TW564486B - Gallium nitride based diodes with low forward voltage and low reverse current operation - Google Patents

Gallium nitride based diodes with low forward voltage and low reverse current operation Download PDF

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Description

564486 A7 ___B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明係關於二極體，更明破地說，係關於顯示出改善 的順向電壓和逆向漏電電流特性之氮化鎵基底之二極體。 相關技藝說明 整流二極體是低電壓轉換、電源供應、電源轉換器和相 關的應用中最廣為使用的元件之一。要達到最有效率的操 作，最好能使二極體有低開啟狀態電壓（0·1_0·2伏特或更 低）、低逆向漏電電流、高電壓阻斷能力（20-30伏特）和高 轉換速度。 最常見的二極體是由具有引入不純成分的矽（Si)來調整 ，在一控制的模式下，該二極體的操作特性所製成的卯接 面二極體。二極體也可以由例如砷化鎵（GaAs)和碳化矽 (Si C)等其他半導體材料來形成。接面二極體的一個缺點是 在順向傳導期間，二極體的電力損失在大電流量時會變得 袓當大。 蕭特基障壁二極體是一種特別型式的整流二極體，其由 一可整流的金屬-半導體障壁區域所構成，而非一 pn接面 。當金屬接觸半導體，一障壁區域會被形成在兩者之間的 接面處。當被正確地製造時，該障壁區域會將電荷儲存效 應降到最小並藉由縮短關閉（turn-off )時間來促進二極體 的轉換（L.P. Hunter在半導體元件（Semiconductor Dev ices)第卜10頁（1970年）之半導體材料、元件、和電路 物理一文）。常見的蕭特基二極體具有比pn接面二極體低的 • 5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) ~ ' 564486 A7 B7 五、發明説明（4 ) — " ~ 該基材的一側上。歐姆金屬接觸係包含在該n+氮化鎵層上 ，與該η-氮化鎵層隔離，並且一蕭特基金屬層係被包含在 該η-氮化鎵層上。要被整流的訊號通過該蕭特基金屬和歐 姆金屬接觸施加至該二極體。當該蕭特基金屬被沈積在該 η-氮化鎵層上時，一障壁潛能便形成在該η-氮化鎵在兩者 之間的表面上。該蕭特基金屬層有一功函數，其決定了該 障壁潛能~的高度。 使用可以降低蕭特基障壁潛能的金屬會導致低的Vf，但 也會導致不想要的在Irev上的增加。本發明的第二實施例藉 由在該二極體的表面上包含一溝槽結構來降低Irev。本結構 防止了該創新的二極體在逆向偏壓下電場的增加。因此， 蕭特基障壁潛能降低了，因而有助於降低“ev。 該溝槽結構較佳者形成在該η -氮化嫁層上，而且含有一 些在相鄰溝槽之間具有平台區域的互相平行、間距相等的 溝槽。每一個溝槽都有一絕緣層在其側壁和底表面上。一 連續的蕭特基金屬層係在該溝槽結構上，覆蓋該絕緣層和 溝槽之間的平台。或者，每一個溝槽的側壁和底表面可以 用金屬而非絕緣體來覆蓋，並且該金屬與該蕭特基金屬是 電氣隔離的。該平台區域選用的摻雜濃度和寬度可在該金 屬-半導體接觸下產生想要的電場重分配。 本發明之第三實施例提供一具有起因於電子穿隧過該障 壁潛能，而非越過它，之低Vf之氮化鎵穿隧二極體。本實 施例有一基材，其具有夾在該基材和一n-氮化鎵層之間的 n+氮化鎵層。一氮化鋁鎵（A1GaN)障壁層係被包含在該n — * 3 · 本紙張尺度適用中® s家標準(CNS) ^規格(21GX 297公愛)~ ---
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氮化鎵層之相對於該0+氮化鎵層的一側上。一歐姆接觸被 包含在該0+氮化嫁層上，並且一頂部接觸係被包含在該氮 化銘嫁層上。要被整流的訊號通過該歐姆和頂部接觸被施 加0
