氧化镓基肖特基二极管及其制备方法

摘要

本发明提供一种氧化镓基肖特基二极管及制备方法，其中二极管包括：氧化镓衬底；外延氧化镓，设置于所述氧化镓衬底之上；第一绝缘区，位于所述外延氧化镓第一深度；多个第二绝缘区，位于所述外延氧化镓的上表面；肖特基金属层，跨设于相邻的两个第二绝缘区之上；欧姆金属层，位于所述氧化镓衬底的下表面。本发明通过在外延氮化镓的不同深度形成的第一绝缘区和第二绝缘区，在保证正向导通的基础上形成穿通型结构，提高击穿电压。

权利要求

1.一种氧化镓基肖特基二极管，其中包括：氧化镓衬底；

外延氧化镓，设置于所述氧化镓衬底之上；

第一绝缘区，位于所述外延氧化镓第一深度；其中，所述第一绝缘区是对所述外延氧化镓的第一区域进行第一次氮离子注入，后进行第一次热处理，以在所述外延氧化镓的第一深度形成的；

多个第二绝缘区，位于所述外延氧化镓的上表面；其中，所述多个第二绝缘区是对所述外延氧化镓的第二区域进行第二次氮离子注入，后进行第二次热处理，以在所述外延氧化镓的表面形成的；

肖特基金属层，跨设于相邻的两个第二绝缘区之上；

欧姆金属层，位于所述氧化镓衬底的下表面；

沿所述外延方向观察，所述第一绝缘区域第二绝缘区仅部分重合；所述第一绝缘区材料为氮杂质补偿硅杂质后的绝缘氧化镓；

所述第二绝缘区材料为氮杂质掺杂硅杂质后的绝缘氧化镓；

所述第一绝缘区域和所述第二绝缘区域在垂直方向上有一定的距离，以预留电流的正向通道。

2.根据权利要求1所述的氧化镓基 肖特基二极管，其特征在于，所述肖特基金属层包括：铂和金的双层结构，或者镍和金的双层结构。

3.根据权利要求1所述的氧化镓基 肖特基二极管，其特征在于，所述欧姆金属层包括：钛和金的双层结构。

4.一种氧化镓基肖特基二极管的制备方法，其中包括：氧化镓衬底上制备外延氧化镓；

对外延氧化镓的第一区域进行第一次氮离子注入，后进行第一次热处理，以在外延氧化镓的第一深度形成第一绝缘区；

对外延氧化镓的第二区域进行第二次氮离子注入，后进行第二次热处理，以在外延氧化镓的表面形成多个第二绝缘区；

制备跨设于相邻的两个第二绝缘区之上的肖特基金属层；

制备位于氧化镓衬底下表面的欧姆金属层；

沿所述外延方向观察，所述第一绝缘区域第二绝缘区仅部分重合；所述第一绝缘区材料为氮杂质补偿硅杂质后的绝缘氧化镓；

所述第二绝缘区材料为氮杂质掺杂硅杂质后的绝缘氧化镓；

所述第一绝缘区域和所述第二绝缘区域在垂直方向上有一定的距离，以预留电流的正向通道。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一次氮离子注入的能量和剂量大于第二次氮离子注入的能量和剂量。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，沿所述外延方向观察，所述第一区域与所述第二区域仅部分重合。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一次热处理和第二次热处理工艺相同，均在1100℃的氮气气氛中热处理。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一深度位于距外延氧化镓上表面1‑2微米处。

说明书

氧化镓基肖特基二极管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体技术领域，进一步涉及氧化镓基肖特基二极管，以及该氧化镓基肖特基二极管的制备方法。

背景技术

[0002] 氧化镓材料因其优异的材料特性，包括超宽的禁带宽度(4.8eV)、超高的临界击穿场强(8MV/cm)，使其特别适用于高压领域。另一方面，氧化镓衬底材料可以通过导模法制
备，其生产成本相对较低，具备潜在的应用优势。肖特基二极管因为其高开关速度和低导通
损耗，在高压开关领域占据了一定市场份额。

[0003] 目前，已有多种氧化镓基肖特基二极管面世，这些二极管的制备流程包括淀积背面的欧姆电极和正面的肖特基电极，其正向导通特性都较为优异。但为了维持器件的正向
导通特性，此类二极管都未采用穿通型结构，只通过加入场板的方法小幅提升器件的击穿
电压。

