專利名稱：一種功率二極管器件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及到一種功率二極管器件及其制備方法。
背景技術：
功率二極管器件要能夠承受高電壓，器件結構中就必須采用先進的終端結構設計。其結構如附圖I所示，此終端結構的作用是削弱電極邊緣的電場增強尖峰，使電場分布平坦化，避免器件過早擊穿。因此，在高功率肖特基器件的設計過程中，在確定了電壓阻斷層的摻雜濃度和厚度后，肖特基電極周邊的終端結構設計將決定器件能否承受所要求的高電壓。場限環(guard ring)是功率二極管器件最常用的終端結構,它的制備工藝對于娃基器件已經非常成熟，如附圖2所示，通常通過幾個操作步驟完成·
按設計生長具有合適摻雜濃度和厚度的N-/N+外延結構；
通過半導體微加工工藝在器件表面形成掩膜，進行選擇性P型雜質離子注入；
去除掩膜，經過熱退火后形成P型終端結構；
采用半導體微加工方法制作肖特基二極管的陽極和陰極。場限環結構雖然效果很好并被大規模采用到硅基功率電子器件中，但是，這種結構卻不能簡單地被移植到GaN功率電子器件的工藝流程中。其主要的原因是在GaN材料中通過離子注入方法進行P型摻雜并不成熟；具體來講，當被加速的離子注入到單晶材料中時，聞能尚子將極大地破壞材料晶格的有序性，進而在注入區的材料中形成聞密度的晶格缺陷。在傳統的硅器件工藝中，只要通過熱退火(一般溫度在1100度左右)就可完全清除離子注入帶來的晶格損傷；但是，由于寬禁帶半導體GaN材料的特殊物性，只有采用超過1500度的熱處理才有可能清除離子注入帶來的晶格損傷。而1500度的熱處理可使器件表面的GaN材料分解，使肖特基勢壘降低，增加肖特基電極的反向漏電流和減小器件的反向耐壓；同時，1500度以上的熱處理對退火設備的要求也很高，導致器件制備成本大幅度攀升。綜上所述，傳統的離子注入場限環工藝不能簡單地照搬到功率二極管器件的制備工藝流程中。因此，如何在功率二極管器件中形成可靠的P型場限環終端結構是制備高功率肖特基器件的關鍵技術。
發明內容
針對上述問題，本發明的主要目的是提供一種功率二極管器件及其制備方法，可以有效降低肖特基電極周邊的電場強度，提高GaN肖特基器件的反向耐壓能力。為了解決上述難題，本發明采取的方案是一種功率二極管器件，它包括相層疊設置的襯底、緩沖層、外延層、ALN層、場限環、環形場板、形成肖特基結的金屬層，所述場限環呈環形結構，所述ALN層為與所示場限環相對應的環形結構，所述外延層與陰極相電連，所述金屬層與陽極相連。優選地，所述環形場板上形成有多個呈環形的凹凸部，環形場板的凸部的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環形場板的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環形場板向外延層的投影位于最靠近中心的場限環內，所述金屬層覆蓋任一個環形場板的凹部。優選地，所述襯底由包括但不局限于藍寶石、碳化硅或硅中的一種或幾種制成。優選地，所述緩沖層由包括但不局限于GaN、AlN中的一種或幾種制成。優選地，所述環形場板由絕緣材料制成。優選地，所述環形場板的任一個凹部向外延層的投影至少部分的與所述場限環相重合。優選地，所述外延層包括層疊設置的第一 GaN層以及第二 GaN層，所述第一 GaN層 與緩沖層相鄰，所述第二 GaN層與ALN層相鄰，所述第一 GaN層為η++型GaN，所述第二 GaN層為η-型GaN或i_GaN,所述場限環為Ρ-GaN,所述陰極與所述第一 GaN層相電連。優選地，所述第一 GaN層的厚度為O. I-IOym0優選地，所述第二 GaN層的厚度為1_20 μ m。優選地，所述場限環的厚度為O. 01-3 μ m。優選地，所述ALN層的厚度為O. l-100nm。一種功率二極管器件的制備方法，它包括以下步驟
A)制備襯底與緩沖層，使用金屬有機源化學氣相沉積系統在緩沖層上外延生長形成GaN外延層；
B)在GaN外延層上生長ALN層；