在該障壁層不同的厚度和鋁莫耳分量導致不同的順向和 逆向操作特性下，該障壁層的設計可將順向穿隧可能性最 大化。在一特定的厚度和鋁莫耳分量下，該二極體有低的 vf和低的Irev。使用較厚的障壁層和/或增加鋁莫耳濃度則 降低了 Vf並增加了 Irev。當厚度或莫耳分量進一步增加，該 裝 創新的二極體會呈現歐姆操作特性，或變成一傳統的蕭特 基二極體。 本發明之這些和其他進一步的特色和優點由如下的詳細 說明，與伴隨的圖示一起，對那些熟知技藝者來說會變得 顯而易見，其中·· 訂
線 圖示簡單說明 圖1係本發明之一氮化鎵蕭特基二極體實施例之剖面圖； 圖2係一圖表顯示一般金屬的功函數與其原子序的關係； 圖3係圖1中所示之二極體的能帶圖； 圖4係圖1之氮化鎵蕭特基二極體的另一個實施例之剖面 圖，具有一溝槽結構以降低逆向漏電電流； 圖5係本發明之一穿隧二極體實施例之剖面圖； 圖6係圖5之穿隧二極體具有22埃的厚度和30%的鋁莫耳 分量時之能帶圖； 圖7係一圖表顯示具有圖6之能帶圖之該創新的穿隧二極 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(21〇x 297公釐) 564486 A7 B7 五、發明説叼（6 體之電壓/電流特性； 圖8係圖5之穿隧二極體具有30埃的厚度和30%的鋁莫耳 分量時之能帶圖； 圖9係一圖表顯示具有圖8之能帶圖之該創新的穿隧二極 體之電壓/電流特性； 圖10係圖5之穿隧二極體具有38埃的厚度和30 %的鋁莫 耳分量時·之能帶圖； 圖11係一圖表顯示具有圖10之能帶圖之該創新的穿隧二 極體之電壓/電流特性；及 圖12係本發明之一穿隧二極體實施例之剖面圖，具有一 溝槽結構以降低逆向漏電電流。 發明詳細說明 圖1顯示一根據本發明所製造的具有降低的金屬至半導 體障壁潛能的蕭特基二極體10。該創新的二極體係由皿族 氮化物基底材料系統或其他費米能階不固定在其表面能態 的材料系統所形成。m族氮化物是指那些由氮和週期表之 瓜族内的元素，通常是鋁（A1)、鎵（Ga)和銦（In)所形成的 半導體化合物。該詞也指三元（ternary)和特（tertiary) 化合物，例如氮化鋁鎵和氮化鋁銦鎵（AlInGaN)。對於該創 新的二極體來說較佳的材料是氮化鎵和氮化鋁鎵。 該創新的二極體10含有一基材11，其若不是藍寶石 (Al2〇3)、矽，就是碳化矽，且較佳的基材是一 4H多型結構 (polytype)的碳化矽。其他多型結構的碳化矽也可以被使 用，包含3C、6H和15R多型結構。二AlxGai N緩衝層12(其 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董）
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564486 A7 Γ____ Β7_ 五、發明説明（1 ) ~ —-— 個實施例中，一個或多個歐姆接觸可以被包含在沒有被Μ 氮化鎵層12所覆蓋的基材的表面上。這種實施例在基材並 非η型的情況下是特別適用的。一蕭特基金屬層16被包含在 該η-氮化鎵層13相對於該“氮化鎵層12的一側上。 金屬的功函數是將一個電子從金屬取出至一空軌域所需 要的能量，而材料之費米能階是有5〇%找到帶電載子的可能 性的能階半導體的電子親和力是空能階和傳導帶能階之 間的差異。 如上所述’氮化鎵的表面費米能階是不固定的，因此有 不同功函數的蕭特基金屬會導致不同的障壁潛能。障壁潛 能係利用公式估計： 障壁高度=功函數-半導體的電子親和力 圖2係一圖表20顯示各種金屬表面在空軌域内之金屬功 函數21與個別金屬原子序22之間的關係。應該選擇可以提 供低的蕭特基障壁潛能和低的Vf，但足夠高以使逆向電流 維持在低的程度，之金屬。例如，若被選擇的金屬具有與 半導體之電子親和力相當的功函數，障壁潛能會接近零。 這導致Vf接近零，同時也增加了二極體的逆向電流，使得 該二極體在本質上成為歐姆的並且無法提供整流的作用。 許多不同的金屬可以被使用以達到低的障壁高度，較佳 的金屬包括鈦（4.6功函數）23、鉻（4· 7) 24、鈮（4.3) 25 、錫（4.4) 26、鶴（4.6) 27和鈕（4·3) 28。