一种低漏电耐高温氧化镓异质结二极管及制备方法

1.本发明属于功率半导体器件领域，涉及一种低漏电耐高温氧化镓异质结二极管及制备方法。


背景技术：

2.超宽禁带半导体氧化镓(ga2o3)材料拥有的4.5-4.9ev的禁带宽度，高达8mv/cm的临界击穿电场以及数倍于gan材料的巴利伽优值(bfom)，给高功率、高能效半导体器件的发展注入了强劲动力，迅速成为了研究热点。目前得益于大尺寸和高质量的ga2o3单晶衬底生长工艺的逐渐成熟，使得ga2o3材料成为研究新一代超宽禁带功率半导体器件的重要材料之一。
3.异质结功率二极管(heterojunction power diode,hjd)是一种pin型二极管，由于目前ga2o3材料在工艺制备上没有p型离子注入工艺，所以无法实现p型ga2o3材料的掺杂，只能够通过构建p-n异质结的方式实现双极性器件。通过研究表明，nio材料是目前替代p型ga2o3材料的最佳材料之选，所以制备高质量的nio/β-ga2o
3 p-n异质结是提升ga2o3功率二极管性能的关键工作。和肖特基二极管相比，具有高击穿电压、低反向漏电和高电流输出密度等优点，被广泛应用于电力转换、新能源设备和各类消费电子领域，是电子电力系统最基本的核心器件。
4.随着技术的不断发展，市场对大功率、低功耗的功率二极管的需求不断增加，ga2o3因其优秀的材料特性获得了广泛关注。目前nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管的制备是材料磁控溅射工艺制备所需要的p型nio层，其厚度在100nm以上，且为了提升击穿电压采用的双层p型层设计使得器件的导通电阻巨幅提升，最终导致器件的性能表现不佳。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低漏电耐高温氧化镓异质结二极管及制备方法，基于垂直结构pin型二极管，采用氧化工艺制备ga2o3异质结二极管中的p型nio层，降低p型层厚度在保证高击穿电压的同时提升器件的导通电阻、反向漏电流、耐高温等特性。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.方案一：一种低漏电耐高温nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管，包括阳极金属接触区1、p型nio材料层2、n-漂移区3、n 衬底4、阴极金属接触区5和绝缘层6。
8.阳极金属接触区1位于器件的最上方，其下表面与p型nio材料层2上表面接触，侧面与绝缘层6右表面接触；p型nio材料层2下表面与n-漂移区3上表面接触，其上表面与绝缘层6下表面接触；n-漂移区3下表面与n 衬底4上表面接触；n 衬底4下表面与阴极金属接触区5上表面接触；阴极金属接触区5位于器件最下层。
9.可选的，阳极金属接触区1形状包括但不限于圆形、方形、条形中的一种或几种。
10.可选的，阳极金属接触区1采用的材料包括但不限于au/ni金属合金。阴极金属接触区5采用的材料包括但不限于au/ti金属合金。
11.可选的，所述p型nio材料层2采用高温氧化工艺制备，具体制备方法为：先在n-漂移区3上采用蒸镀法蒸镀一层金属ni，然后在氧气环境中加热400摄氏度进行高温氧化，氧化时间为20分钟。霍尔测定确定其掺入杂质浓度为1.33
×
10
19
cm-3
。
12.可选的，所述绝缘层6采用sin、aln、mgo、ga2o3、alhfo
x
及hfsion中的一种或者几种的组合。
13.可选的，n-漂移区3生长厚度为6μm，其掺入(n型)杂质浓度为2
×
10
16
cm-3
。
14.可选的，n 衬底4掺入(n型)杂质浓度为1.5
×
10
19
cm-3
。
15.可选的，该二极管结构适用于混合整流二极管(mps)。
16.方案二：一种低漏电耐高温nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管的制备方法，具体包括以下步骤：
17.(1)在400摄氏度高纯氮气环境下，衬底材料底部淀积30nm/150nm ti/au金属电极作为器件统一的阴极，快速火1分钟；
18.(2)利用化学气相沉积方法在衬底表面生长6μm的外延层，随后掺入n型杂质；
19.(3)在外延层表面沉积10nm的ni金属，随后在400摄氏度高温下氧气环境中氧化20分钟制备nio；
20.(4)在nio表面淀积200nm/150nm ni/au制备金属阳极；
21.(5)对没有电极覆盖的nio表面沉积绝缘层进行钝化处理。
22.可选的，该制备方法适用于制备含异质结的ga2o3基二极管器件。
23.本发明的有益效果在于：本发明基于垂直结构ga2o3异质结功率二极管，采用高温氧化工艺制备p型nio层薄层，综合提升了器件导通电阻、提升击穿电压、高温下低漏电流等特性。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