C)在ALN層上生長P-GaN層；
D)通過干法刻蝕，自P-GaN層上向下開設多個環形槽，該環形槽至少部分位于ALN層
內；
E)通過濕法刻蝕去除被暴露在環形槽表面的ALN完成場限環的制作；
F)采用等離子體增強化學氣相沉積方法覆蓋絕緣介質制作環形場板；
G)在環形場板上覆蓋金屬層以形成肖特基結作為器件的陽極；
H)采用半導體微加工方法制作器件的陰極，在器件背面蒸鍍金屬層形成陽極。本發明采用以上結構和方法，具有以下優點
I、不僅避免了離子注入和后續的超高溫退火工藝，而且綜合了 P型GaN場限環和介質場板兩種高電壓終端結構，可有效提高GaN肖特基器件的反向耐壓能力。2、優化凹部的深度，寬度和間距能極大的減低電極邊緣的電場增強尖峰，并且可以使整個終端結構縮小面積，從而可以在同樣面積的晶圓上生產更多的功率二極管器件芯片。3、溝槽式P-型外延GaN加場板終端結構可保證肖特基器件承受大大超過設計要求的電壓，從而保證了功率二極管器件的穩定性和可靠性。
圖I為傳統的肖特基二極管的結構。圖2a為傳統肖特基二極管的場限環終端結構形成過程的第一步。圖2b為傳統肖特基二極管的場限環終端結構形成過程的第二步。
圖2c為傳統肖特基二極管的場限環終端結構形成過程的第三步。圖2d為傳統肖特基二極管的場限環終端結構形成過程的第四步。圖3為本發明功率二極管器件陰極設置在襯底的背面的功率二極管器件。圖4為本發明功率二極管器件陰極設置在襯底的側面的功率二極管器件。圖5a為本發明中功率二極管器件制備方法中經過步驟A)后的結構示意圖。圖5b為本發明功率二極管器件制備方法中經過步驟B)后的結構示意圖。圖5c為本發明功率二極管器件制備方法中經過步驟C)后的結構示意圖。 圖5d為本發明功率二極管器件制備方法中經過步驟E)后中形成場限環的結構示意圖。圖5e為本發明功率二極管器件制備方法中經過步驟F)后的結構示意圖。圖5f為本發明功率二極管器件制備方法中經過步驟G)后的結構示意圖。圖5g為本發明功率二極管器件制備方法中經過步驟H)后的結構示意圖。圖6為仿真的反向偏壓下600V級GaN肖特基二極管器件表面電場的強度分布圖。圖7a顯不了未被刻蝕的外延生長N-型GaN表面光潔度。圖7b顯示了經優化條件濕法刻蝕后N-型GaN的表面光潔度。圖8a顯示了 GaN肖特基二極管的逆向I-V曲線圖。圖8b顯示了 GaN肖特基二極管的正向I-V曲線圖。附圖中1、襯底；2、外延層；21、第一 GaN層;22、第二 GaN層；3、場限環；4、陰極；
5、陽極；6、緩沖層；7、凸部；8、凹部；9、環形場板；10、金屬層；11、ALN層。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域的技術人員理解，從而對本發明的保護范圍作出更為清楚明確的界定。本發明的實施例中一種功率二極管器件，它包括相層疊設置的襯底I、緩沖層6、外延層2、ALN層11、場限環3、環形場板9、形成肖特基結的金屬層10，所述外延層2與陰極4相電連，所述金屬層10與陽極5相連。外延層2與陰極4相電連,金屬層10與陽極5相連。如附圖3和4所示，當襯底I為導體時，陰極4可以設置在襯底I的背面。當襯底I為絕緣體或導電性不良的材料時，陰極4可設置在第一 GaN層21的側面。襯底I由包括但不局限于藍寶石、碳化硅或硅中的一種或多種制成。緩沖層6由包括但不局限于GaN、AlN中的一種或多種制成。外延層2由GaN制成。外延層2包括層疊設置的第一 GaN層21以及第二 GaN層22，所述第一 GaN層21與緩沖層6相鄰，所述第二 GaN層22與環形場板9相鄰，所述第一GaN層21為η++型GaN，所述第二 GaN層22為η-型GaN或i_GaN，陰極4與所述第一 GaN層21相電連。其中第一 GaN層21的厚度為O. I-IOym0第二 GaN層22的厚度為1-20 μ m。在外延層2上設置有ALN層11，ALN層11的厚度為O. l_100nm。在ALN層11相對應的位置上設置有場限環3，即在場限環3與外延層2之間設置有ALN層11。場限環3為P-GaN。場限環3的厚度為O. 01-3 μ m。
