CN105140278A - 一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管。本发明的二极管的阳极由两部分构成，一部分肖特基金属淀积在全刻蚀形成的凹槽中，形成肖特基金属-二维电子气(2DEG)接触；另一部分肖特基金属淀积部分刻蚀的凹槽中，该凹槽上还淀积了一层电介质，构成MIS结构。该MIS结构为常开型，保留了全刻蚀二极管其优良的正向特性；并且在反向电压下沟道关断，降低了器件的反向泄漏电流。本发明的有益效果为具有低开启电压、低反向漏电流等优点。本发明尤其适用于GaN异质结功率二极管。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管。
背景技术
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，相比于传统的Si半导体，以其3倍的禁带宽度、10倍的临界击穿电场、2倍的电子饱和速度而受到人们的广泛关注。特别是AlGaN/GaN异质结结构通过自发极化和压电极化产生高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，使得AlGaN/GaN功率器件具有导通电阻低、击穿电压高、工作频率高、工作温度高、器件体积小等优点。随着传统Si器件性能越来越接近其理论极限，GaN器件被认为是延续摩尔定律的选择，其在导通电阻、开关速度、散热、封装体积等方面，相比于传统Si器件将具有无可比拟的优势。
二极管在电力电子领域具有极其重要的地位。传统的AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD)的阳极肖特基金属直接淀积在AlGaN势垒层表面，导通时电子不仅需克服肖特基势垒，还需流经高阻的AlGaN势垒层，使得其开启电压较大。为降低AlGaN/GaN异质结二极管的开启电压与导通电阻，各种新型阳极结构的二极管不断出现，并取得了较大突破。文献WangZ,etal.,“Anovelhybrid-anodeAlGaN/GaNfield-effectrectifierwithlowoperationvoltage[C],”ICSICT,IEEE,2010:1889-1891报道了一种混合阳极结构，使得二极管的开启电压由凹槽栅的阈值电压决定，而不是阳极肖特基势垒。文献LeeJG,etal.,“Lowturn-onvoltageAlGaN/GaN-on-Sirectifierwithgatedohmicanode[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2013,34(2):214-216报道了一种栅控二极管，其导通电压仅为0.37V。文献ZhouC,etal.,“AlGaN/GaNDual-ChannelLateralField-EffectRectifierwithPunchthroughBreakdownImmunityandLowOn-Resistance[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2010,31(1):5-7报道了一种具有Dual-Channel结构的二极管，相比于传统SBD导通电阻降低超过50％。文献Bahat-TreidelE,etal.,“Fast-switchingGaN-basedlateralpowerSchottkybarrierdiodeswithlowonsetvoltageandstrongreverseblocking[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2012,33(3):357-359报道了通过全刻蚀技术将AlGaN势垒层完全刻蚀，形成肖特基金属-2DEG接触以降低势垒高度，从而实现了开启电压仅为0.43V，并且击穿电压超过1000V的GaN-on-SiC二极管。二极管的反向特性是其另一关键指标，通常Si衬底的GaN二极管其漏电较大，耐压较低。较大的反向泄漏电流不仅造成较大的关态损耗，还会影响系统的稳定性。MIS栅结构的引入使得二极管的反向漏电大大降低。文献LenciS,etal.,“Au-freeAlGaN/GaNpowerdiodeon8-inSisubstratewithgatededgetermination[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2013,34(8):1035-1037报道了通过在凹槽内淀积电介质形成具有栅结终端结构的GaN-on-8inSi二极管，其开启电压低于0.5V，耐压超过600V(1μA/mm)。文献BinLu,etal.,“UltralowLeakageCurrentAlGaN/GaNSchottkyDiodesWith3-DAnodeStructure[J],”TransactiononElectronDevices,IEEE,2013,60(10):3365-3370报道了一种三维阳极结构的GaN-on-Si二极管，通过三维MIS栅结构抑制泄漏电流使其低至260pA/mm，耐压为127V。文献QiZhou,etal.,“Over1.1kVBreakdownLowTurn-onVoltageGaN-on-SiPowerDiodewithMIS-GatedHybridAnode[C],”ISPSD,IEEE,2015,369-372报道了一种具有绝缘栅结构的GaN-on-Si混合阳极二极管,其开启电压为0.6V，且耐压超过1100V(10μA/mm)。
