1*10
16
‑
1*10
17
cm
‑3，厚度为100
‑
500nm，所述的非均匀设置指的是下述两种情形中的任意一种：情形1，所有场限环的宽度按照α倍等比例缩小，其中，α的取值范围为[1.05,1.1]；情形2，所有相邻的场限环间距按照β倍等比例扩大，其中，β的取值范围为[1.05,1.1]。6.根据权利要求1所述的带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述肖特基金属层(5)的形状与欧姆金属层(1)相同，该金属层采用20
‑
60nm/100
‑
200nm的Ni/Au金属。7.根据权利要求1所述垂直氧化镓肖特基二极管的一种带有非均匀场限环的垂直氧化镓肖特基二极管制备工艺，其特征在于，该制备工艺的步骤包括如下：步骤1，将掺有Si或Sn的高掺n
+
β
‑
Ga2O3衬底材料依次用丙酮、无水乙醇超声清洗后，再用去离子水冲洗，最后经由高纯N2干燥，得到n
+
β
‑
Ga2O3衬底(2)；步骤2，利用HVPE、MBE或者MOCVD的工艺中的任意一种，在n
+
β
‑
Ga2O3衬底(2)上沉积厚度为5
‑
20μm掺有Si或Sn的低掺n
‑
β
‑
Ga2O3材料，得到n
‑
β
‑
Ga2O3外延层(3)；步骤3，利用E
‑
Beam工艺，在n
+
β
‑
Ga2O3衬底(2)背面沉积20
‑
60nm/120
‑
250nm的Ti/Au金属后，再在300
‑
550℃的N2气氛下进行1
‑
3min退火，得到欧姆接触金属层(1)；步骤4，利用光刻和显影工艺，在n
‑
β
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯倩，高虎虎，田旭升，滑明卓，王文涛，张进成，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：