專利名稱：高壓開(kāi)關(guān)器件和形成該器件的工藝的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求關(guān)于在2002年4月30日提交的題為“SCHOTTKYDIODE STRUCTURE AND MOVPE PROCESS FOR FORMINGSAME”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/376,629的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及多種具有高擊穿電壓的開(kāi)關(guān)器件以及形成該器件的工藝。
相關(guān)技術(shù)描述作為本發(fā)明的背景，下述文件的整體公開(kāi)內(nèi)容在此處并入列為參考 等人，“High Voltage(450V)GaN Schottky Rectifiers，”Appl.Phys.Lett，Vol.74，No.9，pp.1266-1268(1999年3月1日)。
Trivedi等人，“Performance Evaluation of High-Power Wide Band-Gap Semiconduetor Rectifiers，”J.Appl.Phys.，Vol.85，No.9，pp.6889-6897(1999年5月1日)。
在2000年12月5日以Robert P.Vaudo等人的姓名頒發(fā)的關(guān)于“GaN-BASED DEVICES USING THICK(Ga，Al，In)N BASE LAYERS”的美國(guó)專利No.6,156,581。
在2002年8月27日以Robert P.Vaudo等人的姓名頒發(fā)的關(guān)于“LOW DEFECT DENSITY(Ga，Al，In)N AND HVPE PROCESS FORMARKING SAME”的美國(guó)專利No.6,440,823。
在2000年9月10日以Jeffrey S.Flynn等人的姓名頒發(fā)的關(guān)于“METHOD FOR ACHIEVING IMPRODED EPITAXY QUALITY(SURFACE TEXTURE AND DEFECT DENSITY) ON FREE-STANDING(ALUMINUM，INDIUM，GALLIUM)NITRIDE((AL，IN，GA)N)SUBTRATES FOR OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONICDEVICE”美國(guó)專利No.6,447,604。
除非具體說(shuō)明，在后面的本發(fā)明的描述中通常被稱為“GaN”的(Ga、Al、In)N類(lèi)材料，是用于制造高壓、高功率的微電子開(kāi)關(guān)器件的有希望的半導(dǎo)體材料族，其包括，但不限于，肖特基(Schottky)二極管整流器、P-N二極管、P-I-N二極管、具有P-N-P-N結(jié)的可控硅整流器、和具有N+-P-I-P+結(jié)的碰撞電離雪崩渡越時(shí)間器件(IMPATT)等。
如表1所示，GaN具有許多使其適用于高功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用的基本特性。GaN的寬的帶隙向其提供了相比于4H-SiC的高的理論擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。此外，GaN具有比4H-SiC更高的電子遷移率和最大速度。GaN的熱導(dǎo)率低于4H-SiC，與Si相似，而Si是當(dāng)前用于制造高功率開(kāi)關(guān)器件的最普遍的材料。
表1
*理論最大值這樣，半導(dǎo)體層越厚并且該半導(dǎo)體層中的摻雜劑濃度越低，則使用該半導(dǎo)體層制造的開(kāi)關(guān)器件的擊穿電壓越高。因此，需要厚的、低摻雜的外延半導(dǎo)體層，以便于制造將支持高擊穿電壓的開(kāi)關(guān)器件。
為了獲得足夠高的擊穿電壓，對(duì)于GaN層的厚度和摻雜要求低于對(duì)Si或者SiC層的要求。具體地，
圖1是預(yù)測(cè)的對(duì)GaN基的整流器的摻雜和厚度的要求的圖示。例如，為了制造具有5kV反向擊穿電壓的整流器，需要具有n＝1×1016原子/cm3的本底摻雜劑濃度的約20μm厚的GaN層。能夠使用AlGaN合金制造具有甚至更高底擊穿電壓的整流器和其他開(kāi)關(guān)器件，該AlGaN合金甚至具有比單純的GaN材料更大的帶隙(最大6.2eV)和更高的理論擊穿電壓。
為了制造具有高擊穿電壓的GaN基開(kāi)關(guān)器件，如上文所述，有必要在用于歐姆(Ohmic)接觸所需的易導(dǎo)的基于GaN層頂部上淀積具有所需的厚度和本底摻雜劑濃度的厚的、低摻雜的GaN半導(dǎo)體層。
然而，由于高的熱膨脹系數(shù)(TCE)失配和穿透位錯(cuò)(threadingdislocation)(TD)的形成以及其他缺陷，在異質(zhì)外延襯底上淀積多于幾個(gè)微米厚度的GaN是困難的。因此，需要使用新型的生長(zhǎng)方法、結(jié)構(gòu)和/或襯底，用以按照制造電子器件的需要，將GaN層淀積到適當(dāng)厚的。此外，需要在具有適當(dāng)尺寸的襯底上淀積外延層，其具有高的一致性和高的質(zhì)量，并且具有適當(dāng)?shù)耐庋咏Y(jié)構(gòu)配置(例如，橫向或者縱向)和適當(dāng)?shù)木?例如，c平面、r平面、m平面、離軸、軸上、以及截片方向及角度)，用以滿足特定器件應(yīng)用的成本、生產(chǎn)和性能的需要。
當(dāng)前，可以獲得具有不同尺寸和具有滿足不同高壓二極管應(yīng)用的配置的Si、藍(lán)寶石、SiC、HVPE/藍(lán)寶石、和無(wú)基式厚塊GaN襯底。典型地，低成本的、低功率(＜1kV)的器件使用異質(zhì)外延襯底，諸如Si和藍(lán)寶石，而高成本的、高功率(＞1kV)的器件使用更優(yōu)的晶格匹配襯底、諸如SiC、HVPE/藍(lán)寶石、和無(wú)基底厚塊GaN。由于熱膨脹系數(shù)之間的差異和異質(zhì)外延襯底與在其上生長(zhǎng)的GaN層之間的晶格失配(其導(dǎo)致了高的位錯(cuò)缺陷密度和嚴(yán)重的GaN外延層裂化)，因此在異質(zhì)外延襯底上提供適宜的外延質(zhì)量是困難的。在GaN或者HVPE/藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)外延GaN層較少受到TCE和晶格失配的影響，但是仍然需要克服其他的問(wèn)題，諸如GaN襯底和外延層之間的界面電荷消除。在所有的情況中，在向GaN外延層摻雜Si用以形成高擊穿電壓器件中的易導(dǎo)n型GaN層時(shí)，加重了與裂化相關(guān)的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的在于，在適當(dāng)?shù)漠愘|(zhì)外延襯底或者同質(zhì)外延襯底上提供具有大的直徑的、高質(zhì)量的和均勻的MOVPE外延層，該外延層具有低的裂化密度、低的孔蝕密度，以及高的n層傳導(dǎo)率，在該外延層上可以形成厚的、低摻雜的GaN層，用于制造GaN基的具有高擊穿電壓的開(kāi)關(guān)器件。