鉻24導致可接 受的障壁潛能並且可藉由傳統的方法輕易地沈積。 圖3顯示該創新的簫特基障壁二極體由垂直線穿過該二 -12· 本紙張尺度適财S S家料(CNS) Α4麟(21G X 297公董)~~一 " 564486 A7 B7 五、發明説明 但是，如上所討論，降低障壁能階也會增加逆向漏電電 流。當該半導體相對於該金屬是正的時（逆向偏堡），該障 壁之半導體侧相對於該金屬側是低的，以至於電子能夠自 由流動通過該障壁的頂部無阻礙地到達該半導體。在該金 屬中存在的高於該障壁頂部的電子的數量與該半導體内的 電子總數比較起來通常是非常少的。結果導致非常低的電 流特性。β當電壓足夠大到可以切斷所有的電子流動時，電 流會飽和。障壁潛能越低，需要用來使電流飽和的逆向偏 屋就越低。 圖4顯示該創新的I化嫁蕭特基二極體的另一個實施 例，其利用降低障壁高度來處理增加的逆向電流的問題。 該一極體40與上面的實施例是相似的，具有一相似的基材 41、η +氮化鎵層42、和歐姆金屬接觸43a和43b，它們也可 以被包含在該基材的表面上。其也具有一 n-氮化鎵層44, 但是不同於此層是平面的，其具有在該n-氮化鎵層内包含 溝槽46的二維溝槽結構45。較佳的溝槽結構45包含互相平 行且間距相等並具有保留的平台區域49在相鄰的溝槽之間 的溝槽46。每一個溝槽46都有一絕緣層47來覆蓋其側壁46a 和底表面46b。許多不同的絕緣材料可以被使用，較佳的材 料是氮化矽。一蕭特基金屬層48被包含在整個溝槽結構45 上方，將該絕緣層夾在該蕭特基金屬和該溝槽側壁和底表 面之間，並覆蓋住該平台區域49。該平台區域提供該蕭特 基金屬和該η-氮化鎵層44之間的直接接觸區域。或者，每 一個溝槽可以用金屬代替絕緣鱧來覆蓋。在此實施例中， -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(2ι〇χ 297公釐) 564486 A7 B7 五、發明説明（12 至於二極鱧40，在該n +和η -層42和44被沈積在該基材上 之後’該η-氮化鎵層44藉由化學或離子研磨蝕刻來蝕刻以 形成該溝槽46。該η-氮化鎵層44為了歐姆金屬43a和43b進 一步被蝕刻至該n+氮化鎵層42的位置。該氮化矽絕緣層47 然後被沈積在整個溝槽結構45的上方，且將該氮化矽層在 該平台49的部分蝕刻掉。作為最後一個步驟，一連績的蕭 特基金屬3 48利用標準金屬化技術被形成在該溝槽結構45 的上方，覆蓋該絕緣層47和暴露出來的溝槽平台49。該歐 姆金屬也利用標準金屬化技術被形成在該n+氮化鎵層42上 。在溝槽係被金屬覆蓋的溝槽二極體的實施例中，該金屬 也可以利用標準金屬化技術來沈積。 穿隧二極體 圖5顯示該創新的二極體之另一個實施例50，其中Vf是低 的，因為在順向偏壓下電子穿隧通過該障壁區域。藉由穿 隧通過該障壁，電子不需要藉由傳統熱電子放射越過該障 壁的方式來通過該障壁。 與圖1和圖4中的實施例相同，該創新的穿隧二極體50係 由Π[族氮化物基底材料系統所形成，並且較佳者是由氮化 鎵、氮化鋁鎵、或氮化銦鎵形成，但是其他的材料系統也 可以作用。極性和非極性材料的合併可以被使用，包括極 性材料在極性材料上和極性材料在非極性材料上。這些材 料的一些例子包括複合極性氧化物，例如鈦酸錄、銳酸經 、鈦酸鉛錘，以及非複合/二元氧化物，例如氧化鋅。材料 可以被用在矽或任何矽/介電質堆疊，只要穿隧電流是許可 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 564486 A7 B7 五、發明説明（ 的。 該二極體50具有一個若不是由藍寶石、碳化矽，就是由 矽所組成的基材51，其中基於上面所述的原因，碳化矽是 較佳的基材材料。該基材具有一n+氮化鎵層52在其上，和 一 η-氮化鎵層53在該n+氮化鎵層52相對於該基材51的一側 上。一氮化鋁鎵障壁層54被包含在該n-氮化鎵層相對於該 η+氮化嫁·模板層52的一側上。