一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法。

背景技术

功率二极管多应用于功率控制、功率变换、储能等应用领域，其所不断追求的技术指标之一为更高的击穿电压。提高功率二极管的击穿电压，可以使功率二极管输出更高的功率，极大拓展功率二极管的应用范围。

氧化镓其关键特性参数相比于商用的硅、碳化硅和氮化镓功率半导体具有明显的优势，因此充分发挥氧化镓的理论参数优势，可以让氧化镓尽早进入应用市场。肖特基二极管是功率二极管的一种，具有开关速度快、工作频率高的优点；研制氧化镓肖特基二极管具备很大的市场应用前景。

当前氧化镓肖特基二极管的击穿电压仍有待提高，距离其理论性能还有较大差距；提高击穿电压的主要手段为引入各种终端结构，从而缓解电场集聚问题，降低峰值电场强度，各种终端结构也都是围绕着这一目标展开。现有提高氧化镓肖特基二极管的击穿电压的方法主要为场板终端和离子注入终端。因为氧化镓肖特基二极管的肖特基电极边缘存在电场集聚问题，因此需要终端结构来调节电场分布，降低峰值电场强度，缓解电场集聚问题，从而提升氧化镓肖特基二级管的击穿电压。

但是现有的几种方案仍然存在无法解决的问题，如场板终端的倾斜角度、介质层厚度、场板长度都需要精确控制，并且场板介质与氧化镓半导体之间的界面态较高，场板介质的质量十分依赖于生长工艺条件，导致器件的理论设计与实际效果有较大差异；而离子注入终端的工艺成本相对较高，且对于注入剂量、注入能量、注入深度需要精确控制；再者氧化镓属于超宽禁带半导体材料，注入较大深度所需的注入能量过高，会对氧化镓晶体结构造成破坏。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提出了一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法。

具体的，一种氧化镓肖特基二极管，包括：

欧姆电极；

肖特基电极；

氧化镓衬底层，连接阴极；

氧化镓外延层，连接阳极；

其中，肖特基电极在外延层上表面，氧化镓外延层的中间部凸起，中间部周围凹陷，所述肖特基电极在氧化镓外延层中间部凸起的上表面。

可选的，氧化镓外延层包括位于氧化镓衬底层上表面的柱形结构，柱形结构的氧化镓外延层底面周围是暴露的氧化镓衬底层上表面。

可选的，氧化镓外延层包括中间凸起为柱形的第一部和凸起周围凹陷的第二部，所述第一部和所述第二部下表面连接氧化镓衬底层。

可选的，氧化镓外延层包括中间凸起为柱形的第一部以及第一部周围的第二部，第二部和第一部之间为凹槽。

可选的，氧化镓外延层的第一部的侧面和第二部的表面的衔接处为弧形。

可选的，氧化镓外延层侧壁和氧化镓衬底层上表面完全覆盖有介质层。

可选的，所述肖特基电极上表面部分覆盖有介质层。

可选的，所述介质层包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪、钛酸锶和钛酸钡中的一种或多种复合叠层。