發(fā)明概述本發(fā)明在一個(gè)方面涉及一種高壓擊穿器件，其具有良好電流分布且在異質(zhì)外延襯底上(諸如藍(lán)寶石襯底或者具有高縱向傳導(dǎo)率的SiC或Si襯底)制造。在形成在該異質(zhì)外延襯底上的外延GaN層中通常能觀察到嚴(yán)重的裂化，通過(guò)提供高摻雜水平(＞5E18cm-3且＜3E19cm-3)或者在該外延GaN中進(jìn)行delta摻雜，可以部分地抑制該問(wèn)題，但是不能完全地消除該問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用兩個(gè)易導(dǎo)GaN層，其中一個(gè)具有相對(duì)較高的摻雜劑濃度而另一個(gè)具有相對(duì)較低的摻雜劑濃度，用于進(jìn)一步地抑制隨后在其上形成的未摻雜外延GaN層中的裂化。
本發(fā)明的另一實(shí)施例提供了在易導(dǎo)GaN層下面的未摻雜GaN層，該未摻雜GaN層的作用在于改善材料質(zhì)量并且減少隨后在該易導(dǎo)GaN層上形成的未摻雜外延GaN層中的孔蝕和裂化。
本發(fā)明的另一實(shí)施例利用諸如鍺的應(yīng)力減小摻雜材料來(lái)取代傳統(tǒng)的用于傳導(dǎo)GaN層n型摻雜的Si摻雜劑。由于鍺相比于Si更加適于Ga的空位，因此在傳導(dǎo)GaN層中摻雜鍺顯著地減少了其中的裂化。
本發(fā)明在另一方面涉及一種高壓擊穿器件，其在無(wú)基式同質(zhì)外延GaN襯底上或者在HVPE/藍(lán)寶石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上制造。
本發(fā)明中的術(shù)語(yǔ)“HVPE/藍(lán)寶石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)”指，包括通過(guò)氫化物氣相外延(HVPE)工藝在藍(lán)寶石襯底上制造的約10μm厚度的無(wú)裂化GaN基層的器件質(zhì)量的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如在2000年12月5日以Robert P.Vaudo等人的姓名頒發(fā)的關(guān)于“GaN-BASED DEVICES USINGTHICK(Ga，Al，In)N BASE LAYERS”的美國(guó)專利No.6,156,581中所描述的，該專利的整體內(nèi)容在此處并入列為參考以用于所有目的。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)基式GaN襯底或者HVPE/藍(lán)寶石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括未摻雜的GaN頂層，并且隨后通過(guò)在外延GaN層和襯底或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的界面上消除摻雜劑或者傳導(dǎo)性，在該未摻雜GaN頂層上均勻地執(zhí)行GaN層的外延生長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^(guò)使用可替換的生長(zhǎng)晶向、截片角度、以及截片方向，可以進(jìn)一步的改善該外延GaN層的質(zhì)量和性能，如在2002年9月10日以Jeffrey S.Flynn等人的姓名頒發(fā)的關(guān)于“METHOD FOR ACHIEVING IMPRODED EPITAXY QUALITY(SURFACE TEXTURE AND DEFECT DENSITY) ON FREE-STANDING(ALUMINUM，INDIUM，GALLIUM)NITRIDE((AL，IN，GA)N)SUBTRATES FOR OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONICDEVICE”的美國(guó)專利No.6,447,604中所描述的，該專利的整體內(nèi)容在此處并入列為參考以用于所有目的。
本發(fā)明在另一方面涉及一種微電子器件，該微電子器件包括(a)具有頂表面的第一傳導(dǎo)GaN界面層，該頂表面的特征在于位錯(cuò)缺陷密度不大于約5×106/cm2；
(b)具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度的第二GaN層，其形成于所述第一傳導(dǎo)GaN基層的頂層上；和(c)至少一個(gè)在所述第一GaN層上的金屬接觸，其形成與該第一GaN層的金屬-半導(dǎo)體結(jié)。
應(yīng)當(dāng)注意，除非另有說(shuō)明，本發(fā)明所使用的術(shù)語(yǔ)“GaN”廣泛地涵蓋任何基于AlxInyGa(1-x-y)N的材料，其包括但不限于，GaN、AlxGa(1-x)N、AlxInyGa1-x-yN、InyGa1-yN等等。
關(guān)于位錯(cuò)缺陷密度的單位指在每平方厘米中測(cè)量的位錯(cuò)缺陷的數(shù)目。
關(guān)于摻雜劑濃度的單位指在每立方厘米中測(cè)量的摻雜劑原子的數(shù)目。
該微電子器件優(yōu)選地是肖特基二極管整流器，其具有肖特基接觸和歐姆接觸。
本發(fā)明的另一方面涉及微電子器件，該器件包括(a)異質(zhì)襯底；(b)覆蓋在所述異質(zhì)襯底上的核化緩沖層；(c)覆蓋在所述核化緩沖層上的第一GaN層，所述第一GaN層具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度；(d)覆蓋在所述第一GaN層上的第二傳導(dǎo)GaN層；(e)覆蓋在所述第二傳導(dǎo)GaN層上的第三GaN層，所述第三GaN層具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度；和(f)至少一個(gè)在所述第三GaN層上的金屬接觸，該金屬接觸形成與該第三GaN層的金屬-半導(dǎo)體結(jié)。
該微電子器件優(yōu)選地也是肖特基二極管整流器，其具有肖特基接觸和歐姆接觸。
本發(fā)明的另一方面涉及一種微電子器件結(jié)構(gòu)，該微電子器件結(jié)構(gòu)具有(a)具有頂表面的、具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層，所述頂表面的特征在于位錯(cuò)缺陷密度不大于約5×106/cm2；(b)具有不大于約1×1015/cm3的摻雜劑濃度的第二GaN層，其形成于所述第一傳導(dǎo)GaN層的頂層上；和(c)具有p型傳導(dǎo)率的第三GaN層，其形成在所述第二GaN層上；和(d)至少一個(gè)覆蓋在所述第三GaN層上的金屬接觸。
該微電子器件結(jié)構(gòu)優(yōu)選地是具有至少兩個(gè)歐姆接觸的P-I-N二極管，其包括一個(gè)p型接觸和一個(gè)n型接觸。
通過(guò)隨后的公開(kāi)內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其他方面、特征和實(shí)施例將變得更加全面地顯而易見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述圖1是預(yù)測(cè)的對(duì)GaN基的整流器的摻雜濃度和厚度要求的圖示。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的GaN基的臺(tái)面肖特基二極管整流器的示意圖。
圖2B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的GaN基的平面肖特基二極管整流器的示意圖。
圖3是關(guān)于圖2A的GaN基的臺(tái)面肖特基二極管整流器的I-V曲線。
