功率半导体器件及其制备方法与流程
1.本公开涉及半导体电力电子领域，特别涉及一种功率半导体器件及其制备方法。
背景技术：
2.功率半导体器件为电力电子器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。
3.在相关技术中，功率半导体器件主要包括外延片、阳电极和阴电极，阳电极和阴电极均与外延片相连。
4.然而，在功率半导体器件中容易出现电场分布不均匀的问题，进而导致阳电极和阴电极处出现电流拥堵。
技术实现要素：
5.本公开实施例提供了一种功率半导体器件的外延片及其制备方法，能够改善电场分布，提高可靠性。所述技术方案如下：
6.一方面，本公开实施例提供了一种功率半导体器件，该功率半导体器件包括外延片、阳电极和阴电极；
7.所述外延片包括衬底和依次形成在所述衬底上的缓冲层、gan层、algan层、gan帽层和sin保护层；
8.所述阳电极和所述阴电极相互间隔，所述阳电极和所述阴电极均嵌入所述algan层和gan帽层内，所述阳电极包括在外延生长方向上依次叠设的gan部和肖特基金属电极部，所述阴电极包括在外延生长方向上依次叠设的重掺n型gan部和欧姆金属电极部。
9.在本公开的一种实现方式中，所述gan部位于所述algan层内；
10.所述肖特基金属电极部一部分位于所述algan层内，另一部分位于所述gan帽层内。
11.在本公开的一种实现方式中，所述gan部与所述gan层相互间隔，所述gan部靠近所述gan层的一侧，与所述algan层靠近所述gan帽层的一侧的间距为1nm-15nm。
12.在本公开的一种实现方式中，在所述肖特基金属电极部至所述gan部的方向上，所述阳电极朝向所述阴电极的一侧，朝向所述阴电极倾斜。
13.在本公开的一种实现方式中，所述重掺n型gan部位于所述algan层内；
14.所述欧姆金属电极部一部分位于所述algan层内，另一部分位于所述gan帽层内。
15.在本公开的一种实现方式中，所述重掺n型gan部与所述gan层接触。
16.在本公开的一种实现方式中，在所述欧姆金属电极部至所述重掺n型gan部的方向上，所述阴电极朝向所述阳电极的一侧，朝向所述阳电极倾斜。
17.另一方面，本公开实施例还提供了一种功率半导体器件的制备方法，所述制备方法包括：
18.提供一衬底；
19.在所述衬底上依次外延生长缓冲层、gan层、algan层、gan帽层和sin保护层；
20.提供一阳电极，将所述阳电极嵌入所述algan层和gan帽层内，使得阳电极的gan部和肖特基金属电极部在外延生长方向上依次叠设；
21.提供一阴电极，将所述阴电极嵌入所述algan层和gan帽层内，使得阴电极的重掺n型gan部和欧姆金属电极部在外延生长方向上依次叠设。
22.在本公开的一种实现方式中，所述algan层和所述gan帽层周期性交替层叠生长，所述algan层和所述gan帽层的交替周期数为1-6。
23.在本公开的一种实现方式中，所述algan层的al摩尔含量为0.07-0.30，所述algan层的厚度为10nm-40nm；
24.所述gan帽层的厚度为5nm-30nm。
25.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
26.由于所述阳电极和所述阴电极均嵌入所述algan层和gan帽层内，嵌入式的电极能够改善载流子传输行为。并且，由于阴电极包括重掺n型gan部和欧姆金属电极部，所以能够利用重掺n型gan部作为中介，实现欧姆金属电极部与外延片之间的良好欧姆接触。并且，由于阳电极包括gan部和肖特基金属电极部，而gan部具有较高的功函数，其与肖特基金属电极部之间难以形成欧姆接触，所以不仅提高了势垒，还能够避免阳电极处的电场集中，防止出现局部击穿。另外，由于外延片包括gan帽层和sin保护层，所以能够使得外延片能够免受表面吸附及界面性状变化造成漏电，进一步地提高了功率半导体器件的可靠性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的结构示意图；
29.图2是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备方法的流程图；
30.图3是本公开实施例提供的另一种功率半导体器件的制备方法的流程图；
31.图4是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备过程示意图；
32.图5是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备过程示意图；
33.图6是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备过程示意图；
34.图7是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备过程示意图；
35.图8是本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备过程示意图。
36.图中示例如下：
37.10、外延片；