可选的，所述介质层外表面完全覆盖有光刻胶层，露出至少部分肖特基电极上表面。

可选的，所述氧化镓外延层侧壁或者表面为高阻层。

可选的，所述氧化镓外延层侧壁为阶梯型结构。

可选的，所述氧化镓外延层和肖特基电极之间的至少部分面积上连接有P型半导体层。

可选的，所述氧化镓衬底的厚度范围为100～1000微米，掺杂浓度范围为1×10

所述外延氧化镓的厚度范围为1～25微米，掺杂浓度范围为1×10

本发明还提出一种制备方法，包括以下步骤：

在高掺杂浓度的氧化镓衬底层上外延生长氧化镓外延层；

在氧化镓外延层表面制备肖特基电极层；

在肖特基电极层上表面制备刻蚀掩蔽层或以肖特基电极层为掩蔽层；

刻蚀肖特基电极层下方周围的氧化镓外延层，直至氧化镓外延层形成中间部凸起，中间部周围凹陷的结构，肖特基电极层位于中间部凸起上表面；

制备欧姆电极。

可选的，在氧化镓外延层形成中间部凸起，中间部周围凹陷的结构的步骤之后，还包括钝化修复工艺，其包括：

(1)在氧化镓外延层、氧化镓衬底层，以及肖特基电极层的部分表面覆盖介质层；

(2)在介质层上或在氧化镓外延层、氧化镓衬底层，以及肖特基电极层的部分表面覆盖光刻胶；

(3)采用腐蚀方法修复表面；

以上任意一种或多种组合的修复方法。

本发明的有益效果：

本发明提出的氧化镓肖特基二极管，其在正向导通时，所有的电流只流经一个氧化镓圆台，即这个氧化镓圆台作为唯一的电流通路，不需要现有技术中的鳍型结构中的多个氧化镓高台并联，从而避免了单一高台对于整体器件性能的制约，极大提升了器件制备的成品率；

另一方面，本发明中的氧化镓圆台结构可以占据衬底的大部分区域，从而有效利用衬底的面积，提高衬底面积的利用率，该结构更有利于工业生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，弥补文字上的表述限制，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1公开的氧化镓肖特基二极管的原理图；

图2是实施例1公开的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图3是实施例2公开的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图4是实施例3公开的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图5是实施例4公开的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图6是实施例5公开的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图7是实施例6公开的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图8是实施例7公开的覆盖有介质层的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图9是实施例7公开的覆盖有介质层和光刻胶的氧化镓肖特基二极管结构示意图；

图10是不同氧化镓外延层不同刻蚀深度下的电场仿真图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。以下描述中，参考形成本申请一部分并以说明之方式示出本申请实施例的具体方面或可使用本申请实施例的具体方面的附图。应理解，本申请实施例可在其它方面中使用，并可包括附图中未描绘的结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，且本申请的范围由所附权利要求书界定。另外，还应理解的是，除非另外明确提出，本文中所描述的各示例性实施例和/或方面的特征可以相互组合。

实施例1：

一种氧化镓肖特基二极管，其特征在于，包括：

欧姆电极；

肖特基电极；

氧化镓衬底层，连接阴极；

氧化镓外延层，连接阳极；

其中，肖特基电极在外延层上表面，氧化镓外延层的中间部凸起，中间部周围凹陷，所述肖特基电极在氧化镓外延层中间部凸起的上表面。

如图1所示，当肖特基金属在反向工作状态时，金属下方的耗尽区呈现平面结，而在金属边缘往往会形成球面结或者柱面结，这些边缘区域会导致电场线分布集中，呈现边缘电场集聚效应，致使器件可靠性变差提前击穿。

本方案将肖特基电极边缘的半导体材料去除，使整个肖特基界面呈平面结，肖特基界面电场分布均匀，一方面避免器件在电场集聚处的提前击穿，从而提升了器件击穿电压，另一方面肖特基界面的电场降低使得器件的反向工作漏电流降低，关态功率损耗降低。

作为其中一种实施方式，当氧化镓外延层边缘部凹陷部分达到极致，则氧化镓外延层为位于氧化镓衬底层上表面的柱形结构，柱形结构的氧化镓外延层底面周围是暴露的氧化镓衬底层上表面。即将氧化镓外延层边缘部全部切除。参考图2所示。

去除掉电极边缘半导体材料后，器件正向工作时导电通道变窄，器件的导通电阻增加，刻蚀深度越深，电阻越大。根据此原理提出了多种提升综合性能的器件。在工艺上，可以通过刻蚀技术控制氧化镓外延层边缘的厚度，即刻蚀深度，如图10提供了不同深度的电场仿真图，可见随刻蚀深度的增加，器件的峰值电场、肖特基电极下方电场降低明显，电场的降低意味着器件耐压能力的增强、漏电流的降低。但在刻蚀侧壁由于电场的拥挤，也会产生相比于器件内部更高的电场，这里本方案也提出了相应的应对手段，如下文实施例5公开的技术。

实施例2：

如图3所示，作为其中一种实施方式，氧化镓外延层包括中间凸起为柱形的第一部和凸起周围凹陷的第二部，所述第一部和所述第二部下表面连接氧化镓衬底层。本实施例公开的氧化镓肖特基二极管其他结构请参照实施例1。

