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一种 氧化镓基混合PiN肖特基 二极管及其制备方法

阅读：58发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管及其制备方法，涉及半导体器件技术领域。针对现有技术中P型氧化镓的掺杂难度非常大，而且现在的技术无法做到足够高的掺杂浓度，根本无法适用于正常的器件使用的问题。提出一种利用氧化镓耐压层表面插入p型氧化物半导体层的方法实现混合PiN 肖特基结构的二极管。巧妙的规避了氧化镓材料的p型掺杂难题，二极管的反向击穿电压和泄漏电流都由异质 PN结决定，在保证良好正向开启特性的同时具有更好的耐压特性。，下面是一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管，其特征在于，包括：依次层叠设置的阴极电极(101)、n型掺杂氧化镓衬底(102)、氧化镓耐压层(103)、p型氧化物半导体层(104)及阳极层，所述的氧化镓耐压层(103)靠近p型氧化物半导体层(104)的一侧设有若干延伸贯穿p型氧化物半导体层(104)的台阶，所述的台阶贯穿p型氧化物半导体层(104)后与所述的阳极层接触；所述的阳极层与氧化镓耐压层(103)的台阶为肖特基接触；所述的阳极层与p型氧化物半导体层(104)为肖特基或欧姆接触；所述的阳极层包括第一阳极电极(105)和第二阳极电极(106)，所述的第一阳极电极(105)与所述的p型氧化物半导体层(104)为肖特基或欧姆接触；所述的第二阳极电极(106)与所述的台阶为肖特基接触；所述的第二阳极电极(106)包覆在第一阳极电极(105)外。
2.根据权利要求1所述氧化镓基混合PiN 肖特基二极管，其特征在于，所述的氧化镓耐压层(103)为n型掺杂的单晶结构。
3.根据权利要求2所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管，其特征在于，所述的氧化镓耐压层(103)掺杂浓度为5×1014cm-3至1×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管，其特征在于，所述的氧化镓耐压层(103)厚度为2μm～5mm。
5.根据权利要求1所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管，其特征在于，所述的p型氧化物半导体层(104)为非晶或多晶结构，空穴浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。
6.根据权利要求1所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管，其特征在于，所述的n型掺杂氧化镓衬底(102)掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1020cm-3。
7.一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管的制备方法，包括氧化镓基晶圆片的制备步骤、在所述氧化镓基晶圆片上制备电极的步骤，其特征在于，还包括在所述氧化镓基晶圆片上刻蚀出若干台阶的步骤，以及在台阶间填充p型氧化物半导体层(104)的步骤；使得阳极与氧化镓基晶圆片为肖特基接触、与p型氧化物半导体层(104)为肖特基或欧姆接触；所述的氧化镓基晶圆片由n型掺杂氧化镓衬底(102)、氧化镓耐压层(103)层叠组成。
8.根据权利要求7所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述氧化镓基晶圆片的制备步骤为在一n型掺杂氧化镓衬底(102)上外延生长n型掺杂的氧化镓耐压层(103)得到；台阶在氧化镓耐压层(103)远离n型掺杂氧化镓衬底(102)的一侧刻蚀得到。
9.根据权利要求8所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管的制备方法，其特征在于，在所述氧化镓基晶圆片上制备电极的步骤包括：在p型氧化物半导体层(104)上沉积金属形成欧姆接触或肖特基接触，制得第一阳极电极(105)；以及在所述第一阳极电极(105)和所述氧化镓耐压层(103)上沉积金属与氧化镓耐压层(103)形成肖特基接触，制得第二阳极电极(106)。

说明书全文

一种氧化镓基混合PiN肖特基 二极管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种氧化镓基混合PiN 肖特基二极管及其制备方法。

背景技术

[0002] 整流二极管广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路。氧化镓(Ga2O3)半导体具有高达4.8eV的超宽禁带和8MV/cm的超大击穿场强，而且可通过低成本的熔融生长法制得大尺寸单晶衬底，是制备大功率整流二极管的理想材料。然而，由于氧化镓材料的p型掺杂尚无可靠方法实现，现有的氧化镓基二极管多采用肖特基势垒结构(参见文献K.Konishi,et al.,1-kV vertical Ga2O3field-plated Schottky barrier diodes，Applied Physics Letters 110(10),103506,2017和中国专利CN 106876484A)。肖特基势垒二极管与PN结二极管相比，正向开启电压低，反向恢复时间短，但是其反向泄漏电流大、击穿电压低，而且肖特基势垒二极管的温度特性也相对较差。