圖4示出了圖2A的GaN基的臺(tái)面肖特基二極管整流器電擊穿后的肖特基接觸的掃描電鏡圖。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的不具有異質(zhì)襯底的無(wú)基式GaN基的肖特基整流器。
圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一組GaN基的臺(tái)面肖特基整流器的示意圖。
圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一組GaN基的平面肖特基整流器的示意圖。
圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于形成GaN基的肖特基整流器的氮化物材料中心的32.5X諾曼爾斯基視圖。
圖7B示出了圖7A的用于形成GaN基的肖特基整流器的氮化物材料邊緣的32.5X諾曼爾斯基視圖。
圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于形成GaN基的肖特基整流器的氮化物材料中心的32.5X諾曼爾斯基視圖。
圖8B示出了圖8A的用于形成GaN基的肖特基整流器的氮化物材料邊緣的32.5X諾曼爾斯基視圖。
圖9A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于形成GaN基的肖特基整流器的氮化物材料中心的32.5X諾曼爾斯基視圖。
圖9B示出了圖9A的用于形成GaN基的肖特基整流器的氮化物材料邊緣的32.5X諾曼爾斯基視圖。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的GaN基的臺(tái)面肖特基整流器的示意圖。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的GaN基的P-I-N二極管的示意圖。
圖12示出了關(guān)于圖11的GaN基的P-I-N二極管的I-V曲線。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的無(wú)基式GaN基的P-I-N二極管的示意圖。
發(fā)明詳述及其優(yōu)選實(shí)施例為了制造具有相對(duì)低的擊穿電壓的微電子開(kāi)關(guān)器件(即，＜2kV)，薄的GaN層通過(guò)MOVPE直接淀積在異質(zhì)襯底上，諸如藍(lán)寶石、Si和SiC。盡管事實(shí)是該直接淀積的GaN層是相對(duì)薄的(即，＜10μm)，但是由于異質(zhì)襯底和GaN層之間的熱膨脹差異而引起的GaN層中的應(yīng)力導(dǎo)致了顯著的裂化、孔蝕和缺陷的產(chǎn)生。因此，難于在異質(zhì)襯底上的薄的、傳導(dǎo)GaN層的頂部淀積具有該厚度(即，＜10μm)的低摻雜GaN層，而該GaN層是用于制造具有低于約2kV的擊穿電壓的肖特基整流器。下文的創(chuàng)新的和優(yōu)選的實(shí)施例致力于解決這些限制；在一個(gè)或者多個(gè)界面層上通過(guò)MOVPE形成的傳導(dǎo)GaN基層本發(fā)明提供了形成在異質(zhì)襯底上的具有n型傳導(dǎo)率的傳導(dǎo)GaN基層，該傳導(dǎo)GaN基層具有在其之間的一個(gè)或者多個(gè)界面層，用于減小該傳導(dǎo)GaN基層的缺陷密度。
由于Si或者其他的用作n型摻雜劑的雜質(zhì)可能在異質(zhì)外延生長(zhǎng)過(guò)程中干擾核化和聚結(jié)的過(guò)程，因此在形成傳導(dǎo)GaN基層之前，首先在異質(zhì)襯底上提供含Al的核化緩沖層，用以確保該傳導(dǎo)GaN基層正確地核化。
在形成傳導(dǎo)GaN基層之前，可以將薄的(即，≈0.1μm)、低摻雜的(即摻雜劑濃度不大于1×1016/cm3)GaN層淀積在該核化緩沖層頂部，用以進(jìn)一步地改善核化結(jié)果。
圖6A示出了臺(tái)面型肖特基二極管結(jié)構(gòu)30的一般示圖，該臺(tái)面型肖特基二極管結(jié)構(gòu)30具有在異質(zhì)襯底32上形成的傳導(dǎo)GaN基層34，并且具有核化緩沖層42和在兩者之間的作為界面層的薄的、低摻雜的GaN層44。隨后在傳導(dǎo)GaN基層34上形成厚的、低摻雜的GaN層36，在該GaN層36上具有在其上制造的肖特基接觸38，并且在傳導(dǎo)GaN基層34上制造歐姆接觸39A和39B。
圖6B示出了平面型肖特基二極管結(jié)構(gòu)30’的一般示圖，該平面型肖特基二極管結(jié)構(gòu)30’具有同圖6A所示的臺(tái)面型肖特基二極管30相似的結(jié)構(gòu)，除了該平面肖特基二極管30’的歐姆接觸39A’和39B’直接形成在傳導(dǎo)GaN基層36’上。
對(duì)于如圖6A所示的具有隱藏式接觸的肖特基二極管結(jié)構(gòu)，有利的是具有厚的、傳導(dǎo)GaN層34(其摻雜有Si)，用于獲得高的橫向傳導(dǎo)率和電流分布、低的接觸電阻和良好的歐姆接觸，還用于便于從該結(jié)構(gòu)的頂部蝕刻，用以防止蝕刻工藝中的傳導(dǎo)GaN層34的下沖和過(guò)沖。改善的歐姆接觸和傳導(dǎo)GaN基層34將改善肖特基二極管的I-V特性。例如，通過(guò)降低層34中的電阻率或者接觸電阻來(lái)增加正向?qū)娮?正向I-V曲線的斜率)。通過(guò)修正傳導(dǎo)基層34的區(qū)域使其同低摻雜GaN層36最接近，還獲得了該器件中的其他優(yōu)點(diǎn)。例如，可以設(shè)計(jì)低摻雜層36附近的摻雜水平，用以產(chǎn)生低摻雜GaN層36中的所需的耗盡。而且，可以修改低摻雜層的質(zhì)量、摻雜水平和缺陷密度用以改善該肖特基二極管的反向I-V特性，包括擊穿電壓和漏電流。
下面的肖特基二極管的示例證明了層厚度和摻雜劑濃度對(duì)該二極管的質(zhì)量的影響，其中該肖特基二極管具有如圖6A中所示的一般結(jié)構(gòu)，但是改變了層厚度和摻雜劑濃度。
結(jié)構(gòu)A層(1)-2.5μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(2)-2.0μm摻雜Si的傳導(dǎo)GaN(3×1019/cm3)層(3)-0.1μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(4)-核化緩沖層(5)-藍(lán)寶石襯底該肖特基二極管結(jié)構(gòu)A呈現(xiàn)了高的孔蝕和裂化密度。
結(jié)構(gòu)B層(1)-2.5μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)
層(2)-1.0μm摻雜Si的傳導(dǎo)GaN(1×1019/cm3)層(3)-0.1μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(4)-核化緩沖層(5)-藍(lán)寶石襯底同結(jié)構(gòu)A的結(jié)構(gòu)相比，該肖特基二極管結(jié)構(gòu)B具有的傳導(dǎo)GaN層具有減少的厚度和摻雜劑濃度。在該肖特基二極管結(jié)構(gòu)B中仍然觀察到了嚴(yán)重的裂化和孔蝕，如圖7A和7B所示。
結(jié)構(gòu)C層(1)-2.5μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(2)-2.0μm摻雜Si的傳導(dǎo)GaN(1.5×1019/cm3)層(3)-0.6μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(4)-核化緩沖層(5)-藍(lán)寶石襯底同結(jié)構(gòu)A的結(jié)構(gòu)相比，該肖特基二極管結(jié)構(gòu)C具有的未摻雜或者低摻雜的GaN界面層在傳導(dǎo)GaN層下具有增加的厚度。在該肖特基二極管結(jié)構(gòu)C中觀察到了減少的孔蝕密度，如圖8A和8B所示。