[0004] 使用场板的终端保护措施，只能改善器件正极边缘的电场集中问题，实现小幅提升氧化镓二极管的击穿电压，但器件漂移层较高的掺杂浓度使其难以被耗尽，是非穿通型
结构，漂移区的平均电场强度较低，器件的击穿电压受到限制。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供氧化镓基肖特基二极管及其制备方法，以在二极管中引入穿通型结构和边缘终端保护，提升二极管击穿电压。

[0007] (二)技术方案

[0008] 根据本发明的一方面，提供一种氧化镓基肖特基二极管，其中包括：

[0009] 氧化镓衬底；

[0010] 外延氧化镓，设置于所述氧化镓衬底之上；

[0011] 第一绝缘区，位于所述外延氧化镓第一深度；

[0012] 多个第二绝缘区，位于所述外延氧化镓的上表面；

[0013] 肖特基金属层，跨设于相邻的两个第二绝缘区之上；

[0014] 欧姆金属层，位于所述氧化镓衬底的下表面。

[0015] 在进一步的实施方案中，沿外延方向观察，所述第一绝缘区域第二绝缘区仅部分重合。

[0016] 在进一步的实施方案中，第一绝缘区材料为氮杂质补偿硅杂质后的绝缘氧化镓。

[0017] 在进一步的实施方案中，第二绝缘区材料为氮杂质掺杂硅杂质后的绝缘氧化镓。

[0018] 在进一步的实施方案中，肖特基金属层包括：铂和金的双层结构，或者镍和金的双层结构。

[0019] 在进一步的实施方案中，欧姆金属层包括：钛和金的双层结构。

[0020] 根据本发明的另一方面，提供一种氧化镓基肖特基二极管的制备方法，其中包括：

[0021] 氧化镓衬底上制备外延氧化镓；

[0022] 对外延氧化镓的第一区域进行第一次氮离子注入，后进行第一次热处理，以在外延氧化镓的第一深度形成第一绝缘区；

[0023] 对外延氧化镓的第二区域进行第二次氮离子注入，后进行第二次热处理，以在外延氧化镓的表面形成多个第二绝缘区；

[0024] 制备跨设于相邻的两个第二绝缘区之上的肖特基金属层；

[0025] 制备位于氧化镓衬底下表面的欧姆金属层。

[0026] 在进一步的实施方案中，第一次氮离子注入的能量和剂量大于第二次氮离子注入的能量和剂量。

[0027] 在进一步的实施方案中，沿所述方向观察，所述第一区域与所述第二区域仅部分重合。

[0028] 在进一步的实施方案中，第一次热处理和第二次热处理工艺相同，均在1100℃的氮气气氛中热处理。

[0029] 在进一步的实施方案中，第一深度位于距外延氧化镓上表面1‑2微米处。

[0030] (三)有益效果

[0031] 通过氮离子注入在外延氮化镓的不同深度形成的第一绝缘区和第二绝缘区，在保证正向导通的基础上形成穿通型结构，提高击穿电压；

[0032] 通过将肖特基金属层跨设于相邻的两个第二绝缘区之上，以在肖特基电极的边缘位置形成终端保护，降低该区域的电场强度，从而进一步提升器件的击穿电压。

附图说明

[0033] 图1‑5是本发明实施例的氧化镓基肖特基二极管工艺过程示意图。

[0034] 图6是本发明实施例的氧化镓基肖特基二极管正向导通状态示意图。

[0035] 图7是本发明实施例的氧化镓基肖特基二极管反向截止状态示意图。

具体实施方式

[0036] 为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

[0037] 需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本
文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接
受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、
“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用
来限制本公开的保护范围。

[0038] 现有的氧化镓肖特基二极管正向导通特性都较为优异，但都没有采用穿通型结构，而穿通型结构是提升器件耐压值的有力措施，这也使得这些二极管的击穿电压受到限
制。为此，本发明通过两步氮离子注入的方式，在氧化镓二极管中引入穿通型结构和边缘终
端保护，同时保证器件的正向导通特性不受影响，从而获得正向电流大、击穿电压高的氧化
镓二极管。根据本发明的基本构思，还提供一种氧化镓基肖特基二极管，包括分别位于外延
氧化镓表面和内部的第一绝缘区和第二绝缘区，从而形成穿通型结构，以分离二极管的正
向导通区域和反向截止区域，从而获得正向特性和反向特性均优异的氧化镓二极管。