場限環3為一個或多個環形結構，在場限環3的多個環形結構之間開設有多個溝槽。ALN層11上也開設有多個與場限環3的溝槽相對應且連通的溝槽。因而ALN層11也呈環形結構。環形場板9的上部形成有多個呈環形的凹凸部7，環形場板9的凸部7的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環形場板9的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環形場板9向外延層2的投影位于最靠近中心的場限環3內，所述金屬層10覆蓋任一個環形場板9的凹部8。環形場板9的每個凹部8之間的寬度為O. 1-10 μ m。環形場板9的每個凹部8的最低點至凸部7的最高點的距離為O. 01-1 μ m。環形場板9相鄰兩個凸部7最高點之間的距離為O. 01-10 μ m。環形場板9的任一個凹部8向外延層2的投影至少部分的與所述場限環3相重合。環形場板9的下部插入ALN層11與場限環3溝通形成的溝槽中。從材料特性上分析，GaN是非常適合制備新型高性能功率電子器件的材料，所制器件性能可以遠遠超越傳統的硅基功率電子器件。GaN具有比Si材料高出一個數量級的擊 穿電場和更好的耐高溫能力。高擊穿電場使GaN肖特基二級管可以取代Si PIN高壓二極管。受PN結區內少數載流子存貯效應的影響，PIN 二極管的開關速度又要比肖特基二極管慢很多，這對高效電源系統的設計和實現是非常不利的。采用基于寬禁帶半導體GaN的肖特基整流器恰恰可以解決以上矛盾。GaN肖特基二級管可以采用較小厚度和更高摻雜濃度的電壓阻斷層，從而器件的串聯電阻可以大大降低，使高電壓應用成為可能。在場限環3上設置有環形場板9，環形場板9由絕緣材料制成。該種絕緣介質可以是氮化娃SiNx、氧化娃SiOx等。如附圖5a_5g所示的第一實施例中的制備方法，它包括以下步驟
A)制備襯底I與緩沖層6，使用金屬有機源化學氣相沉積系統在緩沖層6上外延生長形成GaN外延層2 ；
B)在GaN外延層2上生長ALN層11；
C)在ALN層11上生長P-GaN層；
D)通過干法刻蝕，自P-GaN層上向下開設多個環形槽，該環形槽至少部分位于ALN層11內；
E)通過濕法刻蝕去除被暴露在環形槽表面的ALN，選擇性的暴露第二GaN層22 ；
F)采用等離子體增強化學氣相沉積方法覆蓋絕緣介質制作環形場板9；
G)在環形場板9上覆蓋金屬層10以形成肖特基結作為器件的陽極5；
H)采用半導體微加工方法制作器件的陰極4，，在器件背面蒸鍍金屬層10形成陽極5。將商用軟件TCAD對優化了的600V級GaN肖特基二極管具有溝槽式P-型外延GaN加場板終端結構的器件進行模擬(見圖6);從仿真的結果看，器件在承壓600V時，肖特基電極附近的最高電場強度〈I. 7MV/cm，大大低于GaN材料的臨界擊穿電場強度(3MV/cm)。由此可看出，創新的溝槽式P-型外延GaN加場板終端結構可保證肖特基器件承受大大超過設計要求的600V電壓，從而保證了功率二極管器件的穩定性和可靠性。圖7a和圖7b對未被刻蝕的外延生長N-型GaN表面光潔度和經優化條件刻蝕后N-型GaN的表面光潔度的比較，可見刻蝕后的GaN表面仍然非常光潔，原子臺階清晰可見。器件的測試結果如圖8a和圖8b所示GaN肖特基二極管在反向耐壓900V時，漏電流小于200微安，也就是說器件擊穿電壓將大大超過900V ;同時，器件正向導通8A時，正向壓降不到2V。這個結果證明了此終端結構和工藝可以使GaN肖特基二極管的反向耐壓達到理論預測值。改良后的終端結構將能進一步提高器件的Unclamped Inductive Switching(UIS)能力，顯著延長器件的使用生命周期。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種功率二極管器件，其特征在于它包括相層疊設置的襯底、緩沖層、外延層、ALN層、場限環、環形場板、形成肖特基結的金屬層，所述場限環呈環形結構，所述ALN層為與所示場限環相對應的環形結構，所述外延層與陰極相電連，所述金屬層與陽極相連。
