[发明专利]一种Si衬底GaN基肖特基势垒二极管器件的三维互联结构及三维互联方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Si衬底GaN基肖特基势垒二极管器件的三维互联结构及三维互联方法。

背景技术

电子电力技术不断发展，稳压器、整流器、逆变器等电子器件在日常生活中应用越来越广泛，涉及高压供电、电能管理、工厂自动化和机动车能量分配管理等诸多领域。二极管和开关器件是这些应用领域中不可或缺的组成部分。近年来，具有高频、大电流、低功耗特性的肖特基二极管与PN结二极管等器件相比，以其独特的性能优势越来越引人注目。

GaN为代表的III-V族化合物半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场强度、高热导率、高饱和电子漂移速度、异质结界面二维电子气浓度高等优异的材料性能，基于Si衬底GaN基肖特基二极管，与传统Si基功率器件相比具有开关速度快、损耗低、耐热温度高等优点，是下一代节能功率器件的理想替代品。

然而现有的Si衬底GaN基肖特基二极管器件在商业化、实用化时的传统工艺采用二维封装技术，即多个Si衬底GaN基肖特基二极管单元在同一平面上排列成单层的矩阵，形成整体的器件，这样难以实现芯片的小型化和轻量化。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种Si衬底GaN基肖特基势垒二极管器件的三维互联结构及其三维互联方法。

本发明要解决的第一个技术问题，可以采用以下的技术方案：一种Si衬底GaN基肖特基势垒二极管器件的三维互联结构，包括两个或两个以上的二极管，单个二极管包括从下至上排列的Si衬底层1、GaN外延层2、电极层，其中所述电极层的阴极3和阳极4相对、且间隔开地设置在GaN外延层2上，其特征在于：两个或者两个以上的二极管键合成上下叠装的层状结构、且上下相邻的两层二极管的接触面均由绝缘层6隔开，各层二极管的阴极和阳极分别排成一竖列；除位于最底层的二极管外，其上层的所有二极管和绝缘层由两竖向通孔贯穿，所述两竖向通孔分别位于对应各二极管的阴极3和阳极4的位置；所述两竖向通孔孔壁分别沉积有一绝缘层6；所述两竖向通孔2、3内沉积有联通各层二极管的对应电极的金属7。

本发明要解决的第二个技术问题，可以采用以下的技术方案：一种Si衬底GaN基肖特基势垒二极管器件的三维互联方法，其包括以下顺序的步骤：

S1、将一用作下层基础的二极管按照由下至上为Si衬底层1、GaN外延层2、电极层的正置方向设置，并在该二极管的电极层上方沉积一层绝缘层6，以间隔开后续置于其上的二极管；

S2、将另一个二极管均以正置的方向与步骤S1的用作下层基础的二极管上下、左右和前后均对准并叠装在步骤S1中二极管上方的绝缘层6上，且使两层二极管的电极层的相互隔开的阴极3和阳极4分别排成两竖列；然后自位于上层的二极管的阴极和阳极的顶端分别往下刻蚀出穿透整个二极管与其下方绝缘层的竖向通孔，获得两个垂直Si通孔（TVS）；

S3、在经步骤S2刻蚀的位于上层的二极管的两个垂直Si通孔（TVS）的孔壁分别沉积绝缘层6；

S4、对经步骤S3沉积了绝缘层的位于上层二极管的两垂直Si通孔沉积金属7，并使沉积在垂直Si通孔内的金属7溢出并覆盖在该上层二极管的电极的上方、且连通下层二极管的电极的顶端，实现上下相邻的两层二极管的电极连通。

由于对应二极管的阴极的竖向通孔内沉积的金属需与各层二极管的阴极形成低阻欧姆接触，因此在上述基础上，本发明所述步骤S4中对应二极管的阴极的垂直Si通孔内内沉积的金属为Ti、W、Ni 、Al或Cu；上述金属材料跟GaN材料的势垒高度小于0.3eV（势垒高度=金属功函数-半导体（GaN）功函数）；金属提电阻率低，其中Ti (40-70mWcm）,W(8~15mWcm),Ni(6.9mWcm)、Al(2.7-3.0mWcm), Cu(1.7-2.0mWcm)，可保证良好的导电性；容易与阴极形成低阻欧姆接触；与GaN和绝缘材料等有良好的粘附性；易于淀积和刻蚀，便于键合；性能稳定可靠；金属对台阶的覆盖率要好。

其中所述步骤S4中，经步骤S3沉积了绝缘层的位于上层二极管的两垂直Si通孔沉积金属7时，使沉积在垂直Si通孔内的金属7溢出覆盖在该上层二极管上方、且连通下层二极管的电极的顶端，然后对覆盖在该上层二极管上方的金属进行帽层图形化，仅保留该上层二极管的电极的正上方的金属，实现上下相邻的两层二极管的电极连通。

为适应目前的制造工艺，所述步骤S3中对经步骤S2刻蚀的位于上层的二极管的两个垂直Si通孔（TVS）的内表面均沉积有绝缘层6，然后去除孔壁以外的绝缘层6；以保证后续沉积在垂直Si通孔内的金属能够连通上下相邻的两层二极管的电极。