氮化镓异质结肖特基二极管制造技术

一种氮化镓半导体二极管，包括一个衬底、一个形成在衬底上的ＧａＮ层、一个形成在ＧａＮ层上的ＡｌＧａＮ层，其中ＧａＮ层和ＡｌＧａＮ层构成二极管的阴极区、一个形成的在ＡｌＧａＮ层上的金属层，一同构成一个肖特基结，金属层作为二极管的阳极电极，以及一个形成在ＡｌＧａＮ层的顶部表面中的高势垒区，并位于金属层的一个边缘下方。高势垒区的带隙能量高于ＡｌＧａＮ层，或高势垒区的电阻率比ＡｌＧａＮ层更大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氮化镓异质结半导体器件，尤其是高反偏击穿电压的氮化镓(GaN)异 质结肖特基二极管。
技术介绍
肖特基二极管是通过让金属接触半导体层，而形成的一种半导体器件。金属和半导体层之间的结起到一个整流结的作用，相对于完全在半导体层中形成的p-n结二极管而 言，其二极管的开关性能得到了改善。因此，肖特基二极管比P-n结二极管的开启电压更 低，开关速度更快。在开关损耗占能量消耗的绝大部分的应用中，例如开关电源(SMPS)等， 使用肖特基二极管是理想的选择。由氮化物半导体材料组成的电子器件如今已广为人知。这种器件多由III族氮 化物材料组成，因此常被称为III 一氮化物半导体器件。由于氮的化合物半导体器件具 有带隙较宽、击穿电压较高等特点，致使它们适用于高压高温器件，尤其是III-V族氮化镓 (GaN)半导体肖特基二极管，其击穿电压很高、导通电阻很低。可使用III-氮半导体肖特基 势垒二极管，来提升开关电源的工作效率。使用异质结结构的氮化物半导体器件也已广为人知。例如，用AlGaN异质结制备 的GaN肖特基二极管。在AlGaN异质结肖特基二极管中，要在GaN层上制备一个AlGaN层， 以便形成肖特基二极管的阴极区。其中AlGaN层的带隙要比下面的GaN层的带隙宽，在异 质结界面上会产生二维电子气。由于这个二维电子气形成的层中，电子迁移率很高，电阻很 小。因此，AlGaN异质结肖特基二极管就比没有二维电子气层的器件的导通电阻小得多。美国公开号为2007/0210335A1，由Ikeda等人专利技术的的专利中，提出了一种GaN半 导体器件，使用一个带有两种不同阳极金属的复合阳极，其中第一个阳极电极的肖特基势 垒高度远小于第二阳极电极。图1为Ikeda等人的专利技术中的图1，表示含有一个第一阳极电 极17A和一个第二阳极电极17B的一个复合阳极电极17。Ikeda等人还提出了一种GaN半 导体器件，其中III-V氮化物半导体中的带隙能量小于周围的阳极材料，这种III-V氮化物 半导体形成的层位于阳极的上层，与第一阳极电极接触。当施加反向偏压，并且阳极和阴极 之间的电场浓度受到抑制时，Ikeda等人提出的GaN半导体器件的导通电阻很低、漏电流很 小。找到一种适用于高压器件、带有高击穿电压的氮化物半导体肖特基二极管，是十 分必要的。
技术实现思路
依据本专利技术的一个实施例，氮化镓半导体二极管包括一个衬底、一个形成在衬底 上的GaN层、一个形成在GaN层上的AlGaN层(其中GaN层和AlGaN层形成二极管的阴 极区)、一个形成在AlGaN层上的金属层形成肖特基结(其中金属层形成二极管的阳极电 极)，以及一个形成在AlGaN层顶面中、位于金属层边缘下方的高势垒区。高势垒区的带隙能量比AlGaN层的带隙能量更高，或者说高势垒区的阻抗比AlGaN层的阻抗更高。在一个实施例中，氮化镓半导体二极管还包括一个形成在AlGaN层上的介质层， 其中介质层在形成阳极电极的金属层中有一个开口。在另一个实施例中，在介质层中形成 一个场板结构，在金属层和AlGaN层的交界处包围着金属层。这个场板结构还含有减薄厚 度的介质层的延伸部分，在金属层和AlGaN层的交界处延伸到金属层中。阅读上述详细说明并参考附图之后，即可较好地掌握本专利技术。附图说明图1为美国专利公开号为2007/0210335A1的图1，表示一种使用复合阳极结构的GaN半导体器件。图2表示依据本专利技术的第一实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。图3表示依据本专利技术的第二实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。图4表示依据本专利技术的第三实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。图5表示依据本专利技术的第四实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。