38.110、衬底；120、缓冲层；130、gan层；140、algan层；150、gan帽层；160、sin保护层；
39.20、阳电极；
40.210、gan部；220、肖特基金属电极部；
41.30、阴电极；
42.310、重掺n型gan部；320、欧姆金属电极部。
具体实施方式
43.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
44.功率半导体器件为电力电子器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。
45.现阶段随着尺寸的减小和物理特性的限制硅器件达到了它的物理极限为了继续提升器件性能，必须开发新材料。宽带隙材料如sic、gan、aln和金刚石在高密度功率和高温度适用性的优势吸引了业界的广泛关注。sic基的功率器件已经在高电压和高功率器件得到商用。在这些宽带隙材料中gan材料的电子迁移率高于sic，击穿电场强度高于si，gan基器件有望满足先进功率器件系统的需求，包括射频和功率转换设备应用中。
46.功率二极管是功率转换及功率转换中逆变器的重要部件，由于gan优异的物理化学性质，gan基功率二极管能显著提升转换效率，降低能力损失。2000年以来gan基整流器成为学者研究的热点领域，由于缺少少子的积累和较低的势垒高度，gan肖特基二极管在较低的工作时工作于高频领域，较pn结二极管更有优势。但在半垂直gan肖特基二极管中存在电流分布不均匀的问题，继而导致电流拥堵问题，影响半垂直结构的应用。
47.为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种功率半导体器件，图1为该功率半导体器件的结构示意图，参见图1，在本实施例中，包括外延片10、阳电极20和阴电极30。
48.外延片10包括衬底110和依次形成在衬底110上的缓冲层120、gan层130、algan层140、gan帽层150和sin保护层160。阳电极20和阴电极30相互间隔，阳电极20和阴电极30均嵌入algan层140和gan帽层150内，阳电极20包括在外延生长方向上依次叠设的gan部210和肖特基金属电极部220，阴电极30包括在外延生长方向上依次叠设的重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320。
49.在本实施例中，由于阳电极20和阴电极30均嵌入algan层和gan帽层内，嵌入式的电极能够改善载流子传输行为。并且，由于阴电极30包括重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320，所以能够利用重掺n型gan部310作为中介，实现欧姆金属电极部320与外延片10之间的良好欧姆接触。并且，由于阳电极20包括gan部210和肖特基金属电极部220，而gan部210具有较高的功函数，其与肖特基金属电极部220之间难以形成欧姆接触，所以不仅提高了势垒，还能够避免阳电极20处的电场集中，防止出现局部击穿。另外，由于外延片10包括gan帽层150和sin保护层160，所以能够使得外延片10能够免受表面吸附及界面性状变化造成漏电，进一步地提高了功率半导体器件的可靠性。
50.由前文可知，嵌入式的阳电极20和阴电极30，是改善电场分布的关键。下面分别对阳电极20和阴电极30进行介绍。
51.在本实施例中，gan部210位于algan层140内，肖特基金属电极部220一部分位于algan层140内，另一部分位于gan帽层150内。
52.在上述实现方式中，gan部210和肖特基金属电极部220的接触处位于algan层140内，一方面改善反向电场的局部集中，另一方面局部异质结实现电场的调节，均匀分布于肖特基下，有效提升击穿电压，同时降低正向导通时工作电压。
53.示例性地，gan部210与gan层130相互间隔，gan部210靠近gan层130的一侧，与algan层140靠近gan帽层150的一侧的间距为1nm-15nm。
54.在上述实现方式中，gan部210贯穿gan帽层150，并插接在algan层140内，且gan部210在algan层140内的插接深度为1nm-15nm，能够保证阳电极20与algan层140的充分稳定接触。
55.在本实施例中，在肖特基金属电极部220至gan部210的方向上，阳电极20朝向阴电极30的一侧，朝向阴电极30倾斜。
56.在上述实现方式中，阳电极20的纵剖面为直角梯形，直角梯形的上底为肖特基金属电极部220的远离gan部210的一侧，直角梯形的下底为gan部210的远离肖特基金属电极部220的一侧，直角梯形的高背离阴电极30，且垂直于algan层140，直角梯形的斜腰靠近阴电极30，且倾斜于algan层140，也即为阳电极20倾斜的一侧。如此设计，使得阳电极20和外延片10之间的接触面积得到了提高，从而能够改善阳电极20和阴电极30处的电场分布，免于局部位置尖端出现，对于功率半导体器件在高温状态时可靠性的稳定有较大帮助。