結(jié)構(gòu)D層(1)-2.5μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(2)-0.5μm摻雜Si的傳導(dǎo)GaN(1.5×1019/cm3)層(3)-0.6μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(4)-核化緩沖層(5)-藍(lán)寶石襯底同結(jié)構(gòu)A的結(jié)構(gòu)相比，該肖特基二極管結(jié)構(gòu)D具有的傳導(dǎo)GaN層具有減少的厚度和摻雜劑濃度，以及在傳導(dǎo)GaN層下具有增加的厚度的未摻雜或者低摻雜的GaN界面層。在該肖特基二極管結(jié)構(gòu)D中沒(méi)有觀察到明顯的裂化或孔蝕，如圖9A和9B所示。
可以設(shè)計(jì)下文所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)E用以提供減少的裂化和孔蝕質(zhì)量，同時(shí)仍然保持低的器件電阻率。
結(jié)構(gòu)E層(1)-2.5μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(2)-0.1μm摻雜Si的傳導(dǎo)GaN子層(1.5×1019/cm3)層(3)-1.9μm摻雜Si的傳導(dǎo)GaN子層(2×1018/cm3)層(4)-0.6μm未摻雜GaN(或者很少的不大于1×1016/cm3的n型摻雜劑濃度)層(5)-核化緩沖層(6)-藍(lán)寶石襯底該結(jié)構(gòu)E示意性地示出在圖10中(如其中的結(jié)構(gòu)50)，其包括具有較小厚度和較高摻雜劑濃度的第一傳導(dǎo)GaN子層54A，該第一傳導(dǎo)GaN子層54A與形成接觸的未摻雜或者低摻雜的GaN層56相鄰，該結(jié)構(gòu)E還包括具有較大厚度和較低摻雜劑濃度的第二傳導(dǎo)GaN子層54B，該第二傳導(dǎo)GaN子層54B與界面的未摻雜或者低摻雜的GaN層44相鄰。該肖特基二極管結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出36ohm/square的表面電阻，接近于結(jié)構(gòu)A的14ohm/square的表面電阻。在不明顯增加裂化或孔蝕密度的前提下，可以對(duì)傳導(dǎo)GaN子層以及界面的未摻雜或者低摻雜的GaN層進(jìn)行關(guān)于其厚度和摻雜水平的進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到14ohm/square。
通常，在傳導(dǎo)GaN基層下放置厚的、未摻雜或者低摻雜的GaN界面層減少了整個(gè)結(jié)構(gòu)中的裂化和孔蝕。還可以使用其他的界面層或者合金用于緩解應(yīng)力或者緩解熱膨脹系數(shù)(TCE)，用以進(jìn)一步地減輕在肖特基二極管結(jié)構(gòu)中形成的裂化和孔蝕，并且進(jìn)一步地用以提高器件質(zhì)量。
在上文列出的示例性結(jié)構(gòu)中，用Si摻雜具有n型傳導(dǎo)率的傳導(dǎo)GaN基層?？商鎿Q地，可以鍺(Ge)或者具有同AlInGaN原子相似的原子尺寸的其他n型摻雜劑進(jìn)行摻雜，用以賦予經(jīng)修改的彈性、應(yīng)力或者TCE效果。
還可以將Delta摻雜結(jié)合到摻雜層中，用于提供低平均電阻率材料的層疊，如同圖10中的肖特基二極管結(jié)構(gòu)50的傳導(dǎo)子層54A和54B中所使用的，在2002年3月25日以Jeffrey S.Flynn和George R.Brandes的姓名關(guān)于“DOPED GROUP III-V NITRIDE MATERIALS，ANDMICROELECTRONIC DEVICES AND DEVICE PRECURSORSTRUCTURE COMPRISING SAME”提交的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/107,001中更加全面地描述該Delta摻雜，其整體公開(kāi)內(nèi)容在此處并入列為參考。
通過(guò)HVPE形成的傳導(dǎo)GaN基層例如，我們通過(guò)氫化物氣相外延(HVPE)直接在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)大約10μm厚的GaN層，該GaN層隨后被用于形成GaN基的肖特基二極管，如圖2A和2B所示意性地示出的。由于熱膨脹系數(shù)的差異減小、更厚的并且更加嚴(yán)重的位錯(cuò)緩沖、以及其他導(dǎo)致外延層中整體應(yīng)力下降的界面缺陷，使得相比于MOVPE，通過(guò)HVPE可以獲得更大的厚度。
圖2A中的GaN基的臺(tái)面型肖特基二極管10包括藍(lán)寶石襯底12，具有n型傳導(dǎo)率的易導(dǎo)GaN層14出現(xiàn)在GaN/藍(lán)寶石界面，在該易導(dǎo)GaN層14上制造了具有低摻雜劑濃度(≈1×1016/cm3)的大約10μm的GaN層16。金被用于形成肖特基接觸18，并且Ti/Al/Ni/Au被用于形成歐姆接觸19A和19B。在圖3中示出了關(guān)于該GaN基的臺(tái)面型肖特基二極管的I-V曲線。該GaN基的臺(tái)面型肖特基二極管的反向擊穿電壓被測(cè)量約為450V。圖4示出了圖2A中的GaN基的臺(tái)面型肖特基二極管的肖特基接觸18在電擊穿后的掃描電鏡視圖。在邊緣的熔化的Au指出了過(guò)早的邊緣擊穿，在沒(méi)有鈍化或者使用保護(hù)環(huán)或者相似步驟的情況下，其限制了該肖特基二極管的整體的反向擊穿電壓。
圖2B示出了GaN基的平面型肖特基二極管10’，其具有同圖2A所示的臺(tái)面二極管10相似的結(jié)構(gòu)，除了該平面肖特基二極管10’的歐姆接觸19A’和19B’形成在具有低摻雜劑濃度的10μm的GaN層16’上，而不是在易導(dǎo)GaN層14’上。
因此，在圖2A和2B中示出的GaN基的肖特基二極管僅適用于相對(duì)低的電壓(即，＜2kV)下的開(kāi)關(guān)應(yīng)用。然而，許多工業(yè)開(kāi)關(guān)應(yīng)用需要開(kāi)關(guān)器件工作于較高的電壓(≥2kV)。因此本發(fā)明的另一目的在于提供具有高于約2kV的擊穿電壓的GaN基的肖特基二極管。
為了提供高壓GaN基的開(kāi)關(guān)器件，有必要提供具有增加的厚度和較低的摻雜劑濃度的GaN層，如圖1的預(yù)測(cè)曲線所示。對(duì)于通過(guò)MOVPE生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上的GaN層而言，晶格失配和異質(zhì)襯底同在其上生長(zhǎng)的GaN層之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致了具有高應(yīng)力水平的該GaN層中的高的位錯(cuò)缺陷密度。在基本上增加該GaN層的厚度時(shí)，應(yīng)力可能引起該GaN層中的嚴(yán)重的裂化，使其不適用于器件制造。