图6表示依据本专利技术的一个实施例，制备如图2所示的GaN异质结肖特基二极管 的制作流程图。图7表示依据本专利技术的一个实施例，在图3和图5所示的GaN异质结肖特基二极管中，形成场板结构的制作流程图。图8表示依据本专利技术的一个实施例，在图4和图5所示的GaN异质结肖特基二极管中，形成到导电衬底中的通孔结构的制作流程图。图9为在制备的中间过程中的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，用来表示 依据本专利技术的第一实施例，高势垒区的形成过程。图10在制备的中间过程中的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，用来表示依 据本专利技术的第二实施例，高势垒区的形成过程。图11为带有高势垒区的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，依据本专利技术的一 个实施例，使用如图10所示的阳极金属结构形成高势垒区。图12在制备的中间过程中的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，用来表示依 据本专利技术的第三实施例，高势垒区的形成过程。图13为带有高势垒区的GaN异质结肖特基二极管的横截面视图，依据本专利技术的一 个实施例，使用如图12所示的沟道和填充方法形成高势垒区。具体实施例方式依照本专利技术提出的理论，氮化物半导体异质结肖特基二极管(“氮化物肖特基二极 管”)含有许多高势垒区，形成在阳极边缘周围的复合半导体阴极区中。形成高势垒区使用 的材料，具有较高的肖特基势垒高度或较大的带隙能量，或者比阴极区的氮化物半导体材 料更大的电阻。在这种情况下，通过重新分布区域中的电场，来抑制在阳极边缘处的电场拥 挤，并提升肖特基二极管器件的击穿电压。在另一个典型实施例中，在阳极接触开口处形成 的电介质场板结构，用于扩散阳极边缘处的电场，从而降低了阳极边缘处的电场浓度。当氮化物半导体肖特基二极管含有高势垒区或电介质场板结构时，形成的肖特基二极管，能够在反向偏压下正向传导和高击穿电压的情况中，获得较低的导通电阻。氮化物 肖特基二极管在开关电源等高压器件中应用广泛，便于限制开关损耗，以及提高开关电源 的工作效率。在下文中，使用氮化镓(GaN)和铝镓氮(AlGaN)异质结以及肖特基二极管，形成的氮化物半导体异质结肖特基二极管，常被称为“GaN肖特基二极管”。但是，使用GaN和 AlGaN作为氮化物半导体异质结，仅作为举例说明，并且本专利技术所述的氮化物半导体异质结 肖特基二极管，也可以使用其他已知或未知的III-V化合物半导体材料制备。图2表示依据本专利技术的第一实施例，一种GaN异质结肖特基二极管的横截面视图。 参见图2，GaN肖特基二极管100形成在绝缘衬底102上。制备绝缘衬底102的材料可以选 用蓝宝石、ZnO, A1N、GaN、半绝缘的SiC或玻璃。GaN肖特基二极管100含有具有不同带隙 能量的III-氮化物半导体的至少一个异质结，这些III-氮化物半导体形成GaN肖特基二 极管的阴极区。在本实施例中，GaN层104位于绝缘衬底102上，AlGaN层106位于GaN层 104上。AlGaN层106的带隙宽度大于它下面的GaN层104，会在异质结表面产生二维电子 气(120区)。二维电子气形成一个高电子迁移率层，因此其电阻很小。为了形成阴极电极，要在肖特基二极管100的阴极区形成欧姆接触112，欧姆接触 112足够深，可以与二维电子气区120形成电接触。然后，在GaN/AlGaN异质结上覆盖一层介 电层108，介电层108带有一个阴极电极116的开口，以及一个阳极电极的开口。在阳极电 极中形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓半导体二极管，包括：一个衬底；一个形成在衬底上的ＧａＮ层；一个形成在ＧａＮ层上的ＡｌＧａＮ层，ＧａＮ层和ＡｌＧａＮ层构成二极管的阴极区；一个形成的在ＡｌＧａＮ层上的金属层，一同构成一个肖特基结，金属层作为二极管的阳极电极；一个形成在ＡｌＧａＮ层的顶部表面中的高势垒区，位于金属层的一个边缘下方，高势垒区的带隙能量高于ＡｌＧａＮ层，或高势垒区的电阻率比ＡｌＧａＮ层更大。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱廷刚，
申请(专利权)人：万国半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]