在該二極體5〇的邊緣上，該 障壁層54和η-氮化鎵層53被向下蝕刻至該η+氮化鎵層52處 ’並且歐姆金屬接觸55a和55b被包含在該層52上之蝕刻的 區域内。如前面的結構般，該歐姆接觸也可以被包含在該 基材的表面上。一金屬接觸層56係被包含在該氮化鋁鎵障 壁層54上相對於該η-氮化鎵層53之一側上。要被整流的訊 號通過該歐姆接觸55a和55b以及頂部金屬接觸56被施加。 該氮化鋁鎵障壁層54扮演穿隧障壁的角色。穿隧通過障 壁是一個量子力學的現象，並且層54的厚度和鋁莫耳分量 兩者皆可以被改變以最大化順向穿隧可能性。氮化鋁鎵一 氮化嫁材料系統具有内喪的壓電應力，其導致壓電偶極。 通常壓電應力和誘導電荷兩者會隨著障壁層的厚度而增加 。在順向偏壓時，來自該壓電電荷的電子加強了穿隨，因 為它們對傳導來說是有助益的，以至於可以發生穿隨的能 態數量增加了。因此該創新的穿隧二極體可以由其他顯出 此型式的壓電電荷的極性材料來製造。 但是’在逆向偏壓下該壓電電荷也容許逆向漏電電流的 增加。該障壁層的厚度越厚或增加的銘莫耳分量越多，會 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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導致較低的Vf但是也導致增加的I rev。因此，對該障壁層之 一特疋的銘莫耳分量有一最大的障壁層厚度以達到低Vf和 相對低的Irev之操作特性。 圖6-11顯示該創新的二極體在具有30%的鋁之三種不同 的氮化鋁鎵障壁層厚度下之整流特性。每一個厚度都有一 能帶圖和一相應的電壓對電流作圖。 圖6顯呆該穿隧二極體50具有22埃厚的障壁層54之能帶 圖60。其在該障壁層63和該η-氮化鎵半導體層62之間的接 面處顯示出典型的障壁潛能61。該頂部接觸金屬64係在該 障壁層63相對於該半導體層之一側上。圖7顯示一圖表70 繪製出圖6中之二極體相應的電流對電壓特性。其具有一約 在0· 1伏特之Vf71和低逆向電流（Ifev)72。 圖8顯示相同的穿隧二極體具有30埃厚的障壁層之能帶 圖80。增加的障壁層厚度增加了障壁區域的壓電電荷，因 此增強了通過該障壁的穿隧。這降低了在該障壁層82和該 η-氮化鎵層83之間接面處之障壁潜能81。當施加順向偏壓 時電荷不需要克服該障壁，大幅地降低了二極體的Vf。但 是，該降低的障壁也容許了逆向漏電電流（Irev)的增加。圖 9是一圖表90顯示Vf91比圖7中的Vf要低。並且，92與圖 7中的相較是增加的。 圖10顯示相同的穿隧二極體具有38埃厚的障壁層之能帶 圖100。再一次，增加的障壁層厚度增加了障壁區域的壓電 電荷。在此厚度下，在該障壁層102和η-氮化鎵層之間的障 壁潛能101縮小接近該障壁層和η-氮化鎵層之間接面處，這 • 18 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐)
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線 564486 A7 B7 五、發明説明（15 ) 導致對於順向和逆向偏壓兩者的電荷來說皆沒有障壁。圖 11顯示一相應的電流對電壓特性之圖表110。反應順向和逆 向偏壓，該二極體100經受了立即的順向和逆向電流，使得 該二極體本質上變為歐姆的。 在該障壁層中的鋁莫耳濃度不同的情況下，要達到圖6 至11中所示的特性時該層的厚度就會不同。 圖12顯#示具有一溝槽結構121以降低漏電電流之創新的 穿隧二極體120。如上面的蕭特基二極體40,該溝槽結構包 含一些互相平行、間距相等的溝槽122,但是在這個二極鱧 中，它們被蝕刻穿過該氮化鋁鎵障壁層123和該η-氮化鎵層 124，至該η+氮化鎵層125(ΑΡ氮化鎵模板）。在相鄰的溝槽 122之間有平台區域126。溝槽側壁和底表面具有一絕緣層 127，並有頂部蕭特基金屬層128覆蓋住整個溝槽結構121 。該溝槽結構與上面實施例中所述者以同樣的方式作用， 降低了逆向電流。這對具有對順向電壓的反應導致立即的 順向電流的障壁層厚度之穿隧二極體來說是有用的。藉由 使用溝槽結構，該二極體也可以有改善的逆向漏電電流。 也如同上述般，溝槽側壁和底表面也可以被一金屬覆蓋， 只要其與該蕭特基金屬層128隔離開來。 雖然本發明已參考特定的較佳實施樣態以相當程度的細 節被描述，其他變化型式是可能的。因此，附加的申請專 利範圍之精神和範圍不應該被限制在說明書内所述的較佳 實施樣態。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
