基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度的氧化镓pn二极管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度结构的氧化镓Pn二极管及制备方法，主要解决现有技术在提高器件反向击穿电压的同时严重增大器件的正向导通电阻和功耗的问题。其自下而上，包括：阴极欧姆金属(1)、氧化镓衬底(2)、氧化镓漂移层(3)、P型半导体层(4)、高掺杂浓度P型半导体层(5)和阳极(6)，其中，P型半导体层由多种不同掺杂浓度的半导体材料按其自中心至四周掺杂浓度渐变增大的顺序依次在氧化镓漂移层上沉积形成，以降低氧化镓漂移层边缘和P型半导体层内部的峰值电场，同时形成良好欧姆接触，实现器件在提升反向击穿电压的同时降低器件的导通电阻，本发明专利技术提高了氧化镓器件的巴利加优值，可用于电子系统。可用于电子系统。可用于电子系统。

【技术实现步骤摘要】
基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度的氧化镓pn二极管及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别指一种氧化镓pn二极管的制作方法，可用于通讯、电力电子、信号处理、航空航天的电子系统。
技术背景
[0002]氧化镓是新型超宽禁带半导体材料，由于其具有4.6
‑
4.9eV的大禁带宽度和8MV/cm的高临界击穿场强特性，使得氧化镓半导体材料能够用于制备大功率器件。随着科学技术的不断进步，在通讯、电力电子、信号处理、航空航天等领域，传统第三代半导体GaN和SiC的功率器件性能已经满足不了更高的工作性能要求，而氧化镓功率器件在相同击穿电压下，导通电阻更低，功耗更小，具有更高的巴利加优值。
[0003]目前，氧化镓功率器件主要有二极管和三极管，其中二极管主要有肖特基二极管以及异质结pn二极管。pn二极管是由p型半导体和n型半导体形成的p
‑
n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并利于少子工作，被广泛用于各种整流电路，检波电路，稳压电路及调制电路。
[0004]由于氧化镓P型掺杂难以实现，所以目前主要使用其它P型半导体材料，如氧化镍、氧化铜、氧化锡与n型氧化镓结合制成异质结pn二极管。衡量二极管性能的两个非常重要器件参数是反向击穿电压和导通电阻，反向击穿电压越大或者导通电阻越小，则器件的性能愈佳。而如今氧化镓二极管的正向特性与击穿电压还远未达到氧化镓极限，氧化镓器件巴利加优值BFOM远低于理想数值，影响其大功率输出性能，限制其在高压领域的应用。
[0005]马晓华等人在申请号为202111069074.7专利文献《一种高击穿电压氧化镓功率二极管及其制备方法》中提出用具有P型特性的薄层NiO层与β
‑
Ga2O3漂移层形成异质PN结结构，以降低器件边缘处的峰值电场，改善阳极金属与氧化镓界面特性，降低反向泄漏电流，提升化镓二极管的击穿电压。
[0006]卢星等人在申请号为201710057175.X专利文献《一种氧化镓基异质PN结二极管及其制备方法》中提出通过采用非晶或多晶的p型氧化物半导体层与单晶的n型掺杂氧化镓耐压层形成异质PN结，以降低反向泄漏电流，提升化镓二极管的击穿电压。
[0007]上述两种方法虽说可提高器件反向击穿电压，但在提高器件反向击穿电压的同时，也使器件正向导通电阻的严重增大，未能最大化提升器件巴利加优值。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于自中心至四周渐变p型掺杂浓度的氧化镓pn二极管及制备方法，以提高反向击穿电压，降低导通电阻，提高氧化镓器件巴利加优值BFOM。
[0009]本专利技术的技术思路是：通过使pn结中p型半导体层的p型掺杂浓度从中心至四周渐变，以使低掺氧化镓漂移层与渐变掺杂浓度p型半导体层接触后，四周高掺杂浓度的p型半
导体缓解氧化镓漂移层边缘处峰值电场与中心低掺杂浓度的p型半导体缓解p型半导体层内部峰值电场，提升器件击穿电压；同时使阳极金属与高掺杂浓度p型半导体层接触后更易形成欧姆接触，提高氧化镓器件巴利加优值BFOM。
[0010]根据上述思路，本专利技术的技术方案如下：
[0011]1.一种基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度的氧化镓pn二极管，自下而上，包括：阴极欧姆金属、氧化镓衬底、氧化镓漂移层、P型半导体层、高掺杂浓度P型半导体层和阳极金属。其特征在于，所述P型半导体层采用由多圈不同掺杂浓度的半导体材料按其掺杂浓度从低到高的顺序依次从中心至四周渐变沉积形成的渐变掺杂P型半导体层，以在提升器件反向击穿电压的同时降低器件导通电阻，提高氧化镓器件的巴利加优值。
[0012]作为优选，所述渐变掺杂P型半导体层，其厚度为5
‑
30nm，渐变掺杂浓度的范围是从1
×
10
16
cm
‑3渐变至1
×
10
19
cm
‑3。
[0013]作为优选，所述阴极欧姆金属，其采用Ti/Au金属，且靠近氧化镓衬底层的第一层Ti的厚度为20
‑
50nm，第二层Au金属的厚度为100
‑
400nm；
[0014]作为优选，所述氧化镓衬底，其厚度为300
‑
650μm，有效掺杂载流子浓度为10
18
‑
10
20
cm
‑3，掺杂离子种类为Si离子或Sn离子。
[0015]作为优选，所述氧化镓漂移层，其厚度为3
‑
15μm，掺杂载流子浓度为10
16
‑
10
18
cm
‑3。
[0016]作为优选，所述渐变掺杂P型半导体层和所述高掺杂浓度P型半导体层中可选的p型半导体材料均包括氧化镍、氧化铜和氧化锡，该高掺杂浓度P型半导体层的厚度为3