26.图1为实施例1的nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管纵向结构示意图；
27.图2为实施例1的nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管sem俯视结构示意图；
28.图3为实施例1二极管正向输出特性测试曲线示意图；
29.图4为实施例1二极管反向击穿特性测试曲线示意图；
30.图5为实施例1多个器件反向漏电流示意图；
31.图6为实施例1二极管开启电压和导通电阻随温度变化的示意图；
32.图7为实施例1二极管在100v反向偏压下不同温度的反向漏电流曲线示意图；
33.图8为实施案例1的主要工艺流程示意图；
34.附图标记：1-阳极金属接触区、2-p型nio材料层、3-n-漂移区、4-n 衬底、5-阴极金属接触区、6-绝缘层。
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
37.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
38.实施例1：
39.如图1所示，本实施例提供一种低漏电耐高温nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管，包括阳极金属接触区1、p型nio材料层2、n-漂移区3、n 衬底4、阴极金属接触区5和绝缘层6。阳极金属接触区1位于器件的最上方，其下表面与p型nio材料层2上表面接触，侧面与绝缘层6右表面接触；p型nio材料层2下表面与n-漂移区3上表面接触，其上表面与绝缘层6下表面接触；n-漂移区3下表面与n 衬底4上表面接触；n 衬底4下表面与阴极金属接触区5上表面接触；阴极金属接触区5位于器件最下层。
40.其中，阳极金属接触区1为150nm/200nm的au/ni金属合金。p型nio材料层2采用氧化工艺，在n-漂移区3上面表面制备，厚度为10nm，氧化条件为氧气环境下400摄氏度高温氧化20分钟。n-漂移区3生长厚度为6μm，其掺入(n型)杂质浓度为2
×
10
16
cm-3
。n 衬底4掺入(n型)杂质浓度为1.5
×
10
19
cm-3
。阴极金属接触区5为30nm/150nm的au/ti金属合金。
41.如图2所示，器件顶部为直径为150μm的圆形电极。
42.如图3所示，在室温下对器件的正向输出特性曲线进行测试分析，从图3中可以提取器件的开启电压为1.85v，计算导通电阻为3.39mω
·
cm2，开关比为108，器件最大输出电流密度为560a/cm2，提取计算理想因子为1.58。
43.如图4所示，在室温下测试器件的反向击穿特性曲线，从图4中可以看到器件的击穿电压为465v，达到了400v以上，且计算其功率优值为256mw/cm2。
44.如图5所示，为了确定工艺制备的稳定性，对同一晶圆上多个器件进行测试，分析其反向漏电流情况，图5中可以看到器件在100v偏压下的漏电流都保持在10-10
a以下，且每个器件漏电流表现一致。
45.如图6所示，温度对于器件正向性能影响的主要参数为器件的开启电压和导通电阻，通过分析提取不同温度下的开启电压和导通电阻可以确定器件的耐温特性，图6中可以
看到当温度从室温升高到140摄氏度时，开启电压从1.85v下降到了1.55v，导通电阻从3.39mω
·
cm2增大到了4.76mω
·
cm2，正向性能影响较小。
46.如图7所示，温度对器件时影响反向漏电流的重要因素，通过分析其在不同温度下反向漏电流的情况，可以推测出器件的性能的好坏。从图7中可以看出该器件在不同温度下器件反向漏电流稳定，均保持在10-9
以下。器件温度特性良好。
47.本发明提供一种氧化工艺制备的低漏电耐高温nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管，以示意图1为例，其主要工艺流程如图8所示，主要步骤如下：
48.(1)在400摄氏度高纯氮气环境下，衬底材料底部淀积30nm/150nm ti/au金属电极作为器件统一的阴极，快速火1分钟；
49.(2)利用化学气相沉积方法在衬底表面生长6μm的外延层，随后掺入n型杂质；
50.(3)在外延层表面沉积10nm的ni金属，随后在400摄氏度高温下氧气环境中氧化20分钟制备nio；
51.(4)在nio表面淀积200nm/150nm ni/au制备金属阳极；
52.(5)对没有电极覆盖的nio表面沉积绝缘层进行钝化处理。
53.在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，本发明提出的一种氧化工艺制备的低漏电耐高温nio/β-ga2o
3 p-n异质结二极管，在具体制作时，衬底材料除了可以根据需要设计更厚的nio厚度用于提升器件的击穿电压，采用氧化工艺制备的nio/β-ga2o
3 p-n异质结具备良好的温度特性。
54.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。