Brevet FR3011385A1 — publié le 20150403

B12805 - 12-T0-0297 1 DIODE SCHOTTKY EN NITRURE DE GALLIUM AVEC ANNEAU DE GARDE Domaine La présente demande concerne une diode Schottky en nitrure de gallium et son procédé de fabrication. Exposé de l'art antérieur On a déjà proposé de réaliser des composants électroniques, notamment des diodes Schottky, en utilisant du nitrure de gallium (GaN) comme matériau semiconducteur. En effet, le GaN présente des caractéristiques physiques et électroniques qui le rendent attractif, en particulier pour les applications haute tension. Les technologies de fabrication couramment utilisées pour la réalisation de composants à base de silicium ne sont pas transposables directement à la réalisation de composants en GaN. En effet, les étapes de dopages par implantation/diffusion ne sont pas réalisables en pratique dans le GaN où, pour former des couches de niveaux et/ou de types de dopages distincts, il faut recourir à des épitaxies. Différentes solutions pour la réalisation de diodes Schottky en GaN ont été proposées. Un exemple particulier est 20 décrit ci-après. La figure 1 est une reproduction de la figure 1 de l'article "Design edge termination for GaN Power Diode" de B12805 - 12-T0-0297 2 Laroche et al. publié en 2005 dans "Journal of Electronic Materials", vol. 34, N° 4. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'une diode Schottky en GaN. La diode 1 comprend, au-dessus d'un substrat 3 ("Substrate"), une couche épitaxiée 5 5 de GaN fortement dopé de type n (nt) surmontée d'un plateau 7 à flancs abrupts en GaN faiblement dopé de type n (n-). Un contact métallique 9 est disposé sur la couche 5. Une couche 11 d'un métal de contact Schottky repose sur la face supérieure du plateau 7. Le bord périphérique de la couche 11 est séparé du 10 plateau 7 par un anneau isolant 14, l'anneau isolant présentant un bord intérieur en biseau. Dans cet exemple d'une diode en GaN, l'anneau 14 séparant le plateau 7 du bord de la couche métallique 11 de contact Schottky forme une protection couramment nommée plaque 15 de champ. La présence de cette plaque de champ permet d'améliorer la tenue en tension et de diminuer le courant de fuite en inverse de la diode Schottky. Dans le domaine de la réalisation des diodes Schottky en silicium, plutôt qu'une structure à plaque de champ, on 20 préfère souvent utiliser une structure à anneau de garde. Une structure à anneau de garde comporte, à la périphérie du contact Schottky, une région du type de conductivité opposé à celui du semiconducteur de la diode Schottky. Par rapport à une plaque de champ, un anneau de garde a des avantages supplémentaires, 25 notamment lors du passage d'un fort courant dans une diode Schottky polarisée en direct. Il existe donc un besoin d'une diode en GaN à anneau de garde. Il existe également un besoin d'un procédé de fabrication simple à mettre en oeuvre d'une telle diode Schottky 30 à anneau de garde. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit une diode Schottky comprenant, sur une couche de GaN fortement dopé d'un premier type de conductivité, un plateau épitaxié à flancs 35 inclinés en GaN faiblement dopé du premier type de conductivité, B12805 - 12-T0-0297 3 les flancs inclinés étant revêtus d'une région latérale de GaN d'un second type de conductivité, une couche d'un métal de contact Schottky revêtant le plateau et la région latérale. Selon un mode de réalisation, une couche isolante 5 sépare la région latérale de GaN dopé du second type de conductivité de la couche de GaN fortement dopé du premier type de conductivité. Selon un mode de réalisation, les flancs inclinés forment, par rapport à la normale au plan de la diode, un angle 10 compris entre 40 et 60°. Selon un mode de réalisation, la diode comprend un contact métallique ohmique avec la couche de GaN fortement dopé du premier type de conductivité. On prévoit aussi un procédé de fabrication d'une diode 15 Schottky en GaN comprenant les étapes successives suivantes : (a) former un plateau épitaxié à flancs inclinés en GaN faiblement dopé d'un premier type de conductivité sur une partie d'une couche de GaN fortement dopé du premier type de conductivité ; 20 (b) former une région latérale de GaN dopé du deuxième type de conductivité sur les flancs inclinés du plateau épitaxié ; et (c) former une couche d'un métal de contact Schottky sur le plateau épitaxié et la région latérale. 