‑
20nm，掺杂载流子浓度为10
19
‑
10
20
cm
‑3。
[0017]作为优选，所述阳极金属采用Ni/Au金属，且第一层金属Ni的厚度为45
‑
60nm，第二层金属Au的厚度为200
‑
400nm。
[0018]2.一种基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度的氧化镓pn二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019]1)对氧化镓衬底依次进行丙酮
‑
异丙醇
‑
去离子水清洗；
[0020]2)采用氢化物气相外延技术HVPE方法在清洗后的氧化镓衬底正面外延形成氧化镓漂移层，在氩气氛围下采用磁控溅射在背面沉积欧姆阴极金属，并对欧姆阴极金属进行欧姆退火；
[0021]3)在氧化镓漂移层上沉积渐变掺杂浓度P型半导体层：
[0022]3a)在氧化镓漂移层正面进行一次光刻形成圆形图案；
[0023]3b)设置功率为100
‑
150W，氧气对氩气的占比为5％
‑
50％，处理时间为10
‑
90分钟，压强4
‑
10mtorr，环境温度为25℃的磁控溅射工艺条件；
[0024]3c)根据一次光刻的圆形图案采用磁控溅射沉积形成较低掺杂浓度的圆形P型材料并剥离掉氧化镓漂移层上无光刻图案处沉积上的P型材料；
[0025]3d)在氧化镓漂移层正面进行二次光刻形成圆环图案，在磁控溅射工艺中提高氧气对氩气的占比，并根据二次光刻的圆环图案采用磁控溅射沉积出包裹住前一次沉积的圆形p型材料的圆环，其p型掺杂浓度比前一次沉积的高，再剥离去掉氧化镓漂移层上无光刻图案处沉积上的P型材料；
[0026]3e)在氧化镓漂移层正面进行n次光刻形成圆环图案，在磁控溅射工艺中提高氧气对氩气的占比，并根据n次光刻的圆环图案采用磁控溅射沉积出包裹住前n
‑
1沉积的圆环p...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度的氧化镓pn二极管，自下而上，包括：阴极欧姆金属(1)、氧化镓衬底(2)、氧化镓漂移层(3)、P型半导体层(4)、高掺杂浓度P型半导体层(5)和阳极金属(6)。其特征在于，所述P型半导体层(4)采用由多圈不同掺杂浓度的半导体材料按其掺杂浓度从低到高的顺序依次从中心至四周渐变沉积形成的渐变掺杂P型半导体层，以在提升器件反向击穿电压的同时降低器件导通电阻，提高氧化镓器件的巴利加优值。2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述渐变掺杂P型半导体层，其厚度为5
‑
30nm，渐变掺杂浓度的范围是从1
×
10
16
cm
‑3渐变至1
×
10
19
cm
‑3。3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述阴极欧姆金属(1)，其采用Ti/Au金属，且靠近氧化镓衬底层的第一层Ti的厚度为20
‑
50nm，第二层Au金属的厚度为100
‑
400nm；所述氧化镓衬底(2)，其厚度为300
‑
650μm，有效掺杂载流子浓度为10
18
‑
10
20
cm
‑3，掺杂离子种类为Si离子或Sn离子。所述氧化镓漂移层(3)，其厚度为3
‑
15μm，掺杂载流子浓度为10
16
‑
10
18
cm
‑3。4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述渐变掺杂P型半导体层(4)和所述高掺杂浓度P型半导体层(5)中可选的p型半导体材料均包括氧化镍、氧化铜和氧化锡，该高掺杂浓度P型半导体层(5)的厚度为3
‑
20nm，掺杂载流子浓度为10
19
‑
10
20
cm
‑3。5.据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述阳极金属(6)采用Ni/Au金属，且第一层金属Ni的厚度为45
‑
60nm，第二层金属Au的厚度为200
‑
400nm。6.一种基于自中心至四周渐变P型掺杂浓度的氧化镓pn二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对氧化镓衬底(2)依次进行丙酮
‑
异丙醇
‑
去离子水清洗；2)采用氢化物气相外延技术HVPE方法在清洗后的氧化镓衬底(2)正面外延形成氧化镓漂移层(3)，在氩气氛围下采用磁控溅射在背面沉积欧姆阴极金属(1)，并对欧姆阴极金属(1)进行欧姆退火；3)在氧化镓漂移层(3)上沉积渐变掺杂浓度P型半导体层(4)：3a)在氧化镓漂移层(3)正面进行一次光刻形成圆形图案；3b)设置功率为100
‑
150W，氧气对氩气的占比为5％
‑
50％，处理时间为10
‑
90分钟，压强4
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10mtorr，环境温度为25℃的磁控溅射工艺条件；3c)根据一次光刻的圆形图案采用磁控溅射沉积形成较低掺杂浓度的圆形P型材料并剥离掉氧化镓漂移层(3)上无光刻图案处沉积上的P型材料；3d)在氧化镓漂移层(3)正面进行二次光刻形成圆环图案，在磁控溅射工艺中提高氧气对氩气的占比，并根据二次光刻的圆环图案采用磁控溅射沉积出包裹住前一次沉积的圆形p型材料的圆环，其p型...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑雪峰，洪悦华，张翔宇，何云龙，苑子健，马晓华，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：