实施例3：

如图4所示，作为其中一种实施方式，氧化镓外延层包括中间凸起为柱形的第一部以及第一部周围的第二部，第二部和第一部之间为凹槽。本实施例中，凹槽为刻蚀至氧化镓衬底表面的刻蚀槽，其中肖特基电极覆盖面积小于凹槽所围成的范围，肖特基电极与刻蚀槽距离在0～100微米之间。距离越近，越接近实施例1公开的方案的效果，导电通道越小，器件击穿电压提升越明显，电阻增大越多；距离越远，越接近现有结构的二极管，导电通道越大，器件击穿电压提升效果减弱，电阻变化越小。

当刻蚀槽至氧化镓衬底表面，则可以形成另一种结构，在需要的情况下可以将氧化镓外延层的第二部去除。

本实施例公开的氧化镓肖特基二极管其他结构请参照实施例1。

实施例4:

作为一种可选的方案，提出一种氧化镓肖特基二极管，氧化镓外延层包括中间凸起为柱形的第一部和凸起周围凹陷的第二部，所述第一部和所述第二部下表面连接氧化镓衬底层，其中氧化镓外延层的第一部的侧面和第二部的表面的衔接处为弧形。弧形对器件击穿提升效果更好。

实施例5：

进一步提出一种氧化镓外延层侧壁或者表面为高阻层的肖特基二极管。由图9的电场仿真图可以看出，本专利提出的结构在刻蚀沟槽侧壁上仍然存在相比于阳极正下方的较高电场，为了解决此问题，进一步提出以下几种具体结构。

其一，氧化镓外延层侧壁或者表面为高阻层。使用离子注入或热氧化工艺，降低电极边缘载流子浓度，使电极边缘(含部分电极覆盖区域)形成高阻区，而后通过刻蚀工艺制作氧化镓外延层边缘部分凹陷的结构，达到降低侧壁电场的效果，如图6的(a)。

其二，所述氧化镓外延层侧壁为阶梯结构。通过刻蚀工艺，多次刻蚀，使氧化镓外延层的侧壁形成阶梯型，将侧壁的高电场分散到各个阶梯上，达到降低侧壁电场的效果，如图6的(b)。

其三，基于第二种氧化镓外延层的侧壁为阶梯型的肖特基二极管，该阶梯型的氧化镓外延层的阶梯结构处有高阻层。具体先利用离子注入或热氧化，使电极边缘的氧化镓外延层，包含部分电极覆盖区域的外延层形成高阻区，而后多次刻蚀形成阶梯型，分散侧壁电场，如图6的(c)。

实施例6：

进一步，提出了一种与P型半导体结合，形成PN结或结终端拓展结构的二极管，所述氧化镓外延层和肖特基电极之间的至少部分面积上连接有P型半导体层。参考图7左图，氧化镓外延层中间凸起的边缘有P型半导体层，参考图7右图，氧化镓外延层中间凸起的边缘、凸起的侧壁以及凹陷部位的表面均有P型半导体层。这两种结构采用PN结的耗尽作用，形成结终端拓展结构，分别对电极边缘和侧壁进行耗尽，降低侧壁电场。

实施例7:

作为一种可选的方案，进一步提出一种具有钝化保护功能的氧化镓肖特基二极管，该器件的氧化镓外延层侧壁和氧化镓衬底层上表面完全覆盖有介质层，所述肖特基电极上表面部分覆盖有介质层。介质层选用高介电常数的材质，例如氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪、钛酸锶和钛酸钡中的一种或多种复合叠层。如图8所示。

进一步的，提出另一种具有钝化保护功能的氧化镓肖特基二极管，介质层外表面完全覆盖有光刻胶层SU-8，露出至少部分肖特基电极上表面。如图9所示。

进一步的，公开一种仅使用光刻胶层SU-8做钝化层的氧化镓肖特基二极管，该器件的氧化镓外延层侧壁和氧化镓衬底层上表面完全覆盖有光刻胶层SU-8，所述肖特基电极上表面部分覆盖有光刻胶层SU-8。

其他可以想到的钝化修复方案，通过修复工艺，例如使用磷酸或食人鱼溶液等修复刻蚀面。其中该修复工艺可以和上述三种结构组合使用。

需要说明的是，刻蚀损伤的修复采用酸腐蚀的方法，使其表面发生重塑。若使用电极作刻蚀的硬掩模，酸洗修复时应考虑酸是否会腐蚀阳极电极，如阳极采用镍，可使用不腐蚀镍、腐蚀氧化镓的磷酸进行修复；如阳极采用铂金属，可以采用盐酸或氢氟酸进行修复。修复过后再使用钝化层进行器件钝化保护。

