一种基于异质外延衬底的完全垂直型Ga功率二极管的器件结构及其制备方法
一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构及其制备方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术：
2.相较于以硅为代表的第一代半导体和以砷化镓为代表的第二代半导体，以
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体，因其禁带宽度大、高临界击穿场强、高热导率、电子饱和漂移速率高等优良特性，在高频通信、电力电子等领域具有广阔的应用前景。
3.氮化镓功率电子器件从结构上主要可分为横向结构和垂直结构。横向型器件主要在硅、碳化硅和蓝宝石等衬底上进行异质外延制备。器件的击穿电压与电极之间的间距成比例，这导致了器件在高压工作场景下需要更大的器件尺寸，但较大的器件尺寸会导致器件内部寄生电感、电容等寄生元件增加，进而影响器件的电学性能。然而，利用同质外延生长实现的垂直型器件可以在不增加器件尺寸的前提下，通过调整外延层的厚度和掺杂浓度来提高器件的耐压能力。同时，垂直型器件对表面陷阱态的敏感性较低，这能有效缓解器件的电流崩塌效应从而提高器件可靠性。因此，目前业界普遍认为垂直型器件结构是下一代功率电子元件的优选结构。
4.功率二极管作为功率电子系统中必不可少的基本元件，在现代功率电子系统中发挥着重要作用。氮化镓垂直型功率二极管按阴极蒸镀位置，可分为准垂直型和完全垂直型功率二极管。准垂直型器件一般基于绝缘衬底(如非掺杂硅衬底，蓝宝石衬底等)制备，由于衬底或缓冲层的导电性较差，只能通过刻蚀暴露出n型导电层，进而形成同面电极结构。这种结构存在刻蚀台阶，在正向导通模式下存在电流拥挤效应而使器件的电流扩展效应较差，从而导致器件的导通电阻和功率损耗较大。完全垂直型氮化镓功率二极管通常基于gan导电衬底制备而成，具有良好的电流扩展特性，可用于大电流、大功率应用场景。但目前gan衬底的尺寸小、价格高等问题一直制约着完全垂直型gan功率器件的发展。综上，我们提出一种基于异质外延衬底，结合异质外延、衬底剥离和金属键合工艺的方法实现大尺寸、低成本的完全垂直型功率电子器件的制备方法。
5.此外，完全垂直型gan功率二极管目前主要在阳极侧实现器件隔离，但这样的隔离方案会在阳极隔离凹槽处产生局部电场聚集而导致器件提前击穿。因此，我们提出一种基于异质外延衬底所制备的完全垂直型gan功率器件，所述异质外延衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、砷化镓衬底等。此设计方案通过在低电场的阴极附近实现器件隔离，可以有效避免在阳极附近实现器件隔离处理时产生电场聚集而导致器件提前击穿的问题。
技术实现要素：
6.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构及其制备方法，能有效避免传统垂直型gan功率二极管在阳极附近凹槽处存在局部电场聚集而导致器件提前击穿的问题。
7.术语解释：
8.1、mocvd法：mocvd炉内气相外延生长(vpe)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术；
9.2、金属键合：利用一些金属作为中介材料将生长在蓝宝石衬底上的gan与低阻si键合到一起。
10.本发明采用以下技术方案：
11.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，所述完全垂直型gan功率二极管基于异质外延衬底，在完全垂直型gan功率二极管的低电场的阴极侧刻蚀有隔离凹槽，该凹槽为采用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉阴极电极及重掺杂n型氮化物层，暴露出轻掺杂n型氮化物漂移层而得到。
12.优选的，完全垂直型gan功率二极管为pin二极管或肖特基二极管。
13.优选的，所述pin二极管由下至上依次包括阴极电极、重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)、轻掺杂n型氮化物漂移层(轻掺杂n-gan漂移层)、重掺杂p型氮化物层(重掺杂p-gan层)、阳极电极和低阻si支撑层。
14.优选的，所述肖特基二极管由下至上依次包括阴极电极、重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)、轻掺杂n型氮化物漂移层(重掺杂n-gan层)、阳极肖特基接触电极和低阻si支撑层。
