CN108831932A - 一种氮化镓横向mis-肖特基混合阳极二极管 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体功率器件领域，特别涉及一种氮化镓横向MIS‑肖特基混合阳极二极管。本发明公开了一种基于具有变铝组分势垒层(Al_0～0.50GaN)异质结的混合阳极二极管，具体结构是在GaN层上方生长一层薄的变铝组分Al_0～0.50GaN层作为势垒层，AlGaN势垒层中Al摩尔分量从0％到50％渐变。薄的变铝组分AlGaN层能够减小肖特基阳极电极到二维电子气的距离，增加沟道二维电子气浓度，并消除AlGaN/GaN异质结处导带差，进而能够降低所提出器件的开启电压和导通压降。同时阳极部分的金属‑绝缘体‑半导体结构(MIS)能够有效降低器件反向漏电流，增加器件反向耐压。

Description

一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体的说是涉及一种基于具有变铝组分势垒层(Al_0～0.50GaN)异质结的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管。

背景技术

氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm²/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～1013cm^-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

二极管在半导体领域占有极其重要的地位，近年来由于工艺和材料等的进步，基于氮化镓异质结材料的二极管已经取得了较大的发展。对于高效功率开关应用，开启电压和反向耐压是二极管的关键指标。传统的氮化镓异质结肖特基二极管(AlGaN/GaN SBD)，由于肖特基势垒和AlGaN/GaN异质结的存在使得器件开启电压通常大于1V，并且器件的漏电非常大，耐压值很低。为减小电力电子系统的功耗，提高系统效率，有必要减小二极管的开启电压以及器件的反向漏电。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述常规AlGaN/GaN SBD中存在的问题，提出了一种具有低开启电压、低导通压降、低反向漏电流、高反向耐压的新型氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管。

本发明的技术方案如下：

一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和AlGaN层3；所述AlGaN层3的Al摩尔组分从AlGaN层3底部到顶部逐渐增大，并与GaN层2形成异质结；在器件上层两端还具有阴极结构和MIS-肖特基混合阳极结构；所述阴极结构为在异质结上层形成欧姆接触的第一金属6；所述MIS-肖特基混合阳极结构包括金属-绝缘层-半导体结构和肖特基结构，所述肖特基结构为在异质结上层形成肖特基接触的第二金属7，所述金属-绝缘层-半导体结构包括一个刻蚀部分AlGaN层3的凹槽，凹槽底部和侧面覆盖一层绝缘介质5，绝缘介质5上方覆盖金属电极8，该金属电极8与第二金属7之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；在所述AlGaN层3上表面淀积SiN层4形成钝化层；在所述钝化层上生长有绝缘介质5，部分绝缘介质5沿SiN层4和金属电极8之间的侧面延伸至AlGaN层3上构成MIS结构的绝缘层；

进一步的，所述衬底1采用的材料为硅、蓝宝石，碳化硅和氮化镓中的一种。

进一步的，所述绝缘介质5采用的材料为HfO2、SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种或多种组合，其厚度在1nm到100nm之间。

进一步的，AlGaN层3中Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，从AlGaN层3底部到顶部Al组分x由0到0.5渐变。

进一步的，AlGaN层3的厚度为5nm到12nm。

上述方案中，衬底1和GaN层2之间可以存在其他的材料。

本发明的有益效果在于，本发明提出的薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管与传统的SBD二极管相比，具有低的开启电压、低的导通压降、低的反向漏电流、高的反向耐压等优点。仿真结果表明，提出的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，在开启电压和导通压降方面，与传统的AlGaN/GaN SBD相比，分别减小了0.3V和1.36V。在反向漏电方面与传统的AlGaN/GaN SBD二极管相比，下降了近三个数量级。

附图说明

图1为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管结构示意图；

图2为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，在衬底表面外延GaN层结构示意图；

图3为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，在GaN层表面外延生长一层薄的变铝组分AlGaN势垒层结构示意图；

图4为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，在AlGaN势垒层表面生长钝化层的结构示意图；

图5为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，刻蚀钝化层和AlGaN势垒层并淀积欧姆接触阴极电极的结构示意图；

图6为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，刻蚀阳极钝化层和部分AlGaN势垒层的结构示意图；

图7为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，在钝化层和部分AlGaN势垒层上生长介质层的结构示意图；

图8为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺流程中，在阳极淀积栅金属和肖特基金属的结构示意图；

图9为常规AlGaN/GaN SBD结构示意图；

图10为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管在势垒层厚度为10nm时，与常规AlGaN/GaN SBD势垒层在25nm和10nm时的二维电子气浓度曲线；

图11为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管在不同器件长度下的输出特性曲线；

图12为常规AlGaN/GaN SBD，在不同器件长度下的输出特性曲线；

图13为本发明提出的，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管在不同器件长度下的反向耐压曲线；

