[发明专利]带有改良型终止结构的氮化镓半导体器件

说明书

技术领域

本发明主要涉及半导体功率器件的结构和制备方法。更确切地说，本发明涉及一种用新型器件结构和制备方法制成的基于氮化镓的器件，用通过外延生长方法制成的保护环，提供可靠的、高质量的终止结构。

背景技术

肖特基二极管等基于氮化镓（GaN）的器件，利用一个小半导体晶片，在维持较低的导通电阻的同时，获得高闭锁电压，这比硅器件更有优势。然而，要将包括肖特基二极管在内的基于氮化镓（GaN）的器件，配置和制造成为一个整流器件或用于其它功能的器件的传统方法，缺乏对生产过程的控制，难以保证制造出可靠的终止结构，仍然受到这些技术局限的挑战。在半导体晶片的棱角处，具有高电场，因此需要终止结构确保击穿发生在器件的主要部分中，而不是边缘处（即终止区）。由于氮化物半导体的宽带隙特点，利用基于硅的半导体中通常使用的传统的植入和扩散工艺，并不能方便地制备P-型保护环等可靠的保护环。

在题为《用于半导体器件的非激活保护环》的美国专利US7229866中，提出了一种带有保护环的半导体器件。图1表示横向传导的肖特基二极管100。该肖特基二极管包括一个电绝缘衬底102以及一个缓冲结构104。一个高掺杂的半导体层106设置在缓冲结构104上方。一个半导体接触层108和一个较低掺杂的半导体层，设置在一部分较高掺杂的半导体层106上方。一个肖特基金属接头110位于半导体接触层108的上方，并同半导体层108一起构成一个金属-至-半导体的整流结。一个较厚的焊盘金属层112设置在肖特基金属接头110上方。保护环120形成在半导体层108中，位于台面结构的边缘或边缘附近。保护环120用于降低肖特基金属接头边缘处的高电场，以及当器件反向偏置时，降低产生的漏电流。一个欧姆金属接头116设置在一部分较高掺杂层106的上方，并且一个较厚的焊盘金属层118设置在欧姆金属接头116上方。钝化层114至少可以形成在，由欧姆金属接头116、焊盘层118形成的堆叠结构，与由半导体层108、肖特基金属接头110和焊盘金属层112形成的堆叠结构之间。通过在半导体接触层中进行离子植入形成如图所示的保护环，无需对半导体接触层完全退火，就能形成高阻抗区。保护环可以设置在层的边缘处，或者可选择设置在远离层的边缘处。肖特基金属接头形成在层的上方，肖特基接头的边缘设置在保护环上方。

然而，对于氮化物半导体器件而言，如图1所示的带有保护环120的边缘终止结构，当通过离子植入、以及热激活或者即使不用热激活或扩散制备时，无需形成真正的P-型半导体区，但是该边缘终止结构经常变成高阻抗或半绝缘，而非用于保护环功能的专用的P-型半导体材料。另外，通过植入工艺形成的高阻抗的边缘终止结构，带有来自氮化镓半导体的缺陷，这会使可靠性变差或非箝位感应开关（UIS）性能变差。

尤其对于基于氮化镓的肖特基二极管而言，迫切需要克服这些局限。在比如开关电源（SMPS）器件应用等开关模式下的能量损耗，肖特基二极管作为整流器，对于尽量减少开关损耗的应用十分理想，当开关电源器件带有基于GaN的肖特基二极管时，能够用较小的开关损耗和高闭锁电压，提供更加高效的功率利用率。然而，一个可靠的终止结构，例如在阳极电极附近的器件边缘周围形成的P-型保护环，必须保证高性能可靠的应用。但是，如上所述，对于本领域的技术人员而言，可靠高效的P-型保护环很难在基于GaN的器件中实现。传统的离子植入和扩散工艺，并不适用于制备具有高品质和可靠性的保护环。

鉴于上述原因，对于基于GaN的器件，有必要提出在终止区中形成高品质、可靠的保护环的器件结构和制备方法，从而解决上述困难和局限。

发明内容

因此，本发明的一个方面在于，提出一种新型改良的终止结构，通过在沟槽中利用外延生长工艺，形成保护环，在器件的边缘附近形成P-型保护环。所形成的保护环具有可控的掺杂分布（即均匀的浓度和改进的器件完整性）、较小的电阻以及可靠的运行特性。从而解决了制备终止结构的传统方法中遇到的局限和困难。

本发明的另一方面在于，通过将改良的、可靠的P-型保护环用作终止结构，提出了一种基于GaN的半导体器件的新型器件结构和制备方法。因此，这个可靠的保护环能够降低位于肖特基金属接头边缘处的高电场，以及当器件反向偏置时，减小产生的漏电流。

本发明的另一方面在于，提出了一种基于GaN的半导体器件的新型器件结构和制备方法，该半导体器件带有改良的、可靠的保护环以及通过在肖特基阳极电极下面的沟槽中生长p-型外延GaN半导体，形成的结势垒肖特基结构。器件的击穿特性也进一步得到提高。