25 Selon un mode de réalisation, l'étape (b) comprend les étapes suivantes : former par épitaxie une couche de GaN dopé du second type de conductivité au-dessus du plateau épitaxié à flancs inclinés, la couche comprenant une portion supérieure et 30 une portion latérale ; et retirer la portion supérieure de la couche de GaN dopé du second type de conductivité. Selon un mode de réalisation, les conditions de croissance épitaxiale de la couche de GaN dopé du second type de 35 conductivité sont telles que la croissance de la portion B12805 - 12-T0-0297 4 latérale est favorisée par rapport à la croissance de la portion supérieure. Selon un mode de réalisation, la couche de GaN fortement dopé du premier type de conductivité est elle-même 5 formée par épitaxie. Selon un mode de réalisation, le plateau épitaxié à flancs inclinés est formé à partir d'une ouverture ménagée dans une couche isolante formée sur la couche de GaN fortement dopé du premier type de conductivité. 10 Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 15 la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe d'un exemple d'une diode Schottky en GaN, la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation d'une diode Schottky en GaN comprenant un anneau de garde, et 20 les figures 3A à 3E sont des vues en coupe schématiques illustrant des structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une diode Schottky en GaN comprenant un anneau de garde. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 25 désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des composants électroniques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée 30 La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une diode Schottky en GaN comprenant un anneau de garde. Un substrat 21 est surmonté d'une couche 23 en GaN fortement dopé de type n elle-même surmontée d'un plateau épitaxié 25 de GaN faiblement dopé de type n (n-). Le plateau 25 35 présente des flancs inclinés 27 revêtus d'une région latérale 29 B12805 - 12-T0-0297 en GaN dopé de type p. La région latérale 29 de type p est séparée de la couche 23 fortement dopée de type n (n+) par une couche isolante 31 s'étendant sur la couche 23 jusqu'à la périphérie externe de la structure. Une couche 33 d'un métal de 5 contact Schottky recouvre l'ensemble du plateau 25 et de la région 29. Un contact métallique 35 avec la couche 23 est formé à travers la couche isolante 31. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la région latérale 29 forme un anneau de garde pour la diode Schottky 20. A titre d'exemple, le substrat 21 peut être un substrat de saphir ou un substrat recouvert d'une couche permettant la croissance de GaN, par exemple un substrat de silicium revêtu d'une couche de nitrure d'aluminium. La couche 23 peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 5 pin, par exemple 2 pin. Les dopants utilisés peuvent être des atomes de silicium, de germanium, ou de soufre. La concentration en atomes dopants dans la couche 23 peut être supérieure à 5.1018 at.cm-8, par exemple 1019 at.cm-8. L'épaisseur du plateau 25 peut être comprise entre 5 et 15 gm, par exemple 9 gm. La concentration en atomes dopants dans le plateau 25 peut être comprise entre 5.1015 et 5.1016 at.cm-8, par exemple 8.1015 at.cm-8. Le plan cristallin de la couche 23 est choisi pour que le plateau épitaxié 25 ait des flancs 27 inclinés par rapport à la verticale. La région latérale 29 de type p peut avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 2 gm, par exemple 0,5 gm. Les atomes dopants de la région 29 sont par exemple des atomes de magnésium ou de calcium, la concentration en dopant pouvant être comprise entre 1016 et 1019 at.cm-8, par exemple 7.1017 at.cm-8. La couche métallique 33 du contact Schottky est par exemple en or ou en nickel. L'épaisseur de la couche 33 peut être comprise entre 0,1 et 1 pin, par exemple 0,3 gm. B12805 - 12-T0-0297 6 La couche isolante 31 est par exemple en oxyde de silicium et peut avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 2 pin, par exemple 1 um. Le contact métallique 35 avec la couche 23 est un contact ohmique vers la cathode de la diode Schottky 