15.优选的，异质外延衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、砷化镓衬底等；所述凹槽优选为u型凹槽，其u型凹槽大小可根据实际情况在工艺版图中进行设计。
16.一种上述的基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构的制备方法，完全垂直型gan功率二极管为pin二极管时，包括如下步骤：
17.(1)在蓝宝石衬底上用mocvd法依次生长重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)、轻掺杂n型氮化物漂移层(轻掺杂n-gan漂移层)和重掺杂p型氮化物层(重掺杂p-gan层)，然后将蓝宝石衬底预减薄至100μm并抛光；
18.(2)在重掺杂p型氮化物层(重掺杂p-gan层)进行电子束蒸发形成欧姆接触(即ni/au合金层)后，利用金属键合技术将pin二极管键合到低阻si支撑层上；
19.(3)利用krf脉冲准分子激光器作激光源，用激光剥离技术把蓝宝石衬底从键合结构上剥离下来后，采用icp干法刻蚀工艺刻蚀一薄层的重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)，随后在重掺杂n型氮化物层上蒸镀金属形成欧姆接触，形成阴极电极；
20.(4)采用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉部分阴极电极及重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)，暴露出轻掺杂n型氮化物漂移层(轻掺杂n-gan漂移层)，以防止金属互联，达到器件隔离的效果。
21.轻掺杂n-gan漂移层掺杂浓度低，导电性差，在多个器件之间刻蚀掉导电的阴极金属及重掺杂n-gan层，暴露出导电差的轻掺杂n-gan漂移层就可以把器件相互隔离开，实现
电学隔离。
22.一种上述的基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构的制备方法，完全垂直型gan功率二极管为肖特基二极管时，包括如下步骤：
23.(1)在蓝宝石衬底上用mocvd法依次生长重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)和轻掺杂n型氮化物漂移层(轻掺杂n-gan漂移层)，然后将蓝宝石衬底预减薄至100μm并抛光；
24.(2)在轻掺杂n型氮化物漂移层(轻掺杂n-gan漂移层)进行电子束蒸发形成肖特基接触后，利用金属键合技术将肖特基二极管键合到低阻si支撑层上；
25.(3)利用krf脉冲准分子激光器作激光源，用激光剥离技术把蓝宝石衬底从键合结构上剥离下来后，采用icp干法刻蚀工艺刻蚀一薄层的重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)，随后在重掺杂n型氮化物衬底上蒸镀金属形成欧姆接触，形成阴极电极；
26.(4)采用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉部分阴极电极及重掺杂n型氮化物层(重掺杂n-gan层)，暴露出轻掺杂n型氮化物漂移层(轻掺杂n-gan漂移层)，以防止金属互联，达到器件隔离的效果。
27.优选的，步骤(1)中，将蓝宝石衬底预减薄至100μm的具体步骤包括：
28.①
采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底使其产生心，可增大后续步骤中对紫外激光的吸收，提高激光减薄和抛光效率；
29.②
用紫外激光对蓝宝石衬底表面进行扫描，破坏蓝宝石的晶体结构，使晶体材料从蓝宝石本体脱离达到减薄的效果，且晶体表面粗糙度较小，省去了传统化学机械抛光衬底的步骤。
30.优选的，步骤(2)中利用金属键合技术将pin二极管键合到低阻si支撑层上，具体步骤包括：
31.a、实验采用si/ti/au+al2o3/gan/ni/au的结构完成si-gan的键合，优选的，ti厚度为10nm，au厚度为100nm，ni厚度为10nm，au厚度为100nm；
32.b、键合条件：在键合工艺中添加共晶缓冲过程，键合温度为380℃，键合压力为0.3mpa，键和氛围为真空和氮气的环境。
33.优选的，步骤(3)中，剥离过程为：
34.a、调整krf脉冲准分子激光器工作电压，得到能量为380mj/cm2的光束进行激光剥离实验；