本發(fā)明還提供了新的肖特基二極管結(jié)構(gòu)，其包括傳導(dǎo)GaN基層，該傳導(dǎo)GaN基層具有非常低的位錯(cuò)缺陷密度(即，≤5×106/cm2)的頂表面，在該GaN基層上可以生長(zhǎng)具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度的低摻雜GaN層。由于傳導(dǎo)GaN層的頂表面具有低的位錯(cuò)缺陷密度，因此在其上的應(yīng)力松弛的、低摻雜的GaN層可以生長(zhǎng)到足夠的厚度(即，≥10μm)而不會(huì)裂化，該GaN層隨后可被用于制造具有高擊穿電壓的開(kāi)關(guān)器件。
無(wú)基式傳導(dǎo)GaN基層通過(guò)氫化物氣相外延(HVPE)，在降低的生長(zhǎng)溫度下(即，從約985℃到約1010℃)，具有低位錯(cuò)缺陷密度(即，≤5×106/cm2)的厚的、傳導(dǎo)GaN層可以首先生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上(諸如藍(lán)寶石、Si、或者SiC)。在該降低的HVPE生長(zhǎng)溫度下，GaN層承受了較少的由異質(zhì)襯底和GaN層之間的熱膨脹系數(shù)差異而引起的應(yīng)力，這導(dǎo)致了減小的位錯(cuò)缺陷密度，如在2002年8月27日頒發(fā)的關(guān)于“LOW DEFECTDENSITY(Ga，Al，In)N AND HVPE PROCESS FOR MAKING SAME”的美國(guó)專利No.6,440,823中描述的，該專利的整體內(nèi)容在此處并入列為參考用于所有目的。該降低的HVPE生長(zhǎng)溫度還增加了這樣形成的GaN層的n型傳導(dǎo)率，并且因此可被用于形成具有n型傳導(dǎo)率的傳導(dǎo)GaN層。具有低位錯(cuò)缺陷密度的厚的、傳導(dǎo)GaN層可以從異質(zhì)襯底上分離，用以形成無(wú)基式傳導(dǎo)GaN基層。
而且，可以通過(guò)在2000年9月10日以Jeffey S.Flynn等人的姓名頒發(fā)的關(guān)于“METHOD FOR ACHIEVING IMPRODED EPITAXYQUALITY(SURFACE TEXTURE AND DEFECT DENSITY)ON FREE-STANDING(ALUMINUM，INDIUM，GALLIUM)NITRIDE((AL，IN，GA)N)SUBTRATES FOR OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONICDEVICE”的美國(guó)專利No.6,447,604中描述的多種技術(shù)來(lái)進(jìn)一步地改善該傳導(dǎo)GaN層的外延質(zhì)量，該專利的整體內(nèi)容在此處并入列為參考用于所有目的。優(yōu)選地，使用低溫界面層、可替換的晶體晶向(例如，m平面、r平面、c平面)、以及多種截片角度和方向來(lái)修改晶體生長(zhǎng)質(zhì)量，消除缺陷，修改點(diǎn)缺陷密度，修改雜質(zhì)摻入，改變晶體極性，修改晶體遷移率，增加擊穿電壓，減小漏電流等等，如專利6,447,604中所述，用以進(jìn)一步地改善該傳導(dǎo)GaN層的外延質(zhì)量和高擊穿電壓器件的性能。
無(wú)基式GaN襯底可以有效地用于提供初始的未摻雜GaN層，然后可以在MOVPE生長(zhǎng)工藝中繼續(xù)生長(zhǎng)該初始的GaN層，用于進(jìn)一步地增加厚度，減小位錯(cuò)密度，并且改善擊穿電壓。為了通過(guò)MOVPE繼續(xù)生長(zhǎng)該未摻雜的GaN層，重要的是，通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂埔r底的清洗、加熱條件和襯底上的核化，在生長(zhǎng)界面減少電活性的雜質(zhì)和缺陷，如專利6,447,604中所述。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓肖特基整流器20的示意圖。該肖特基整流器20包括無(wú)基式的傳導(dǎo)GaN基層22，該傳導(dǎo)GaN基層22具有大于約50μm的厚度并且具有頂表面，該頂表面的特征在于不大于約5×106/cm2的低的位錯(cuò)缺陷密度。低摻雜的GaN層24生長(zhǎng)在該傳導(dǎo)GaN基層22上，該低摻雜的GaN層24的特征在于不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度和大于約10μm的厚度。該肖特基整流器20不具有任何異質(zhì)襯底，因此可以在低摻雜的GaN層24的一側(cè)形成肖特基接觸26，并且可以在無(wú)基式的、傳導(dǎo)GaN基層22的相對(duì)側(cè)上形成歐姆接觸28。
GaN基的P-N和P-I-N二極管結(jié)構(gòu)具有高擊穿電壓的GaN基的P-N和P-I-N二極管也受到高功率器件應(yīng)用的關(guān)注。制造具有高擊穿電壓的P-N或P-I-N結(jié)的能力是發(fā)展諸如可控硅整流器和IMPATT的功率器件的關(guān)鍵步驟。
本發(fā)明在一個(gè)方面提供了具有約320V和450V擊穿電壓的GaNP-I-N二極管，通過(guò)在HVPE GaN層上使用MOVPE生長(zhǎng)GaN基的P和I層制造了該二極管，其中該HVPE GaN層具有在外延層/襯底界面附近的易導(dǎo)n型GaN層。本發(fā)明還考慮了可替換的包括AlGaN P-I-N結(jié)構(gòu)的P-N和P-I-N結(jié)構(gòu)，并且考慮了使用GaN作為用于外延和器件的襯底材料。
在圖11中示出了示意性的GaN P-I-N二極管結(jié)構(gòu)，其包括通過(guò)HVPE生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底72上的具有n型傳導(dǎo)率的大約10μm厚的GaN層。該n型GaN層可以被視為進(jìn)一步包括更易導(dǎo)的2μm GaN子層74和較不易導(dǎo)的具有約1×1016/cm3的傳導(dǎo)率的8μm GaN子層76，其起到N結(jié)的作用。隨后，在GaN子層76上通過(guò)MOVPE，在導(dǎo)致本底摻雜劑濃度小于1×1015/cm3的條件下，生長(zhǎng)了大約0.5μm的低摻雜的GaN層77，其起到I結(jié)的作用。在低摻雜GaN層77上通過(guò)MOVPE，在導(dǎo)致空穴濃度約為1×1017/cm3的條件下，生長(zhǎng)了大約0.5μm的P型GaN層78，其起到P結(jié)的作用。隨后形成P型歐姆接觸79A和n型歐姆接觸79B和79C，用以提供完整的P-I-N二極管。
通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻形成該類(lèi)型的P-I-N二極管結(jié)構(gòu)，用以提供如圖11所示的臺(tái)面結(jié)構(gòu)和用于提供P型和n型歐姆接觸標(biāo)準(zhǔn)的金屬化程序。在圖12示出了關(guān)于該P(yáng)-I-N二極管結(jié)構(gòu)的I-V曲線。在該P(yáng)-I-N器件中量得了大約320V的擊穿電壓。在具有相似結(jié)構(gòu)的另一P-I-N二極管中獲得了450V的擊穿電壓。在這兩種情況中，器件在拐角和邊緣處呈現(xiàn)了過(guò)早的擊穿，說(shuō)明了器件不受材料質(zhì)量的限制，而是受到器件設(shè)計(jì)的限制。