[0039] 参见图5所示，本发明提供的氧化镓基肖特基二极管包括氧化镓衬底、外延氧化镓，外延氧化镓内形成的第一绝缘区和第二绝缘区，以及肖特基金属层和欧姆金属层。外延
氧化镓位于氧化镓衬底之上，其通过外延生长方式形成，在外延氧化镓内的第一深度上具
有第一绝缘区，在外延氧化镓上表面上具有第二绝缘区，第一绝缘区和第二绝缘区不相邻，
以在正向导通时导电沟道能够保留，且在反向截止时，耗尽区扩展至第一深度，形成穿通型
结构，提高击穿电压。

[0040] 其中，对于氧化镓衬底，其为锡掺杂，掺杂浓度为5×1018‑10×1018cm‑3，选择的衬底厚度为400‑600微米，选择在其上形成外延氧化镓材料。

[0041] 氧化镓外延为通过现有的外延方法形成，氧化镓外延层的掺杂为硅掺杂，掺杂浓16 16 ‑3
度为2×10 5×10 cm ，氧化镓外延层的厚度为5‑9微米，氧化镓外延的作用在于保证反向
截止状态时器件漏电流较低。

[0042] 为提升器件的击穿电压，在氧化镓外延层的第一深度上形成第一绝缘区，该绝缘区通过离子注入氮后再经过热处理形成，第一绝缘区的材料为氮杂质补偿硅杂质后的绝缘
氧化镓。该第一绝缘区可以有多个，通过离子注入时在氧化镓外延层上涂覆光刻胶层，显影
后对应的区域为第一区域，离子从该第一区域注入氧化镓外延层；后经热处理激活后，氮杂
质补偿材料外延层中的施主杂质，从而使得在第一深度的第一区域形成高阻绝缘区。该第
一绝缘区的厚度约500nm。

[0043] 在氧化镓外延层的表面还形成有第二绝缘区，该第二绝缘区也可以通过离子注入氮后再经过热处理形成，第二绝缘区的材料为氮杂质补偿硅杂质后的绝缘氧化镓，其形成
于第二区域，该第二区域可以为多个，通过光刻胶阻挡其他区域并在第二区域开口，通过氮
离子注入，后经热处理激活后，氮杂质补偿材料外延层中的施主杂质，从而使得在表面的第
二区域也形成高阻绝缘区，该第二绝缘区的厚度约150nm。

[0044] 从外延生长方向观察，第一区域与第二区域仅部分(例如边缘部分)重合，从而避免正向导通时电流从肖特基电极垂直流至欧姆电极。

[0045] 肖特基金属层形成在氧化镓外延层之上，作为肖特基二极管的金属端，该金属层可以包括两层结构，例如从上至下的铂和金的双层结构，或者镍和金的双层结构。另外，还
在氧化镓衬底的底部淀积欧姆接触金属，例如钛层与金层。

[0046] 本发明实施例还提供了一种氧化镓基肖特基二极管的制备方法，其中包括：

[0047] 氧化镓衬底上制备外延氧化镓；

[0048] 对外延氧化镓的第一区域进行第一次氮离子注入，后进行第一次热处理，以在外延氧化镓的第一深度形成第一绝缘区；

[0049] 对外延氧化镓的第二区域进行第二次氮离子注入，后进行第二次热处理，以在外延氧化镓的表面形成多个第二绝缘区；

[0050] 制备跨设于相邻的两个第二绝缘区之上的肖特基金属层；

[0051] 制备位于氧化镓衬底下表面的欧姆金属层。

[0052] 上述工艺中，在氧化镓衬底上制备外延氧化镓可以通过现有的各种沉积工艺制16
备，包括但不限于卤化物气相外延。外延氧化镓的厚度可以为5‑9微米，掺杂浓度为2×10 ‑
16 ‑3
5×10 cm 。

[0053] 对于上述第一区域的形成，可以通过在外延氧化镓上涂覆光刻胶后经显影形成(透过部分形成第一区域)，然后可以实施第一次氮离子注入步骤，例如采用600‑900keV的
13 13 ‑2
能量，注入总剂量为5×10 ‑9×10 cm ，注入的氮离子在距氧化镓表面一定深度处(第一
深度为距表面1‑2微米处)，然后进行热处理，以修复注入损伤以及激活注入氮杂质，在外延
层第一深度形成部分高阻绝缘区域，例如在1100摄氏度的氮气气氛中热处理30分钟。

