阅读说明：本技术 新型GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法 (Novel GaN junction barrier Schottky diode and preparation method thereof ) 是由 黎大兵 刘新科 孙晓娟 贾玉萍 石芝铭 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：新型GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法利用新颖的设计及相对简单易达成的工艺为提高肖特基二极管的性能提供了新途径。新型GaN结势垒肖特基二极管,二极管由下到上依次包括：阴极、衬底、n<Sup>+</Sup>型GaN外延层、n型GaN外延层、在n型GaN外延层的外沿上环形注入等离子体形成的高阻区、梳状的p型GaN外延层、梳状的p<Sup>+</Sup>型GaN外延层和阳极。本专利无需在n型GaN层内再生长p型GaN以及后续的激活工艺,大大降低了工艺难度和复杂程度。通过4层外延GaN结构,能形成良好的欧姆接触以及更好的PN结,降低了正向导通电阻及增加了反向击穿电压,有效提高了器件的性能。另外,N<Sub>2</Sub> Plasma形成的高阻区能有效抑制器件在高压下位于电极边缘的击穿,增强了击穿性能。(The novel GaN junction barrier Schottky diode and the preparation method thereof provide a new way for improving the performance of the Schottky diode by utilizing novel design and relatively simple and easy-to-achieve process. Novel GaN junction barrier Schottky diode, the diode includes by lower to last in proper order: cathode, substrate, n + A type GaN epitaxial layer, an n-type GaN epitaxial layer, a high resistance region formed by annularly injecting plasma on the outer edge of the n-type GaN epitaxial layer, a comb-shaped p + A type GaN epitaxial layer and an anode. According to the method, p-type GaN does not need to be regrown in the n-type GaN layer and a subsequent activation process, so that the process difficulty and complexity are greatly reduced. Through the 4-layer epitaxial GaN structure, good ohmic contact and better PN junction can be formed, the forward on-resistance is reduced, the reverse breakdown voltage is increased, and the performance of the device is effectively improved. In addition, N 2 The high-resistance region formed by the Plasma can effectively inhibit the breakdown of the device at the edge of the electrode under high voltage, and the breakdown performance is enhanced.)

新型GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种新型GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法。

背景技术

近年来由于肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，简称SBD)的低导通压降和极短的反向恢复时间对电路系统效率提高引起了人们高度重视并应用广泛。传统的肖特基二极管存在如下缺陷：(1)由于反向阻断能力接近200V时，肖特基整流器的正向压降V_F将接近PIN整流器的正向压降，因此传统的肖特基势垒二极管的反向阻断电压一般低于200V，使之在应用中的效率更低。(2)传统的肖特基二极管其反向漏流较大且对温度敏感，传统的肖特基二极管结温在125℃到175℃之间。

基于上述缺陷，结势垒肖特基二极管(Junction Barrier Schottky，简称JBS)作为一种增强型肖特基二极管成为研究的热点，结势垒肖特基二极管结构的典型特点是在传统的肖特基二极管的外延层上集成多个PN结呈现梳状。结势垒肖特基二极管在零偏和正偏时肖特基接触部分导通，PN结部分不导通；结势垒肖特基二极管在反偏时PN结耗尽区展宽以致夹断电流通道，有效抑制肖特基势垒降低效应及有效控制反向漏流。所以结势垒肖特基二极管的突出优点是拥有肖特基势垒二极管的通态和快速开关特性，还有PIN二极管的关态和低泄漏电流特性。

现有的JBS器件需要刻蚀n型外延层后在n型外延层内重新生长p型外延层，并且需要高达1100℃温度的多次退火来完成p型外延层的激活，这极大的增加了器件的工艺难度和复杂程度，限制了氮化镓基的JBS结构器件的发展。另外，与肖特基势垒二极管(SBD)类似，JBS的正极边缘的电场强度高，容易引起器件的反向击穿。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法，利用新颖的设计及相对简单易达成的工艺为提高肖特基二极管的性能提供了新途径。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

新型GaN结势垒肖特基二极管，二极管由下到上依次包括：阴极、衬底、n⁺型GaN外延层、n型GaN外延层、在n型GaN外延层的外沿上环形注入等离子体形成的高阻区、梳状的p型GaN外延层、梳状的p⁺型GaN外延层和阳极。

优选的，所述衬底的材料为：氮化镓、硅及碳化硅衬底。

优选的，所述n⁺型GaN外延层、n型GaN外延层、梳状的p型GaN外延层和梳状的p⁺型GaN外延层的生长方法为有机化学气相沉积或氢化物气相外延。

优选的，所述n⁺型GaN外延层厚度为2μm，载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；n型GaN外延层厚度为23μm，载流子浓度约为8x10¹⁵cm^-3；梳状的p型GaN外延层厚度为500nm，载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；梳状的p⁺型GaN外延层厚度为30nm，载流子浓度约为1.5x10²⁰cm^-3。

优选的，所述等离子体为N₂或Ar。

优选的，所述阴极通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜，使用剥离工艺形成电极后在650℃、N₂环境下退火。

新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：在衬底通过有机化学气相沉积或氢化物气相外延依次生长n⁺型GaN外延层、n型GaN外延层、p型GaN外延层和p⁺型GaN外延层；

步骤二：在所述p⁺型GaN外延层上表面通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积生长一层SiN；