可以使用改善的邊緣末端和較厚的I層制造具有較高擊穿電壓的P-N或者P-I-N二極管。P-I-N結(jié)構(gòu)中的GaN層的厚度受到應(yīng)力引入的裂化的限制，當(dāng)該GaN層的厚度變得大于約10μm時(shí)，生長(zhǎng)在諸如藍(lán)寶石襯底的異質(zhì)襯底上的GaN層中已觀察到該應(yīng)力引入的裂化，如上文涉及GaN基的肖特基二極管結(jié)構(gòu)的部分中所描述的。所述用于肖特基二極管結(jié)構(gòu)的無(wú)基式的、低位錯(cuò)缺陷密度的GaN層還可以用于制造高壓P-N或者P-I-N二極管結(jié)構(gòu)。
具體地，在2002年8月27日頒發(fā)的關(guān)于“LOW DEFECTDENSITY(Ga，Al，In)N AND HVPE PROCESS FOR MAKING SAME”的美國(guó)專利No.6,440,823、在1997年10月21以Michael A.Tischler、Thomas F.Kuech和Robert P.Vaudo的姓名提交的關(guān)于“BULK SINGLECRY STAL GALLIUM NITRIDE AND METHOD OF MAKING THESAME”共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)No.08/955,168和在1997年10月21日頒發(fā)的美國(guó)專利5,679,152；在1997年12月3日提交的美國(guó)申請(qǐng)No.08/984,473；在1996年12月3日以Robert P.Vaudo、Joan M.Redwing、Michael A.Tischler和Duncan W.Brown的姓名提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/031,555中，公開(kāi)了用于產(chǎn)生低位錯(cuò)缺陷密度的、無(wú)基式GaN襯底的技術(shù)。
在圖13中示出了本發(fā)明的高壓P-I-N結(jié)構(gòu)80的示意圖，其包括通過(guò)具有n型傳導(dǎo)率的無(wú)基式的、傳導(dǎo)GaN基層86形成的N結(jié)，其特征在于不大于5×106/cm2的位錯(cuò)缺陷密度和大于約50μm的優(yōu)選厚度。通過(guò)與上文所述的用于肖特基二極管結(jié)構(gòu)的方法相似的方法，形成了該低位錯(cuò)缺陷密度的、無(wú)基式的GaN基層。在該傳導(dǎo)GaN基層86上形成了包括厚的低摻雜GaN層87的I結(jié)，其中GaN層87具有不大于1×1015/cm3的摻雜劑濃度。在低摻雜GaN層87形成之前或之后可以從異質(zhì)襯底上去除形成于該異質(zhì)襯底上的GaN基層86。由于傳導(dǎo)GaN基層86具有低的位錯(cuò)缺陷密度，所以于其上形成的低摻雜GaN層87可以生長(zhǎng)到足夠的厚度，即，大于10μm，用于增加P-I-N結(jié)構(gòu)80的整體擊穿電壓。隨后可以在低摻雜GaN層87上形成包括具有p型傳導(dǎo)率和大于0.25μm厚度的GaN層88的P結(jié)。
在P型GaN層88上可以形成p型歐姆接觸89A，而且在N型傳導(dǎo)GaN基層86上可以形成n型歐姆接觸89B，并且I層87的厚度可以擴(kuò)展至厚度＞10μm，用于增加擊穿電壓。如圖13中所示的縱向結(jié)構(gòu)是有利的，這是因?yàn)橄啾扔趫D11中所示的橫向器件，其最小化了擁擠于n型層中的電流。N型傳導(dǎo)GaN層86減少的位錯(cuò)缺陷密度還導(dǎo)致了器件中的減小的漏電流。
還可以制造包括(Al、Ga)N或者(Al、Ga、In)N合金的P-I-N二極管結(jié)構(gòu)。例如，具有比GaN寬的帶隙的(Al、Ga)N的使用可以導(dǎo)致更高的擊穿電壓和在器件結(jié)構(gòu)中使用較薄的、低摻雜層的能力。
本發(fā)明中描述的P-N和P-I-N二極管技術(shù)可以用于制造更復(fù)雜的雙極型GaN基的功率器件，諸如可控硅整流器(p-n-p-n)和IMPATT(n+-p-I-p+)。
盡管通過(guò)參考說(shuō)明性的實(shí)施例和特征已經(jīng)在本文中以不同方式公開(kāi)了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本文中所描述的實(shí)施例和特征的目的不在于限制本發(fā)明，并且對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以提出其他的變化、修改和其他的實(shí)施例。因此本發(fā)明被廣泛地解釋，與下文中陳述的權(quán)利要求相一致。
權(quán)利要求
1.一種微電子器件結(jié)構(gòu)，包括(a)具有頂表面的第一傳導(dǎo)GaN基層，所述頂表面的特征在于位錯(cuò)缺陷密度不大于約5×106/cm2；(b)具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度的第二GaN層，其形成于所述傳導(dǎo)GaN基層的頂層上；和(c)至少一個(gè)在所述第一GaN層上的金屬接觸，其形成與該第一GaN層的金屬-半導(dǎo)體結(jié)。
2.權(quán)利要求1的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一傳導(dǎo)GaN基層包括無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求2的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)通過(guò)下列步驟形成，包括(1)在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)；和(2)從異質(zhì)襯底上移除所述GaN結(jié)構(gòu)，用以形成所述無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)。
4.權(quán)利要求3的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)氫化物氣相外延在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)所述第一傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)，其中在異質(zhì)襯底上形成第二GaN層之前，通過(guò)分離來(lái)從該異質(zhì)襯底上移除所述第一傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)，并且其中通過(guò)氫化物氣相外延或者金屬-有機(jī)氣相外延在所述第一傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)上形成第二GaN層。
5.權(quán)利要求3的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)氫化物氣相外延在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)所述第一傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)，其中在異質(zhì)襯底上形成第一GaN層之前，通過(guò)分離來(lái)從該異質(zhì)襯底上移除所述第一傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)，并且其中通過(guò)氫化物氣相外延在所述傳導(dǎo)GaN結(jié)構(gòu)上形成第二GaN層。