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Claims (1)

  1. :5^486;;: Ά繁丨091116362號專利申請案 g 中:文申請專利範圍替換本(92年8月）冗 六、申請專利範圍 1 · 一種Π族氮化物基底之二極體，包含·· 一 n+摻雜的氮化鎵層（42); 一在该n+氮化鎵層（42)上之η-摻雜的氮化鎵層（44); 一在該η·摻雜的氮化鎵層（44)上之蕭特基金屬層 (Schottky metal layer)(48)，其具有一功函數，該n—氮 化鎵層（44)與該蕭特基金屬（48)形成一接面，該接面具 有一依賴於該蕭特基金屬（48)之該功函數的障壁潛能能 階（3 3) ’該障壁潛能能階是夠低的以允許該二極體以低 順向電壓操作；及 一在該η-層（44)之表面上的溝槽結構（45)，該二極體 在逆向偏壓下經受一逆向漏電電流，該溝槽結構（45)降 低逆向漏電電流的量。 2·如申請專利範圍第1項之二極體，其中該η-摻雜的氮化 鎵層（44)具有一電子親和力，該障壁潛能（33)大概相當 於遠蕭特基金屬功函數減去該電子親和力。 3. 如申請專利範圍第丨項之二極體，其中該蕭特基金屬 (48)係選自含有鈦、鉻、銳、錫、鎢和組的族群的金屬 之一。 4. 如申請專利範圍第丨項之二極體，其中該溝槽結構（45) 含有複數個在相鄰的溝槽之間具有平台區域（49)的溝槽 (46)，該溝槽（46)具有用一絕緣材料（47)塗覆之側^ I (46a)和一底表面（46b)，該蕭特基金屬層（48)覆蓋該溝 j 槽（46)和平台區域（49)，該絕緣材料（47)被夾在該蕭特 ί 基金屬層（48)和該側壁（46a)和底表面（46b)之間。 564486
    ABCD 5 ·如申請專利範圍第4項之二極體，i 士 ^ 其中該絕緣材料（47) 被一具有南功函數的金屬所取代。 6. —種穿隧二極體，包含·· 一 n+摻雜層（52); 一鄰接於該n+摻雜層（52)之n-摻雜層（53); 一鄰接於該η-摻雜層（53)之障壁層（54)，在相對於該 η+層（52)的一側上；及 一在该障壁層（54)相對於該n-摻雜層（53)的一側上之 金屬層（56)，該η-摻雜層（53)與該障壁層（5句形成一接 面，其具有一起因於電子在順向偏壓下穿隧通過該障 壁潛旎（8 1)而導致該二極體之開啟狀態電壓是低的之障 壁潛能（81)。 7·如申請專利範圍第6項之二極體，其中該障壁層（54)具 有壓電偶極，其藉由增強電子穿隧來降低該二極體之 開啟狀態電壓。 8 ·如申請專利範圍第6項之二極體，其中壓電偶極的數量 Ik著遠Ρ平壁層厚度的增加而增加，同時仍然允許穿随 電流。 9 ·如申請專利範圍第6項之二極體，進一步包含一溝槽結 構（121)在該障壁和n_摻雜層（54、53)内，該二極體在逆 向偏壓下經受一逆向漏電電流，該溝槽結構（12 1)降低 了該逆向漏電電流的量。 1〇·如申請專利範圍第6項之二極體，其中該溝槽結構（121) 在該障壁和該n —層（123、124)内包含複數個在相鄰的溝 564486 A8 B8 C8 D8 p六、申請專利範圍 — 槽（122)之間具有平台區域（126)的溝槽（122)，每一個該 溝槽（122)具有用一絕緣材料（127)塗覆之側壁和一底表 面，該金屬層（128)覆蓋該溝槽（122)和平台區域（126)， 該絕緣材料（127)被夾在該金屬層（126)和該側壁和底表 面之間。 -3 - 未紙彔尺度適用+國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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