步骤三：在所述衬底背部通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发制备欧姆接触电极的阴极；

步骤四：在所述SiN表面通过干法刻蚀将p型GaN外延层和p⁺型GaN外延层制备成梳装结构，然后去除SiN层；

步骤五：在n型GaN外延层上表面通过光刻和等离子体注入制备圆环形高阻区；

步骤六：在所述高阻区和梳装p⁺型GaN外延层上蒸镀欧姆接触电极的阳极，完成新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法。

优选的，所述步骤一中n⁺型GaN外延层厚度为2μm，载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；n型GaN外延层厚度为23μm，载流子浓度约为8x10¹⁵cm^-3；梳状的p型GaN外延层厚度为500nm，载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；梳状的p⁺型GaN外延层厚度为30nm，载流子浓度约为1.5x10²⁰cm^-3。

优选的，所述步骤一中，氢基硅烷用作n⁺型GaN掺杂的Si原料，而环戊二烯基镁可以用作p⁺型GaN掺杂的Mg原料。

优选的，所述步骤三中，所述阴极通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜，使用剥离工艺形成电极后在650℃、N₂环境下退火。

本发明的有益效果是：本专利提出的新型GaN JBS器件，在工艺流程方面，无需在n型GaN层内再生长p型GaN以及后续的激活工艺，大大降低了工艺难度和复杂程度。在器件结构方面，通过4层外延GaN结构，能形成良好的欧姆接触以及更好的PN结，降低了正向导通电阻及增加了反向击穿电压，有效提高了器件的性能。另外，N₂ Plasma形成的高阻区能有效抑制器件在高压下位于电极边缘的击穿，增强了击穿性能。本专利提供的方法是提高GaN基肖特基势垒二极管性能的有效新途径。本发明具有工艺简单，效果显著，应用前景广阔等优点。

附图说明

图1本发明新型GaN结势垒肖特基二极管结构示意图。

图2本发明新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法步骤一和步骤二示意图。

图3本发明新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法步骤三示意图。

图4本发明新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法步骤四示意图。

图5本发明新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法步骤五示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，新型GaN结势垒肖特基二极管，二极管由下到上依次包括：阴极、衬底、n⁺型GaN外延层、n型GaN外延层、在n型GaN外延层的外沿上环形注入等离子体形成的高阻区、梳状的p型GaN外延层、梳状的p⁺型GaN外延层和阳极。其中所述衬底的材料可以为：氮化镓、硅及碳化硅衬底。所述n⁺型GaN外延层、n型GaN外延层、梳状的p型GaN外延层和梳状的p⁺型GaN外延层的生长方法为有机化学气相沉积或氢化物气相外延。在本实施例中，所述n⁺型GaN外延层厚度为2μm，载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；n型GaN外延层厚度为23μm，载流子浓度约为8x10¹⁵cm^-3；梳状的p型GaN外延层厚度为500nm，载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；梳状的p⁺型GaN外延层厚度为30nm，载流子浓度约为1.5x10²⁰cm^-3。其中外延层的厚度及载流子的浓度均可以适当的调整和变化。

在n型GaN外延层的外沿上环形注入等离子体形成的高阻区中，所述等离子体为H₂、N₂、F或Ar。

新型GaN结势垒肖特基二极管的电极材料中，所述阴极通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜，使用剥离工艺形成电极后在650℃、N₂环境下退火。本发明中电极材料种类为Ni/Au、Pt等能够与n型GaN形成肖特基型金半接触的电极材料；器件负极的电极材料种类为Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au等能够与n型GaN形成欧姆型金半接触的材料。

基于新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：如图2所示，在双面抛光的n型高掺杂自支撑GaN衬底上通过有机化学气相沉积或氢化物气相外延依次生长2μm的n⁺型GaN外延层、23μm的n型GaN外延层、500μm的p型GaN外延层和30μm的p⁺型GaN外延层，其中氢基硅烷可以用作n型掺杂剂(供体)的Si原料，而环戊二烯基镁可以用作p型掺杂剂(受体)的Mg原料。

步骤二：在所述p⁺型GaN外延层上表面通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积生长一层20μm的SiN，用以保护结构的表面，其中SiN可以由SiO₂或Al₂O₃替代；

步骤三：在所述衬底背部通过热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发制备欧姆接触电极的阴极，采用TI/Al/Ti/Au的金属膜；

步骤四：在所述SiN表面通过Cl₂/SiCl₄干法刻蚀将p型GaN外延层和p⁺型GaN外延层制备成圆环形梳装结构，然后通过干法刻蚀去除SiN层；

步骤五：在n型GaN外延层上表面通过光刻工艺制作阻挡层，在通过H₂、N₂、F或Ar等离子体注入在n型GaN外延层上表面制备圆环形高阻区，形成终端结构；

步骤六：在所述高阻区和梳装p⁺型GaN外延层上蒸镀欧姆接触电极的阳极Ni(10nm)/Au(125nm)，完成新型GaN结势垒肖特基二极管的制作方法。

在本实施例中，所述步骤一中n⁺型GaN的载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；n型GaN的载流子浓度约为8x10¹⁵cm^-3；梳状的p型GaN的载流子浓度约为1.5x10¹⁸cm^-3；梳状的p⁺型GaN的载流子浓度约为1.5x10²⁰cm^-3。