图14为常规AlGaN/GaN SBD，在不同器件长度下的反向耐压曲线。

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明提出的是一种薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，它与常规氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管不同。在本发明提出的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管中，AlGaN层的Al摩尔组分从AlGaN层底部到顶部渐变，如图1所示。包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和AlGaN层3、阴极结构、MIS-肖特基混合阳极结构、钝化层、绝缘介质；所述AlGaN层3的Al摩尔组分从AlGaN层3底部到顶部渐变，并与GaN层2形成异质结；所述阴极结构和MIS-肖特基混合阳极结构分别位于器件两端；所述阴极结构是由在异质结上层形成欧姆接触的金属6构成；所述MIS-肖特基混合阳极结构包括金属-绝缘层-半导体结构和肖特基结构，所述肖特基结构由在异质结上层形成肖特基接触的金属7构成，所述金属-绝缘层-半导体结构包括一个刻蚀部分AlGaN层3的凹槽，凹槽底部和侧面覆盖一层具有一定厚度的绝缘介质5，绝缘介质5上方覆盖金属电极7，该金属电极8与肖特基接触的金属7之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；所述钝化层由淀积在AlGaN层3表面的SiN层4构成；所述绝缘介质5生长在钝化层上，部分绝缘介质5生长在AlGaN层3上构成MIS结构的绝缘层。

本发明的工作原理为：

提出一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管由于采用了薄的变铝组分势垒层(Al_0～0.50GaN)异质结结构，能够减小肖特基阳极电极到二维电子气的距离，有效增加AlGaN/GaN异质结处的二维电子气浓度，并消除AlGaN/GaN异质结处导带差。进而能够降低肖特基结的开启电压和导通压降。同时阳极部分的金属-绝缘体-半导体结构(MIS)能够有效降低器件反向漏电流，增加器件反向耐压。仿真结果表明，提出的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，在开启电压和导通压降方面，与传统的AlGaN/GaN SBD相比，分别减小了0.3V和1.36V。在反向漏电方面与传统的AlGaN/GaN SBD相比，下降了近三个数量级。

图2-图8为本发明，一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的制造工艺示意图。图2所示为硅基氮化镓外延片；图3所示为在GaN层上生长一层变铝组分AlGaN势垒层；图4所示为在AlGaN势垒层上生长一层钝化层；图5为刻蚀钝化层和阴极下方部分AlGaN势垒层，并淀积欧姆接触金属的阴极电极结构示意图；图6所示为刻蚀阳极钝化层和部分AlGaN势垒层的结构示意图；图7所示为在钝化层和部分AlGaN势垒层上生长介质层的结构示意图；图8所示为在阳极淀积栅金属和肖特基金属的结构示意图；并且栅金属和肖特基金属形成有效的电气连接；

图9为常规AlGaN/GaN SBD结构示意图；

图10为本发明提出的，一种薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，与常规AlGaN/GaN SBD和氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，在势垒层下方在垂直于势垒层方向上的二维电子气浓度曲线。其中10nm厚Al组分渐变AlGaN势垒层结构的新型器件的二维电子气浓度明显高于10nm厚Al组分为0.23AlGaN势垒层结构的传统AlGaN/GaN SBD，并且浓度接近于25nm厚Al组分0.23AlGaN势垒层结构的传统AlGaN/GaN SBD。说明新型器件结构的势垒层能够在减薄势垒层的同时增加二维电子气浓度。

图11和图12所示为本发明提出的，一种薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的，与常规AlGaN/GaN SBD，在器件长度分别为5um、10um和20um时的输出特性曲线。可以得到提出的薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，在开启电压和导通压降方面，与传统的AlGaN/GaN SBD相比，分别减小了0.3V和1.36V。

图13和图14所示为本发明提出的，一种薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，与常规AlGaN/GaN SBD，在器件长度分别为5um、10um和20um时的耐压特性曲线。可以得到提出的薄的变铝组分Al_0～0.50GaN/GaN异质结结构的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，在反向漏电方面与传统的AlGaN/GaN SBD相比，下降了近三个数量级。上述结果说明本发明提出的一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的有效性和可实施性。

Claims (5)

1.一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)和AlGaN层(3)；所述AlGaN层(3)的Al摩尔组分从AlGaN层(3)底部到顶部逐渐增大，AlGaN层(3)与GaN层(2)形成异质结；在器件上层两端还分别具有阴极结构和MIS-肖特基混合阳极结构；所述阴极结构为在异质结上层形成欧姆接触的第一金属(6)；所述MIS-肖特基混合阳极结构包括金属-绝缘层-半导体结构和肖特基结构，所述肖特基结构为在异质结上层形成肖特基接触的第二金属(7)，所述金属-绝缘层-半导体结构包括一个刻蚀部分AlGaN层(3)的凹槽，凹槽底部和侧面覆盖一层绝缘介质(5)，绝缘介质(5)上方覆盖金属电极(8)，该金属电极(8)与第二金属(7)之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；在所述AlGaN层(3)上表面淀积SiN层(4)形成钝化层；在所述钝化层上生长有绝缘介质(5)，部分绝缘介质(5)沿SiN层(4)和金属电极(8)之间的侧面延伸至AlGaN层(3)上表面构成MIS结构的绝缘层。

2.根据权利要求1所述的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，其特征在于，所述衬底(1)采用的材料为硅、蓝宝石，碳化硅和氮化镓中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，其特征在于，所述绝缘介质(5)采用的材料为HfO2、SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种或多种组合，其厚度在1nm到100nm之间。

4.根据权利要求3所述的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，其特征在于，AlGaN层(3)中Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，从AlGaN层(3)底部到顶部Al组分x由0到0.5渐变。

5.根据权利要求4所述的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，其特征在于，AlGaN层(3)的厚度为5nm到12nm。