[0003] 有的专利文件虽然涵盖了p型氧化镓材料的二极管，但都均为单阳极结构，无法实现混合PiN的双阳极结构。同时由于P型氧化镓的掺杂难度非常大，而且现在的技术无法做到足够高的掺杂浓度，根本无法适用于正常的器件使用。

发明内容

[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种电流密度足够高的氧化镓基混合PiN肖特基二极管及其制备方法。

[0005] 本发明所述的一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管，包括：依次层叠设置的阴极电极、n型掺杂氧化镓衬底、氧化镓耐压层、p型氧化物半导体层及阳极层，所述的氧化镓耐压层靠近p型氧化物半导体层的一侧设有若干延伸贯穿p型氧化物半导体层的台阶，所述的台阶贯穿p型氧化物半导体层后与所述的阳极层接触；所述的阳极层与氧化镓耐压层的台阶为肖特基接触；所述的阳极层与p型氧化物半导体层为肖特基或欧姆接触。

[0006] 优选地，所述的阳极层包括第一阳极电极和第二阳极电极，所述的第一阳极电极与所述的p型氧化物半导体层为肖特基或欧姆接触；所述的第二阳极电极与所述的台阶为肖特基接触；所述的第二阳极电极包覆在第一阳极电极外。

[0007] 优选地，所述的氧化镓耐压层为n型掺杂的单晶结构。

[0008] 优选地，所述的氧化镓耐压层掺杂浓度为5×1014cm-3至1×1018cm-3。

[0009] 优选地，所述的氧化镓耐压层厚度为2μm～5mm。

[0010] 优选地，所述的p型氧化物半导体层为非晶或多晶结构，空穴浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。

[0011] 优选地，所述的n型掺杂氧化镓衬底掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1020cm-3。

[0012] 一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管的制备方法，包括氧化镓基晶圆片的制备步骤、在所述氧化镓基晶圆片上制备电极的步骤，还包括在所述氧化镓基晶圆片上刻蚀出若干台阶的步骤，以及在台阶间填充p型氧化物半导体层的步骤；使得阳极与氧化镓基晶圆片为肖特基接触、与p型氧化物半导体层为肖特基或欧姆接触。

[0013] 优选地，所述氧化镓基晶圆片的制备步骤为在一n型掺杂氧化镓衬底上外延生长n型掺杂的氧化镓耐压层得到；台阶在氧化镓耐压层远离n型掺杂氧化镓衬底的一侧刻蚀得到。

[0014] 优选地，在所述氧化镓基晶圆片上制备电极的步骤包括：在p型氧化物半导体层上沉积金属形成欧姆接触或肖特基接触，制得第一阳极电极；以及在所述第一阳极电极和所述氧化镓耐压层上沉积金属与氧化镓耐压层形成肖特基接触，制得第二阳极电极。

[0015] 本发明所述的一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管及其制备方法，其优点在于，通过采用非晶或多晶的p型氧化物半导体与单晶氧化镓形成异质PN结，巧妙的规避了氧化镓材料的p型掺杂难题，二极管的反向击穿电压和泄漏电流都由异质PN结决定，在保证良好正向开启特性的同时具有更好的耐压特性。台阶的尺寸设计是跟掺杂浓度和器件的设计耐压等参数相关，大致来说主要跟氧化镓耐压层的浓度反相关，跟器件的设计耐压正相关，同时也与p型氧化物半导体层的浓度正相关。台阶的尺寸只要满足条件：在反向偏压时，异质PN结耗尽区彼此连通即可实现。附图说明

[0016] 图1是本发明所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管的结构示意图；

[0017] 图2是本发明所述氧化镓基混合PiN肖特基二极管的纵截面结构示意图；

[0018] 图3是图2中A-A处的剖视图。

[0019] 图4是本发明的氧化镓基混合PiN肖特基二极管与传统氧化镓基肖特基势垒二极管的正向电流曲线比较示意图；

[0020] 图5是本发明的氧化镓基混合PiN肖特基二极管与传统氧化镓基肖特基势垒二极管的反向电流曲线比较示意图。

[0021] 附图标记：101-阴极电极，102-n型掺杂氧化镓衬底，103-氧化镓耐压层，104-p型氧化物半导体层，105-第一阳极电极，106-第二阳极电极。