6.權(quán)利要求2的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一傳導(dǎo)GaN基層厚度大于約50μm，并且其中所述第二GaN層厚度大于約10μm。
7.權(quán)利要求2的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第一金屬接觸與所述第二GaN層形成有肖特基接觸，并且其中第二金屬接觸與所述第一傳導(dǎo)GaN基層形成有歐姆接觸。
8.權(quán)利要求6的微電子器件結(jié)構(gòu)，具有大于2000V的擊穿電壓。
9.權(quán)利要求1的微電子器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括藍(lán)寶石襯底，其中在所述藍(lán)寶石襯底上通過(guò)氫化物氣相外延(HVPE)形成所述第一傳導(dǎo)GaN基層，并且其中所述藍(lán)寶石襯底和所述第一傳導(dǎo)GaN基層形成HVPE/藍(lán)寶石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
10.權(quán)利要求1的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第二GaN層摻雜有鍺。
11.權(quán)利要求1的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一傳導(dǎo)GaN基層的頂表面是未摻雜的，并且其中通過(guò)在第二GaN層和第一傳導(dǎo)GaN基層的未摻雜頂表面的界面處消除摻雜劑或者傳導(dǎo)率，隨后在所述第一傳導(dǎo)GaN基層的頂表面上均勻地生長(zhǎng)第二GaN層。
12.一種微電子器件結(jié)構(gòu)，包括(a)異質(zhì)襯底；(b)覆蓋在所述異質(zhì)襯底上的核化緩沖層；(c)覆蓋在所述核化緩沖層上的第一GaN層，所述第一GaN層具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度；(d)覆蓋在所述第一GaN層上的第二傳導(dǎo)GaN層；(e)覆蓋在所述第二傳導(dǎo)GaN層上的第三GaN層，所述第三GaN層具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度；和(f)至少一個(gè)在所述第三GaN層上的金屬接觸，所述金屬接觸形成與該第三GaN層的金屬-半導(dǎo)體結(jié)。
13.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述異質(zhì)襯底包括選自包括藍(lán)寶石、Si和SiC的組中的材料。
14.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述異質(zhì)襯底包括藍(lán)寶石。
15.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第三GaN層的厚度小于10μm。
16.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第三GaN層的厚度小于20μm。
17.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第三GaN層的厚度小于50μm。
18.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第二傳導(dǎo)GaN層摻雜有減小應(yīng)力的摻雜劑。
19.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第二傳導(dǎo)GaN層摻雜有鍺。
20.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一GaN層具有約0.6μm的厚度，其中第二傳導(dǎo)GaN層具有約2.0μm的厚度和約1.5×1019/cm3的摻雜劑濃度，并且其中第三GaN層具有至少約2.5μm的厚度。
21.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第一GaN層具有約0.6μm的厚度，其中第二傳導(dǎo)GaN層具有約0.5μm的厚度和約1.5×1019/cm3的摻雜劑濃度，并且其中第三GaN層具有至少約2.5μm的厚度。
22.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第二傳導(dǎo)GaN層包括具有第一摻雜劑濃度的第一傳導(dǎo)GaN子層和具有第二摻雜劑濃度的第二傳導(dǎo)GaN子層，其中所述第一傳導(dǎo)GaN子層與第一GaN層相鄰，其中所述第二傳導(dǎo)GaN子層與所述第三GaN層相鄰，并且其中所述第一摻雜劑濃度低于所述第二摻雜劑濃度。
23.權(quán)利要求22的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一GaN層具有約0.6μm的厚度，其中所述第一傳導(dǎo)GaN子層具有約1.9μm的厚度和約2.0×1018/cm3的摻雜劑濃度，其中所述第二傳導(dǎo)GaN子層具有約0.1μm的厚度和約1.5×1019/cm3的摻雜劑濃度，并且其中第三GaN層具有至少約2.5μm的厚度。
24.一種微電子器件結(jié)構(gòu)，包括(a)具有頂表面的具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層，所述頂表面的特征在于位錯(cuò)缺陷密度不大于約5×106/cm2；(b)具有不大于約1×1015/cm3的摻雜劑濃度的第二GaN層，其形成于所述第一GaN層上；和(c)具有p型傳導(dǎo)率的第三GaN層，其形成在所述第二GaN層上；和(d)至少一個(gè)覆蓋在所述第三GaN層上的金屬接觸。
25.權(quán)利要求24的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一GaN層包括無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)。
26.權(quán)利要求24的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)通過(guò)下列步驟形成，包括(1)在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)具有n型傳導(dǎo)率的GaN結(jié)構(gòu)；和(2)從該異質(zhì)襯底上移除所述具有n型傳導(dǎo)率的GaN結(jié)構(gòu)，用以形成所述無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)。
27.權(quán)利要求26的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中在異質(zhì)襯底上通過(guò)氫化物氣相外延生長(zhǎng)所述具有n型傳導(dǎo)率的GaN結(jié)構(gòu)，其中在異質(zhì)襯底上形成第二GaN層之前，通過(guò)分離技術(shù)從該異質(zhì)襯底上移除所述具有n型傳導(dǎo)率的GaN結(jié)構(gòu)，并且其中在無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)上通過(guò)氫化物氣相外延或者金屬-有機(jī)氣相外延形成第二GaN層。