57.在本实施例中，重掺n型gan部310位于algan层140内，欧姆金属电极部320一部分位于algan层140内，另一部分位于gan帽层150内。
58.在上述实现方式中，重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320之间的接触较好，能够有效的较低接触电阻，从而有利于电场的均匀分布。
59.示例性地，重掺n型gan部310与gan层130接触。
60.在上述实现方式中，重掺n型gan部310的远离欧姆金属电极部320的一侧，与gan层130靠近algan层140的一侧接触。如此设计，不仅保证了阴电极30与algan层140的充分稳定接触，还降低了接触电阻，从而有利于电场的均匀分布。
61.在本实施例中，在欧姆金属电极部320至重掺n型gan部310的方向上，阴电极30朝向阳电极20的一侧，朝向阳电极20倾斜。
62.在上述实现方式中，阴电极30的纵剖面为直角梯形，直角梯形的上底为欧姆金属电极部320的远离重掺n型gan部310的一侧，直角梯形的下底为重掺n型gan部310的远离欧姆金属电极部320的一侧，直角梯形的高背离阳电极20，且垂直于algan层140，直角梯形的斜腰靠近阳电极20，且倾斜于algan层140，也即为阴电极30倾斜的一侧。如此设计，使得阴电极30和外延片10之间的接触面积得到了提高，从而能够改善阴电极30和阳电极20处的电场分布，免于局部位置尖端出现，对于功率半导体器件在高温状态时可靠性的稳定有较大帮助。
63.在本实施例中，阳电极20的倾斜方向和阴电极30的倾斜方向相反，从而使得阳电极20与阴电极30之间的底端距离较小，而顶端距离较大，从而加大了阳电极20和阴电极30与外延片10之间的接触面积。
64.示例性地，衬底110为蓝宝石、硅片、石英片、碳化硅、金刚石或gaas、inp、aln、gan等单晶材料，尺寸2inch及2inch以上均可。衬底110可以为平片衬底110，也可以为图形化衬底110。
65.作为示例，本公开实施例中，衬底110为蓝宝石衬底110。蓝宝石衬底110为一种常用衬底110，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底110或蓝宝石平片衬底110。
66.图2为本公开实施例提供的一种功率半导体器件的制备方法的流程图，该方法能够制备图1所示的功率半导体器件。结合图2，在本实施例中，该制备方法包括：
67.步骤201：提供一衬底110。
68.步骤202：在衬底110上依次外延生长缓冲层120、gan层130、algan层140、gan帽层150和sin保护层160。
69.步骤203：提供一阳电极20，将阳电极20嵌入algan层140和gan帽层150内，使得阳电极20的gan部210和肖特基金属电极部220在外延生长方向上依次叠设。
70.步骤204：提供一阴电极30，将阴电极30嵌入algan层140和gan帽层150内，使得阴电极30的重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320在外延生长方向上依次叠设。
71.由于阳电极20和阴电极30均嵌入algan层和gan帽层内，嵌入式的电极能够改善载流子传输行为。并且，由于阴电极30包括重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320，所以能够利用重掺n型gan部310作为中介，实现欧姆金属电极部320与外延片10之间的良好欧姆接触。并且，由于阳电极20包括gan部210和肖特基金属电极部220，而gan部210具有较高的功函数，其与肖特基金属电极部220之间难以形成欧姆接触，所以不仅提高了势垒，还能够避免阳电极20处的电场集中，防止出现局部击穿。另外，由于外延片10包括gan帽层150和sin保护层160，所以能够使得外延片10能够免受表面吸附及界面性状变化造成漏电，进一步地提高了功率半导体器件的可靠性。
72.图3为本公开实施例提供的另一种功率半导体器件的制备方法的流程图，该方法能够制备图1所示的功率半导体器件。结合图3，在本实施例中，该制备方法包括：
73.步骤301：提供一衬底110。
74.示例性地，衬底110为蓝宝石、硅片、石英片、碳化硅、金刚石或gaas、inp、aln、gan等单晶材料，尺寸2inch及2inch以上均可。衬底110可以为平片衬底110，也可以为图形化衬底110。
75.作为示例，本公开实施例中，衬底110为蓝宝石衬底110。蓝宝石衬底110为一种常用衬底110，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底110或蓝宝石平片衬底110。
76.示例性地，将衬底110在氢气气氛中退火处理8分钟，清洁衬底110表面，温度在1000℃与1200℃之间，然后进行氮化处理。
77.示例性地，温度为1100℃。
78.步骤302：在衬底110上外延生长缓冲层120(参见图4)。
79.示例性地，生长0.5μm-2.0μm的缓冲层120，缓冲层包括成核层、愈合层和厚层，成核层可以为aln、algan、gan、inn的单层，或为aln、algan、gan、inn组成的叠层，愈合层能够实现颗粒状成核层的连结和铺平，随后进行厚层生长，缺陷密度为10