35.b、激光辐照后将样品加热到金属ga的熔点30℃实现蓝宝石衬底与gan的分离。
36.进一步优选的，步骤(3)中，krf脉冲准分子激光器的波长优选为248nm，脉冲宽度30ns；
37.步骤(3)中，被刻蚀掉的重掺杂n型氮化物层的薄层厚度优选为100nm。
38.这种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的制备方法可以实现大尺寸、低成本的完全垂直型gan功率二极管的制备，这样能更好的在高频、高压和大功率的功率电子与集成系统中的应用。近年来，随着能源消耗的增加和全球环境保护的呼声日益高涨，太阳能、风能、潮汐能等可再生绿新能源引起了广泛关注。这些新能源技术的发展对功率二极管的性能提出了更严苛的要求，例如更少的制备成本，更大的击穿电压等。
39.本发明提出了基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构及其制备方法，适用于pin和肖特基功率二极管等双端器件。
40.对于完全垂直型gan pin功率二极管，其制备方法是在蓝宝石衬底上用mocvd法异质外延生长gan pin结构，利用电子束蒸发工艺蒸镀合金形成阳极欧姆接触并结合金属键合工艺键合形成低阻si-gan键合结构，随后利用激光剥离技术去除提前减薄并抛光的蓝宝石衬底，并在阴极一侧的重掺杂n-gan上利用电子束蒸发工艺蒸镀合金形成阴极欧姆接触。通过上述工艺和技术可获得完全垂直型pin功率二极管。刻蚀部分阴极金属及导电性强n-gan层暴露出导电性差的轻掺杂n-gan层以达到器件隔离的效果，刻蚀位置应选在pin二极管低电场的阴极侧(在pin功率二极管中在阳极侧为高电场区，阴极侧为低电场区)，有效避免器件局部电场聚集效应而导致器件发生提前击穿。
41.对于完全垂直型gan肖特基二极管，其制备方法在蓝宝石衬底上用mocvd法异质外延生长重掺杂n-gan层和轻掺杂n-gan层，利用电子束蒸发工艺蒸镀合金形成阳极肖特基接触并结合金属键合工艺键合形成低阻si-gan键合结构，随后利用激光剥离技术去除提前减薄并抛光的蓝宝石衬底，并在阴极一侧的重掺杂n-gan上利用电子束蒸发工艺蒸镀合金形成阴极欧姆接触。通过上述工艺和技术可获得完全垂直型肖特基功率二极管。刻蚀部分阴极金属及导电性强n-gan层暴露出导电性差的轻掺杂n-gan层以达到器件隔离的效果，刻蚀位置应选在肖特基功率二极管低电场的阴极侧(在肖特基功率二极管中在阳极侧为高电场区，阴极侧为低电场区)，有效避免器件局部电场聚集效应而导致器件发生提前击穿。
42.本发明所提到的重掺杂p-gan层的掺杂浓度为5
×
10
18
，轻掺杂n-gan漂移层的掺杂浓度为1
×
10
16
，重掺杂n-gan层的掺杂浓度为5
×
10
18
，一般的，gan的轻掺杂为10
15
～10
16
，重掺杂为10
18
～10
19
(单位：cm-3
)。
43.值得注意的是，本发明的完全垂直型gan功率二极管结构不仅可以为pin二极管或肖特基二极管等双端器件，还可以为结型场效应晶体管(jfet)、电流孔径垂直电子晶体管(cavet)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)结构等三端器件。
44.本发明中未详尽之处均可参照现有技术。
45.本发明的有益效果为：
46.1)因为基于传统n-gan导电衬底所制备的完全垂直型功率二极管存在衬底尺寸小，价格高等问题，本发明基于异质外延衬底，利用衬底剥离技术及金属键合工艺为实现大尺寸，低成本的完全垂直型功率二极管提供可能性；
47.2)目前的完全垂直型gan功率二极管主要在阳极附近实现器件隔离处理，阳极侧电场强度大，形成器件隔离会在器件阳极附近凹槽处出现电场聚集导致器件提前击穿，而本发明在阴极(高掺杂n-gan)一侧，电场强度相对较小，通过刻蚀凹槽实现器件隔离并没有上述电场聚集的问题。本发明采用icp干法刻蚀在高掺杂n-gan一侧形成器件隔离，有效缓解原有在阳极进行icp干法刻蚀形成的凹槽处出现电场聚集导致器件提前击穿的问题，且本发明所涉及的相关工艺较为成熟，工艺条件和沉积温度等也较容易掌握，即本发明以简单低成本的制备工艺，达到了较好的技术效果。
附图说明
48.图1为基于异质外延衬底的完全垂直型gan pin功率二极管的器件结构的制备方法流程图，其中：
49.(a)为蓝宝石生长gan pin功率二极管的外延结构；
50.(b)利用金属键合工艺将pin二极管键合到低阻si支撑层上；