28.權(quán)利要求26的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中在異質(zhì)襯底上通過(guò)氫化物氣相外延生長(zhǎng)所述具有n型傳導(dǎo)率的GaN結(jié)構(gòu)，其中在異質(zhì)襯底上形成第二GaN層之后，通過(guò)分離來(lái)從該異質(zhì)襯底上移除所述具有n型傳導(dǎo)率的GaN結(jié)構(gòu)，并且其中在無(wú)基式GaN結(jié)構(gòu)上通過(guò)氫化物氣相外延形成第二GaN層。
29.權(quán)利要求25的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層的厚度大于約50μm，其中所述第二GaN層的厚度大于約10μm，并且其中具有p型傳導(dǎo)率的第三GaN層的厚度大于約0.25μm。
30.權(quán)利要求24的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第一金屬接觸與所述具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層形成有第一歐姆接觸，并且其中第二金屬接觸與所述具有p型傳導(dǎo)率的第三GaN層形成有第二歐姆接觸。
31.權(quán)利要求24的微電子器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括藍(lán)寶石襯底，其中在所述藍(lán)寶石襯底上通過(guò)氫化物氣相外延(HVPE)形成所述具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層，并且其中所述藍(lán)寶石襯底和所述具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層形成HVPE/藍(lán)寶石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
32.權(quán)利要求24的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第二GaN層摻雜有鍺。
33.權(quán)利要求24的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層的頂表面是未摻雜的，并且其中通過(guò)在第二GaN層和具有n型傳導(dǎo)率的第一GaN層的未摻雜頂表面的界面處消除摻雜劑或者傳導(dǎo)率，隨后在所述第一GaN層的頂表面上均勻地生長(zhǎng)第二GaN層。
34.一種微電子器件結(jié)構(gòu)，包括(a)異質(zhì)襯底；(b)覆蓋在所述異質(zhì)襯底上的核化緩沖層；(c)覆蓋在所述核化緩沖層上的第一GaN層，所述第一GaN層具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度；(d)覆蓋在所述第一GaN層上的具有n型傳導(dǎo)率的第二GaN層；(e)覆蓋在所述具有n型傳導(dǎo)率的第二GaN層上的第三GaN層，所述第三GaN層具有不大于約1×1016/cm3的摻雜劑濃度；和(f)在所述第三GaN層上形成的具有p型傳導(dǎo)率的第四GaN層；和(g)至少一個(gè)覆蓋在所述第四GaN層上的金屬接觸。
35.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述異質(zhì)襯底包括選自包括藍(lán)寶石、Si和SiC的組中的材料。
36.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述異質(zhì)襯底包括藍(lán)寶石。
37.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第三GaN層的厚度小于10μm。
38.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第三GaN層的厚度小于20μm。
39.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第三GaN層的厚度小于50μm。
40.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中具有n型傳導(dǎo)率的第二GaN層摻雜有減小應(yīng)力的摻雜劑。
41.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中具有n型傳導(dǎo)率的第二GaN層摻雜有鍺。
42.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第一GaN層具有約0.6μm的厚度，其中具有n型傳導(dǎo)率的第二GaN層具有約2.0μm的厚度和約1.5×1019/cm3的摻雜劑濃度，并且其中第三GaN層具有至少約2.5μm的厚度。
43.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中第一GaN層具有約0.6μm的厚度，其中具有n型傳導(dǎo)率的第二傳導(dǎo)GaN層具有約0.5μm的厚度和約1.5×1019/cm3的摻雜劑濃度，并且其中第三GaN層具有至少約2.5μm的厚度。
44.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述具有n型傳導(dǎo)率的第二GaN層包括具有第一摻雜劑濃度的第一傳導(dǎo)GaN子層和具有第二摻雜劑濃度的第二傳導(dǎo)GaN子層，其中所述第一傳導(dǎo)GaN子層與第一GaN層相鄰，其中所述第二傳導(dǎo)GaN子層與所述第三GaN層相鄰，并且其中所述第一摻雜劑濃度低于所述第二摻雜劑濃度。
45.權(quán)利要求34的微電子器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一GaN層具有約0.6μm的厚度，其中所述第一傳導(dǎo)GaN子層具有約1.9μm的厚度和約2.0×1018/cm3的摻雜劑濃度，其中所述第二傳導(dǎo)GaN子層具有約0.1μm的厚度和約1.5×1019/cm3的摻雜劑濃度，并且其中第三GaN層具有至少約2.5μm的厚度。
46.權(quán)利要求1的微電子器件結(jié)構(gòu)，包括選擇自包含臺(tái)面型肖特基二極管和平面型肖特基二極管的組中的肖特基二極管。
47.權(quán)利要求12的微電子器件結(jié)構(gòu)，包括選擇自包含臺(tái)面型肖特基二極管和平面型肖特基二極管的組中的肖特基二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及多種開(kāi)關(guān)器件結(jié)構(gòu)，包括肖特基二極管(10)、P－N二極管和P－I－N二極管，其特征在于低的缺陷密度、低的裂化密度、低的孔蝕密度和在傳導(dǎo)GaN層(14)上生長(zhǎng)的具有低摻雜劑濃度(＜1E16cm－3)的足夠厚度(＞2.5μm)的GaN層(16)。該器件基本上能夠在異質(zhì)外延襯底上獲得較高的擊穿電壓(＜2kV)，并且能夠在同質(zhì)外延襯底上獲得極高的擊穿電壓(＞2kV)。
文檔編號(hào)C30B25/02GK1656616SQ03809754
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者杰弗里·S·弗林, 喬治·R·布蘭德斯, 羅伯特·P·沃多 申請(qǐng)人:克利公司