20. A titre d'exemple, le contact métallique 35 est en titane, en aluminium, en tungstène ou en un alliage comprenant au moins l'un de ces métaux. Les figures 3A à 3E sont des vues en coupe de 10 structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une diode Schottky telle que celle illustrée en figure 2. De mêmes éléments qu'en figure 2 sont désignés par de mêmes références. La figure 3A représente une structure obtenue après 15 les étapes suivantes : - formation d'une couche 23 de GaN fortement dopé de type n (n+) sur un substrat 21, - dépôt d'une couche isolante 31 sur la surface exposée de la couche 23, et 20 - gravure d'une portion de la couche isolante 31 pour former une ouverture 37 jusqu'à la surface de la couche 23. Le dépôt de la couche isolante 31 peut être un dépôt chimique en phase vapeur d'oxyde de silicium ou un dépôt physique par pulvérisation cathodique, par ablation laser ou 25 tout autre procédé de dépôt de couches minces. En vue de dessus, l'ouverture 37 peut être en forme de disque, de carré, de polygone ou de peigne. A titre d'exemple, la surface de l'ouverture 37 peut être de 0,5 à 5 mm2, par exemple environ 1 mm2 pour une diode Schottky apte à supporter 30 un courant de 4 A. La figure 3B représente la structure obtenue après les étapes suivantes : - croissance épitaxiale d'un plateau 25 à flancs inclinés 27 en GaN faiblement dopé de type n (n-) dans l'ouverture 37, et B12805 - 12-T0-0297 7 croissance épitaxiale d'une couche 41 de GaN dopé de type p sur le plateau 25. Comme on l'a indiqué précédemment, l'homme de l'art pourra adapter les paramètres de la structure pour favoriser l'obtention de flancs inclinés 27 ayant par exemple une inclinaison de l'ordre de 60° par rapport à la verticale. Les flancs inclinés 27 favorisent la croissance épitaxiale ultérieure d'une couche 41 de type p de bonne qualité sur les flancs inclinés 27 du plateau 25 de type n. La couche 41 de type p comprend une portion supérieure 39 et une région latérale 29. Lors de la formation de la couche 41, l'homme de l'art choisira de préférence des conditions propres à favoriser la croissance de la région latérale 29 par rapport à la croissance de la portion 39, par exemple en optimisant les conditions de pression sous lesquelles est réalisée l'étape d'épitaxie. La figure 3C représente la structure obtenue après les étapes suivantes : suppression de la portion supérieure 39 de la couche 41 en laissant en place la région latérale 29, et formation d'un contact métallique 35. A titre d'exemple, la suppression de la portion 39 de la couche 41 est réalisée par polissage mécano-c himique. Le contact métallique 35 peut être formé de façon classique en gravant la couche 31 pour découvrir des portions, par exemple un anneau, de la couche 23, puis en réalisant des étapes successives de dépôt et de gravure d'une couche métallique. La figure 3D, identique à la figure 2, représente la 30 structure obtenue après dépôt d'une couche 33 d'un métal de contact Schottky sur la structure suivi d'une gravure pour retirer les parties de la couche 33 externes au plateau 25 et à la région latérale 29. En pratique, la couche 33 déborde légèrement sur la couche 31. B12805 - 12-T0-0297 8 La figure 3E représente la structure obtenue après les étapes suivantes : - dépôt d'une couche isolante 43, - formation d'ouvertures dans la couche 43, d'une part, au- dessus de la plus grande partie de la surface supérieure de la couche métallique de contact Schottky 33 et, d'autre part, au-dessus d'une partie au moins du contact métallique 35. - dépôt d'une couche métallique 45, - gravure de la couche métallique 45 pour laisser en place des contacts au-dessus des ouvertures susmentionnées, - dépôt d'une couche isolante 47, et - gravure de la couche isolante 47 pour dégager les contacts. A titre d'exemple, la couche isolante 43 est en oxyde de silicium. Cette couche peut être déposée par voie chimique en 15 phase vapeur. La couche métallique 45 peut être un empilement de titane, de tungstène ou d'aluminium. En pratique, les portions de la couche 45 débordent légèrement sur la couche isolante 43. La couche isolante 47 peut être en oxyde de silicium 20 ou en un matériau organique, par exemple un polyimide. En pratique, les portions laissées en place de la couche isolante 47 débordent légèrement sur les portions de la couche métallique 45. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. 25 Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la couche 23 de GaN fortement dopé de type n (n+) peut être formée par épitaxie sur un substrat massif ou sur un substrat surmonté d'une couche intermédiaire pour la croissance de GaN. 30 Bien que, dans les modes de réalisation décrits précédemment, le contact 45 de cathode de la diode Schottky soit réalisé à travers la couche isolante 31 pour faire contact avec la couche 23, ce contact peut éventuellement être réalisé en face arrière du substrat par l'intermédiaire de vias préala- 35 blement formés. B12805 - 12-T0-0297 9 Les matériaux décrits précédemment l'ont été à titre d'exemple et l'homme de l'art pourra les remplacer par des matériaux ayant de mêmes caractéristiques électriques et de sélectivité mutuelle de gravure. niveaux de dopage des l'homme de l'art en utilisées et des diode Schottky. En De même, les épaisseurs et les différents matériaux seront choisis par fonction des filières technologiques caractéristiques souhaitées pour la particulier les niveaux de dopage pourront tous être inversés. Enfin bien que l'on ait décrit précédemment des modes de réalisation avec une diode en GaN, la réalisation de cette diode est possible avec d'autres matériaux comme l'AIN, le SiC. Plus généralement on peut réaliser la diode et son anneau de garde dans tous les matériaux semiconducteurs dits à grand gap en adaptant la nature des métaux aux caractéristiques du semiconducteur. REVENDICATIONS1. Diode Schottky comprenant, sur une couche (23) de GaN fortement dopé d'un premier type de conductivité, un plateau épitaxié (25) à flancs inclinés (27) en GaN faiblement dopé du premier type de conductivité, les flancs inclinés étant revêtus d'une région latérale (29) de GaN d'un second type de conductivité, une couche d'un métal de contact Schottky (33) revêtant le plateau (25) et la région latérale (29). 2. Diode Schottky selon la revendication 1, dans laquelle une couche isolante (31) sépare la région latérale (29) 10 de GaN dopé du second type de conductivité de la couche (23) de GaN fortement dopé du premier type de conductivité. 3. Diode Schottky selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les flancs inclinés (27) forment, par rapport à la normale au plan de la diode, un angle compris entre 40 et 60°. 15 4. Diode Schottky selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un contact métallique ohmique (35) avec la couche (23) de GaN fortement dopé du premier type de conductivité. 5. Procédé de fabrication d'une diode Schottky en GaN 20 comprenant les étapes successives suivantes : (a) former un plateau épitaxié (25) à flancs inclinés (27) en GaN faiblement dopé d'un premier type de conductivité sur une partie d'une couche (23) de GaN fortement dopé du premier type de conductivité ; 25 (b) former une région latérale (29) de GaN dopé du deuxième type de conductivité sur les flancs inclinés du plateau épitaxié ; et (c) former une couche d'un métal de contact Schottky (33) sur le plateau épitaxié et la région latérale. 30 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel l'étape (b) comprend les étapes suivantes : former par épitaxie une couche (41) de GaN dopé du second type de conductivité au-dessus du plateau épitaxié (25) àB12805 - 12-T0-0297 11 flancs inclinés (27), la couche comprenant une portion supérieure (39) et une portion latérale (29) ; et retirer la portion supérieure de la couche de GaN dopé du second type de conductivité. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel les conditions de croissance épitaxiale de la couche (41) de GaN dopé du second type de conductivité sont telles que la croissance de la portion latérale (29) est favorisée par rapport à la croissance de la portion supérieure (39). 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la couche (23) de GaN fortement dopé du premier type de conductivité est elle-même formée par épitaxie. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel le plateau épitaxié (25) à flancs inclinés (27) est formé à partir d'une ouverture (37) ménagée dans une couche isolante (31) formée sur la couche (23) de GaN fortement dopé du premier type de conductivité.