51.(c)激光剥离去除蓝宝石衬底，并利用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉高掺杂n-gan层100nm，去除ga金属及高温区域；
52.(d)利用电子束蒸发蒸镀合金形成阴极金属；
53.(e)icp刻蚀掉部分阴极金属及高掺杂n-gan层，暴露出低掺杂n-gan漂移层；
54.图2为基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率肖特基二极管的器件结构的制备方法流程图，其中：
55.(a)为蓝宝石衬底生长gan肖特基功率二极管的外延结构；
56.(b)利用金属键合工艺将肖特基二极管键合到低阻si支撑层上；
57.(c))激光剥离去除蓝宝石衬底，并用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉高掺杂n-gan层100nm，去除ga金属及高温区域；
58.(d)利用电子束蒸发蒸镀合金形成阴极金属；
59.(e)icp刻蚀掉部分阴极金属及高掺杂n-gan层，暴露出低掺杂n-gan漂移层；
60.图3为基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率pin二极管的器件结构示意图；
61.图4为基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率肖特基二极管的器件结构示意图；
62.图5为pin二极管分别在阳极刻蚀和在阴极刻蚀器件反向击穿电压的对比图；
63.图6为在反向偏压为800v时，pin二极管分别在阳极刻蚀和在阴极刻蚀实现器件隔离的器件的二维电场分布图，其中(a)为本发明的在阴极刻蚀实现器件隔离的器件，(b)为常规在阳极刻蚀实现器件隔离的器件及电场强度标识；
64.其中，1-凹槽，2-阴极电极，3-重掺杂n-gan层，4-轻掺杂n-gan漂移层，5-重掺杂p-gan层，6-低阻si支撑层，7-蓝宝石衬底，8-ni/au合金，9-ti/au合金。
具体实施方式
65.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
66.实施例1
67.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，如图1-4所示，完全垂直型gan功率二极管为pin二极管或肖特基二极管，在pin二极管或肖特基二极管的低电场的阴极侧刻蚀有凹槽1，该凹槽1为采用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉阴极电极及重掺杂n型氮化物层，暴露出轻掺杂n型氮化物漂移层而得到。
68.凹槽1为u型凹槽。
69.实施例2
70.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，其结构如实施例1所示，所不同的是，如图3所示，pin二极管由下至上依次包括阴极电极2、重掺杂n-gan层3、轻掺杂n-gan漂移层4、重掺杂p-gan层5、阳极电极和低阻si支撑层6。
71.完全垂直型gan pin二极管的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
72.(1)在蓝宝石衬底7上用mocvd法依次生长重掺杂n-gan层3、轻掺杂n-gan漂移层4和重掺杂p-gan层5，然后将蓝宝石衬底7预减薄至100μm并抛光；
73.(2)在重掺杂p-gan层5进行电子束蒸发形成欧姆接触(即ni/au合金8)后，利用金
属键合技术将pin二极管键合到低阻si支撑层6上，此处阳极金属为ni/au合金8，ti/au合金9是用于金属键合的si背部的金属，键合之后两层合金共同作为阳极电极；
74.(3)利用krf脉冲准分子激光器作激光源(波长为248nm，脉冲宽度30ns)，用激光剥离技术把蓝宝石衬底7从键合结构上剥离下来后，采用icp干法刻蚀工艺刻蚀一薄层(100nm)的重掺杂n-gan层3，随后在重掺杂n-gan层3上蒸镀金属形成欧姆接触，形成阴极电极2；
75.(4)采用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉部分阴极电极2及重掺杂n-gan层3，形成凹槽1，暴露出轻掺杂n-gan漂移层4，以防止金属互联，达到器件隔离的效果。
76.轻掺杂n-gan漂移层4掺杂浓度低，导电性差，在多个器件之间刻蚀掉导电的阴极金属及重掺杂n-gan层，暴露出导电差的轻掺杂n-gan漂移层就可以把器件相互隔离开，实现电学隔离。
77.实施例3