在以上实施例中，所述氧化镓衬底的厚度范围为100～1000微米，掺杂浓度范围为1×10

所述外延氧化镓的厚度范围为1～25微米，掺杂浓度范围为1×10

实施例8:

提出一种制备方法，包括以下步骤：

步骤1)首先在高掺杂浓度的氧化镓衬底上外延生长氧化镓外延层，外延的方式可以选择为卤化物气相外延或者金属有机化学气相沉积等常见方法。

步骤2)通过电子束蒸发或者磁控溅射的方式，在氧化镓外延层的上表面沉积肖特基电极层，所述肖特基电极层包括：铂电极，或者氧化铂电极，或者镍电极，或者氧化镍等。电极之上再覆盖金，共同组成肖特基电极层。

本实施例提出其中一种形状以呈现形象的结构特征，例如肖特基电极层呈圆柱形，厚度为50纳米到3微米之间。

步骤3)在整个氧化镓样品的正面涂覆一整层正性光刻胶，覆盖在氧化镓外延层和肖特基电极之上；

步骤4)从氧化镓衬底的下表面进行紫外曝光，利用氧化镓不吸收紫外光的特性以及肖特基电极对于紫外光的阻挡，对正性光刻胶进行自对准曝光，使得肖特基电极之上的正性光刻胶不被曝光，而其余位置的正性光刻胶被曝光，发生相应的化学反应

步骤5)对氧化镓样品进行显影，使得肖特基电极之上的正性光刻胶得到保留，其余位置的正性光刻胶被去除。

步骤6)对氧化镓样品的上表面进行等离子体刻蚀，利用正性光刻胶作为刻蚀掩蔽层，保护肖特基电极不被刻蚀，同时对没有覆盖肖特基电极的外延氧化镓进行刻蚀；

步骤7)对刻蚀后的氧化镓样品进行清洗，去除残余在肖特基电极上表面的光刻胶，同时去除氧化镓样品上存在的刻蚀副产物，此时的外延氧化镓已经被刻蚀了一定深度。

步骤8)重复上述涂覆正性光刻胶、紫外曝光、显影、等离子体刻蚀、清洗的步骤，直到将外延的氧化镓刻蚀成圆柱形，仅保留肖特基电极下方的外延氧化镓，得到如图2所示的结构。

需要说明的是，如果掩蔽层的性能在刻蚀环境下不变化，则反复涂覆正性光刻胶并紫外曝光的步骤就可以省略。

步骤9)利用电子束蒸发或者磁控溅射工艺，制备位于氧化镓衬底下表面的欧姆电极层，所述欧姆电极层包括：钛和金的双层结构、钛铝镍金复合结构等。

步骤10)利用原子层沉积工艺，在氧化镓衬底层的上表面以及氧化镓外延层圆柱的侧壁沉积介质层，介质层完全包裹整个氧化镓的上表面以及外延氧化镓圆柱的侧壁，所述的介质包括：氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪、钛酸锶、钛酸钡或其复合叠层。

步骤11)采用光刻和刻蚀工艺，去除掉肖特基电极上表面的部分介质，暴露出肖特基电极的中心区域。

步骤12)在氧化镓样品的上表面涂覆一整层SU-8光刻胶，对介质的上表面、肖特基电极的上表面以及氧化镓外延层圆柱的侧壁形成完整包裹示。SU-8光刻胶也可以替换为聚酰亚胺等材料。

步骤13)利用光刻工艺，去除掉肖特基电极上表面的部分SU-8光刻胶，暴露出肖特基电极的中心区域。并且保证对介质层的边缘形成完整包裹。

需要特别说明的是，本实施例公开的是一种最完整的方案，其中部分步骤例如步骤10)-13)可省略，具体需要根据实施例1-7的不同结构形态来选择组合工艺步骤。以及本实施例提出的圆柱结构也是范例作用，并不仅限于该一种结构。

在上述所有实施例中，对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本申请在上述部分实施例中所讨论的工艺步骤，仅仅是一些优选实现方法，用于阐述本申请所述结构的可行性，不对发明的范围进行限制。通过其它工艺方法或顺序实现，亦在本发明保护范围之内。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。