具体实施方式

[0022] 如图1-3所示，本发明所述的一种氧化镓基混合PiN肖特基二极管依次层叠设置的阴极电极101、n型掺杂氧化镓衬底102、氧化镓耐压层103、p型氧化物半导体层104及阳极层，所述的氧化镓耐压层103靠近p型氧化物半导体层104的一侧设有若干延伸贯穿p型氧化物半导体层104的台阶，所述的台阶贯穿p型氧化物半导体层104后与所述的阳极层接触；所述的阳极层与氧化镓耐压层103的台阶为肖特基接触；所述的阳极层与p型氧化物半导体层104为肖特基或欧姆接触。所述的n型掺杂氧化镓衬底102和阴极电极101为欧姆接触。所述的阳极层包括第一阳极电极105和第二阳极电极106，所述的第一阳极电极105与所述的p型氧化物半导体层104为肖特基或欧姆接触；所述的第二阳极电极106与所述的台阶为肖特基接触；所述的第二阳极电极106包覆在第一阳极电极105外。所述的氧化镓耐压层103为n型掺杂的单晶结构，掺杂浓度为5×1014cm-3至1×1018cm-3，厚度为2μm～5mm。所述的厚度包括台阶的高度在内。所述的p型氧化物半导体层104为非晶或多晶结构，空穴浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。所述的n型掺杂氧化镓衬底102掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1020cm-3。

[0023] 通过采用非晶或多晶的p型氧化物半导体与单晶氧化镓形成异质PN结，巧妙的规避了氧化镓材料的p型掺杂难题，通过异质PN结来屏蔽高电场，使整个器件具有了肖特基二极管的正向开启特性，又具有类似于PiN二极管的反向耐压特性。二极管的反向击穿电压和泄漏电流都由异质PN结决定，在保证良好正向开启特性的同时具有更好的耐压特性。台阶的尺寸设计是跟掺杂浓度和器件的设计耐压等参数相关，大致来说主要跟氧化镓耐压层103的浓度反相关，跟器件的设计耐压正相关，同时也与p型氧化物半导体层104的浓度正相关。台阶的尺寸只要满足条件：在反向偏压时，异质PN结耗尽区彼此连通即可实现。在本发明提供的技术构思下，本领域技术人员完全可以在无需创造性劳动下即可通过有限次数试验得到符合一定参数需求的台阶尺寸。因此具体的台阶尺寸对于本领域技术人员来说是清楚的技术手段。如：氧化镓耐压层103的浓度为8×1015cm-3、设计耐压为2kV、p型氧化物半导
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体层104的浓度为1.5×10 cm 的情况下，台阶的高可为500nm，台阶间距可为2μm。

[0024] p型氧化物半导体层104相当于混合PiN结构中的p，氧化镓耐压层103相当于PiN结构中的i层，n型掺杂氧化镓衬底102相当于混合PiN结构中的n。

[0025] 如图4、5所示，其为本发明的氧化镓基混合PiN肖特基二极管与传统氧化镓基肖特基势垒二极管的正、反向比较，横坐标为施加于二极管器件的偏置电压，纵坐标为器件的电流，可见，本发明的氧化镓基混合PiN肖特基二极管较传统氧化镓基肖特基势垒二极管具有更小的反向漏电流和更高的击穿电压，同时保持了低开启电压和高导通电流的优良正向开启特性。

[0026] 本发明同时还提供一种制备上述氧化镓基混合PiN肖特基二极管方法：

[0027] 在所述n型掺杂氧化镓衬底102上外延生长n型掺杂的氧化镓耐压层103，制得氧化镓基晶圆片；

[0028] 在所述氧化镓耐压层103远离n型掺杂氧化镓衬底102的一侧刻蚀沟槽，将所述氧化镓耐压层103的上部隔离成若干彼此分离的台阶；

[0029] 在所述沟槽中沉积非晶或多晶的p型氧化物半导体得到p型氧化物半导体层104，与所述氧化镓耐压层103形成异质PN结；所述p型氧化物半导体层104可为采用磁控溅射、溶液法、氧化金属法、物理或化学气相沉积等方法制备的NiO、Cu2O或其他等单层或多层的p型氧化物半导体材料；

[0030] 在所述p型氧化物半导体层104上表面沉积金属形成欧姆接触或肖特基接触，制得第一阳极电极105；所述第一阳极电极105可以采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积Ni/Au 合金或Pt/Au合金制的；

[0031] 在所述第一阳极电极105和氧化镓耐压层103上表面沉积金属，与所述氧化镓耐压层103表面形成肖特基接触，制得第二阳极电极106；所述第二阳极电极106可以采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积Ni/Au合金或Pt/Au合金制的；

[0032] 刻蚀或研磨减薄所述n型掺杂氧化镓衬底102，在所述n型掺杂氧化镓衬底102下表面沉积金属形成欧姆接触，制得阴极电极101；所述阴极电极101可以采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积Ti/Au合金或Ti/Al/Ni/Au合金制的。

[0033] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

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