2.根據權利要求I所示的功率二極管器件，其特征在于所述環形場板上形成有多個呈環形的凹凸部，環形場板的凸部的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環形場板的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環形場板向外延層的投影位于最靠近中心的場限環內，所述金屬層覆蓋任一個環形場板的凹部。
3.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述襯底由包括但不局限于藍寶石、碳化硅或硅中的一種或幾種制成。
4.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述緩沖層由包括但不局限于GaN、AlN中的一種或幾種制成。
5.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述環形場板由絕緣材料制成。
6.根據權利要求2所述的功率二極管器件，其特征在于所述環形場板的任一個凹部向外延層的投影至少部分的與所述場限環相重合。
7.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述外延層包括層疊設置的第一 GaN層以及第二 GaN層,所述第一 GaN層與緩沖層相鄰,所述第二 GaN層與ALN層相鄰，所述第一 GaN層為η++型GaN，所述第二 GaN層為η-型GaN或i_GaN，所述場限環為P_GaN，所述陰極與所述第一 GaN層相電連。
8.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述第一GaN層的厚度為O. 1-10 μ m。
9.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述第二GaN層的厚度為I-20 u ITio
10.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述場限環的厚度為O. 01-3 μ mD
11.根據權利要求I所述的功率二極管器件，其特征在于所述ALN層的厚度為O.I-IOOnm0
12.—種如權利要求I所述的功率二極管器件的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟 A)制備襯底與緩沖層，使用金屬有機源化學氣相沉積系統在緩沖層上外延生長形成GaN外延層； B)在GaN外延層上生長ALN層； C)在ALN層上生長P-GaN層； D)通過干法刻蝕，自P-GaN層上向下開設多個環形槽，該環形槽至少部分位于ALN層內； E)通過濕法刻蝕去除被暴露在環形槽表面的ALN完成場限環的制作； F)采用等離子體增強化學氣相沉積方法覆蓋絕緣介質制作環形場板； G)在環形場板上覆蓋金屬層以形成肖特基結作為器件的陽極；H)采用半導體微加工方法制作器件·的陰極，在器件背面蒸鍍金屬層形成陽極。
全文摘要
本發明公開了一種功率二極管器件，它包括相層疊設置的襯底、緩沖層、外延層、ALN層、場限環、環形場板、形成肖特基結的金屬層，所述外延層與陰極相電連，所述金屬層與陽極相連。環形場板上形成有多個呈環形的凹凸部，環形場板的凸部的最高點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，環形場板的最低點自該功率部件的內側向外側逐漸升高，最靠近所述功率二極管器件中心的環形場板向外延層的投影位于最靠近中心的場限環內，所述金屬層覆蓋任一個環形場板的凹部。
文檔編號H01L29/06GK102779858SQ201210265839
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者朱廷剛 申請人:江蘇能華微電子科技發展有限公司