78.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，其结构如实施例1所示，所不同的是，如图4所示，肖特基二极管由下至上依次包括阴极电极2、重掺杂n-gan层3、轻掺杂n-gan漂移层4、阳极肖特基接触电极和低阻si支撑层6。
79.完全垂直型gan肖特基二极管的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
80.(1)在蓝宝石衬底7上用mocvd法依次生长重掺杂n-gan衬底3、轻掺杂n-gan漂移层4，然后将蓝宝石衬底7预减薄至100μm并抛光；
81.(2)在轻掺杂n-gan漂移层4进行电子束蒸发形成肖特基接触(即ni/au合金8)后，利用金属键合技术将肖特基二极管键合到低阻si支撑层6上，此处阳极金属为ni/au合金8，ti/au合金9是用于金属键合的si背部的金属，键合之后两层合金共同作为阳极电极；
82.(3)利用krf脉冲准分子激光器作激光源(波长为248nm，脉冲宽度30ns)，用激光剥离技术把蓝宝石衬底7从键合结构上剥离下来后，采用icp干刻蚀工艺刻蚀一薄层(100nm)的重掺杂n-gan层3，随后在重掺杂n-gan层3上蒸镀金属形成欧姆接触，形成阴极电极2；
83.(4)采用icp干法刻蚀工艺刻蚀掉部分阴极电极2及重掺杂n-gan层3，形成凹槽1，暴露出轻掺杂n-gan漂移层4，以防止金属互联，达到器件隔离的效果。
84.轻掺杂n-gan漂移层4掺杂浓度低，导电性差，在多个器件之间刻蚀掉导电的阴极金属及重掺杂n-gan层，暴露出导电差的轻掺杂n-gan漂移层就可以把器件相互隔离开，实现电学隔离。
85.实施例4
86.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，其结构如实施例2所示，所不同的是，步骤(1)中，将蓝宝石衬底7预减薄至100μm的具体步骤包括：
87.①
采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底使其产生心，可增大后续步骤中对紫外激光的吸收，提高激光减薄和抛光效率；
88.②
用紫外激光对蓝宝石衬底表面进行扫描，破坏蓝宝石的晶体结构，使晶体材料从蓝宝石本体脱离达到减薄的效果，且晶体表面粗糙度较小，省去了传统化学机械抛光衬底的步骤。
89.实施例5
90.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，其结构如实施
例2所示，所不同的是，步骤(2)中利用金属键合技术将pin二极管键合到低阻si支撑层上，具体步骤包括：
91.a、实验采用si/ti(10nm)/au(100nm)+al2o3/gan/ni(10nm)/au(100nm)的结构完成si-gan的键合；
92.b、键合条件：在键合工艺中添加共晶缓冲过程，键合温度为380℃，键合压力为0.3mpa，键和氛围为氮气的环境。
93.实施例6
94.一种基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构，其结构如实施例2所示，所不同的是，步骤(3)中，剥离过程为：
95.a、调整krf脉冲准分子激光器工作电压，得到能量为380mj/cm2的光束进行激光剥离实验；
96.b、激光辐照后将样品加热到金属ga的熔点30℃实现蓝宝石衬底与gan的分离。
97.如图5所示为pin二极管分别在阳极刻蚀和在阴极刻蚀实现器件隔离的器件反向击穿电压的对比图，其中，在阳极(重掺杂p-gan层)刻蚀的击穿电压约为886v，在阴极(重掺杂n-gan侧)刻蚀的击穿电压约为2207v；
98.如图6所示为在反向偏压为800v时，pin二极管分别在阳极刻蚀和在阴极刻蚀实现器件隔离的器件的二维电场分布图，可见，传统垂直型gan功率二极管在阳极刻蚀实现器件隔离的器件图6(b)中，在阳极附近凹槽处会出现电场聚集问题。
99.结合图5、6，可以得到传统垂直型gan功率二极管只能在阳极侧刻蚀凹槽实现器件隔离会导致提前击穿，而本发明利用衬底剥离技术及金属键合工艺设计工艺流程并制备的基于异质外延衬底的pin二极管或肖特基二极管，可以在低电场的阴极侧刻蚀凹槽实现器件隔离，解决了因局部电场聚集效应导致器件提前击穿的问题。
100.实施例7
101.一种实施例7所述的基于异质外延衬底的完全垂直型gan功率二极管的器件结构在高频、高压和大功率的功率电子与集成系统中的应用。
102.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