[0054] 对于上述第二区域的形成，可以通过在外延氧化镓上涂覆光刻胶后经显影形成(透过部分形成第二区域)，然后可以实施第二次氮离子注入步骤，例如采用30‑50keV的能
12 12 ‑2
量，注入总剂量为8×10 ‑9×10 cm ，离子注入后，然后进行热处理，以修复注入损伤以及
激活注入氮杂质，在外延层表面形成部分高阻绝缘区域，例如在1100摄氏度的氮气气氛中
热处理30分钟。

[0055] 为更好的理解本发明，以下特例举具体实施例并结合附图进行具体阐述，但应理解的是，以下实施例的具体细节仅用于描述本发明的技术方案，不应理解为对本发明的限
定。

[0056] 以下具体实施例中提供一种氧化镓基肖特基二极管的制备方法，将结合图1‑7进行说明。该制备方法包括以下步骤：

[0057] (1)对带有外延层的氧化镓材料进行清洗，包括在丙酮溶液中超声清洗后依次用无水乙醇和去离子水清洗并用氮气吹干，以去除材料表面吸附的杂质，最终获得表面清洁
的氧化镓材料。图1为带有外延层的氧化镓材料示意图，其中氧化镓衬底的厚度为400‑600
微米，外延层的厚度为5‑9微米。

[0058] (2)将氧化镓材料的外延层作为正面，利用高能氮离子注入的方法，分两步对氧化13 ‑2
镓外延层进行注入，第一步氮离子注入采用600keV的能量，注入总剂量为5×10 cm ，然后
在1100摄氏度的氮气气氛中热处理30分钟，以修复注入损伤以及激活注入氮杂质，在外延
层中部形成部分高阻绝缘区域。

[0059] 注入过程的示意图图2所示，其中，A区为阻挡氮离子注入的光刻胶，B区为氮离子注入的峰值浓度位置，经热处理激活后，氮杂质补偿材料外延层中的施主杂质，从而使得B
区变为高阻绝缘区域。

[0060] (3)第二步氮离子注入采用30keV的能量，注入总剂量为8×1012cm‑2，然后在1100摄氏度的氮气气氛中热处理30分钟，以修复注入损伤以及激活注入氮杂质，在外延层表面
形成部分高阻绝缘区域。

[0061] 注入过程的示意图如图3所示，其中，C区为阻挡氮离子注入的光刻胶，D区为氮离子注入的峰值浓度位置，经热处理激活后，氮杂质补偿材料外延层中的施主杂质，从而使得
D区变为高阻绝缘区域。

[0062] (4)此步为淀积欧姆接触金属Ti与Au，淀积完成后在470摄氏度的氮气气氛中热退火处理1分钟，从而降低金属与氧化镓接触的电阻值。淀积完成后的器件示意图如图4所示。

[0063] (5)此步为淀积肖特基金属Pt与Au或Ni与Au，淀积完成后在350摄氏度的氮气气氛中热处理10分钟，从而提升肖特基金属与氧化镓接触的稳定性。淀积完成后的器件示意图
如图5所示。

[0064] 器件制备完成后的正反向特性示意图如图6所示，图6为本发明实施例的氧化镓基肖特基二极管正向导通示意图，从图中可以看出，每个器件的正向导电沟道均被保留，正向
电流密度不受影响。

[0065] 图7为器件在反向截止状态时的耗尽区扩展方向示意图，从图7中可以看出，器件的耗尽区逐渐扩展至高阻绝缘区域，该部分为器件中的穿通型结构设计，因为该区域的施
主杂质已被氮杂质补偿，因此掺杂浓度极低，易被完全耗尽，从而提升该部分的平均电场强
度，进而提升肖特基二极管的击穿电压。

[0066] 图7中方框标注的区域为电场集中的区域，通过氮离子注入形成的高阻绝缘层，在肖特基电极的边缘位置形成终端保护，降低该区域的电场强度，从而进一步提升器件的击
穿电压。

[0067] 需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，所述对各元件的定义并不仅限
于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更
改或替换：

[0068] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施
例、图、或对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护
的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的
权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵
循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都
作为本公开的单独实施例。

[0069] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求
中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修
饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些
实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0070] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡
在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保
护范围之内。