7-108cm-3
。
80.需要说明的是，缓冲层120厚度不同，最终形成的外延片10的质量也会不同，若缓冲层120的厚度过薄，则会导致缓冲层120的表面较为疏松和粗糙，不能为后续结构的生长提供一个好的模板，随着缓冲层120厚度的增加，缓冲层120的表面逐渐变得较为致密和平整，有利于后续结构的生长，但是若缓冲层120的厚度过厚，则会导致缓冲层120的表面过于致密，同样不利于后续结构的生长，无法减少外延层中的晶格缺陷。
81.步骤303：在缓冲层120上生长gan层130(参见图5)。
82.示例性地，生长厚度在2nm-10nm的gan层130，缺陷密度为10
6-107cm-3
。
83.步骤304：在gan层130上生长algan层140和gan帽层150(参见图6)。
84.示例性地，algan层140的al摩尔含量为0.07-0.30，algan层140的厚度为10nm-40nm。
85.示例性地，gan帽层150的厚度为5nm-30nm。
86.在本实施例中，algan层140和gan帽层150周期性交替层叠生长，algan层140和gan帽层150的交替周期数为1-6。
87.步骤305：在gan帽层150上生长sin保护层160(参见图7)。
88.在本实施例中，在sin保护层160生长完成后，完成外延片10的生长，将外延片10降至室温后取出，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成芯片。
89.步骤306：提供一阳电极20，将阳电极20嵌入algan层140和gan帽层150内，使得阳电极20的gan部210和肖特基金属电极部220在外延生长方向上依次叠设(参见图8)。
90.在本实施例中，阳电极20包括相连的gan部210和肖特基金属电极部220。gan部210位于algan层140内，肖特基金属电极部220一部分位于algan层140内，另一部分位于gan帽层150内。
91.在上述实现方式中，gan部210和肖特基金属电极部220的接触处位于algan层140内，一方面改善反向电场的局部集中，另一方面局部异质结实现电场的调节，均匀分布于肖特基下，有效提升击穿电压，同时降低正向导通时工作电压。
92.在本实施例中，在肖特基金属电极部220至gan部210的方向上，阳电极20朝向阴电极30的一侧，朝向阴电极30倾斜。
93.在上述实现方式中，阳电极20的纵剖面为直角梯形，直角梯形的上底为肖特基金属电极部220的远离gan部210的一侧，直角梯形的下底为gan部210的远离肖特基金属电极部220的一侧，直角梯形的高背离阴电极30，且垂直于algan层140，直角梯形的斜腰靠近阴电极30，且倾斜于algan层140，也即为阳电极20倾斜的一侧。如此设计，使得阳电极20和外延片10之间的接触面积得到了提高，从而能够改善阳电极20和阴电极30处的电场分布，免于局部位置尖端出现，对于功率半导体器件在高温状态时可靠性的稳定有较大帮助。
94.步骤307：提供一阴电极30，将阴电极30嵌入algan层140和gan帽层150内，使得阴电极30的重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320在外延生长方向上依次叠设(参见图1)。
95.在本实施例中，阴电极30包括相连的重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320，重掺n型gan部310位于algan层140内，欧姆金属电极部320一部分位于algan层140内，另一部分位于gan帽层150内。
96.在上述实现方式中，重掺n型gan部310和欧姆金属电极部320之间的接触较好，能够有效的较低接触电阻，从而有利于电场的均匀分布。
97.在本实施例中，在欧姆金属电极部320至重掺n型gan部310的方向上，阴电极30朝向阳电极20的一侧，朝向阳电极20倾斜。
98.在上述实现方式中，阴电极30的纵剖面为直角梯形，直角梯形的上底为欧姆金属电极部320的远离重掺n型gan部310的一侧，直角梯形的下底为重掺n型gan部310的远离欧姆金属电极部320的一侧，直角梯形的高背离阳电极20，且垂直于algan层140，直角梯形的斜腰靠近阳电极20，且倾斜于algan层140，也即为阴电极30倾斜的一侧。如此设计，使得阴电极30和外延片10之间的接触面积得到了提高，从而能够改善阴电极30和阳电极20处的电场分布，免于局部位置尖端出现，对于功率半导体器件在高温状态时可靠性的稳定有较大帮助。
99.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有
一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则相对位置关系也可能相应地改变。
100.以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