在上述传统技术方案中，虽然通过全刻蚀形成肖特基金属-2DEG接触可以实现较低的开启电压，但在反向阻断时，其较低的势垒高度却会导致较大的反向泄漏电流。尽管采用凹槽MIS栅结构可以显著降低二极管的反向漏电，但凹槽刻蚀不仅会降低沟道电子浓度，还因刻蚀损伤而造成迁移率的严重下降。根据Rch＝Lgq-1μe-1nsh-1，其中Lg为凹槽刻蚀区域长度，μe为电子迁移率，nsh为沟道电子浓度，凹槽栅会引入较大沟道电阻，从而造成器件正向性能的退化。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有低开启电压、低导通电阻与低反向漏电的栅控结构的GaN异质结功率二极管。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，如图1所示，包括衬底基片1、设置在衬底基片1上表面的GaN层2和设置在GaN层2上表面的AlMN层3，所述GaN层2和AlMN层3形成异质结；所述AlMN层3上层一侧具有欧姆接触区4；其特征在于，所述AlMN层3上层另一侧具有第一凹槽5，所述第一凹槽5贯穿AlMN层3并嵌入GaN层2中，所述第一凹槽5填充有第一肖特基金属6；所述AlMN层3与第一肖特基金属6的连接处具有第二凹槽7，所述第二凹槽7的底部和与AlMN层3相连的侧壁具有介质层8，所述介质层8沿AlMN层3向靠近欧姆接触区4的方向延伸；所述第二凹槽7中填充有第二肖特基金属9，所述第二肖特基金属9向两侧延伸并完全覆盖在第一肖特基金属6的上表面和介质层8的上表面。
本发明总的技术方案，通过刻蚀生成第一凹槽5使得AlMN层3被完全刻蚀掉，在第一凹槽中形成肖特基金属与2DEG接触而获得较低的开启电压；基于部分刻蚀AlMN势垒层，形成第二凹槽，通过第二肖特基金属9、介质层8和AlMN层3形成MIS结构，通过MIS栅对沟道2DEG的调控而降低器件的关态漏电。
进一步的，所述AlMN层3中M为Ga、In或Ga与In的混合物。
进一步的，所述介质层8为为SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2、TiO2和HfO2中的一种或者几种形成的堆层结构。
本发明的有益效果为，
具有低开启电压、低导通电阻和低反向漏电流等优点，同时其制造工艺与传统GaN异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统GaN异质结HEMT器件的单片集成。
附图说明
图1为本发明具有栅控结构的GaN异质结功率二极管的结构示意图；
图2为本发明二极管的工艺流程中淀积欧姆接触示意图；
图3为本发明二极管的工艺流程中完全刻蚀AlGaN，形成第一凹槽示意图；
图4为本发明二极管的工艺流程中在第一凹槽内淀积第一肖特基金属示意图；
图5为本发明二极管的工艺流程中刻蚀AlGaN，形成第二凹槽示意图，刻蚀后剩余的AlGaN厚度为t；
图6为本发明二极管的工艺流程中在第二凹槽内淀积电介质示意图；
图7为本发明二极管的工艺流程中在电介质上淀积第二肖特基金属示意图；
图8为本发明二极管的工艺流程中有源区钝化示意图；
图9为本发明二极管的正向I-V特性与t的关系图；
图10为本发明二极管的反向I-V特性与t的关系图；
图11为本发明二极管的开启电压及电流密度与t的关系图；
图12为本发明二极管，当t为6nm时器件的正反向I-V特性图；
图13为本发明二极管在-300V阳极电压下阳极附近电场分布图；
图14为本发明二极管在-300V阳极电压下阳极附近电势部分图；
图15为本发明二极管-300V阳极电压下阳极附近反向漏电流分布图；
图16为全刻蚀肖特基二极管结构示意图；
图17为具有结终端结构的凹槽肖特基二极管结构示意图；
图18为本发明二极管与图16、图17所述两种二极管的正反向I-V特性对比图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出一种具有栅控结构的高性能GaN异质结肖特基功率二极管，与常规的GaN异质结二极管肖特基金属直接淀积在AlMN表面不同，本发明中一部分肖特基金属淀积在完全刻蚀的凹槽中，形成肖特基金属-2DEG接触；另一部分肖特基金属淀积在部分刻蚀的凹槽中，且肖特基金属与凹槽间有一层电介质，形成凹槽MIS栅结构；该两部分肖特基金属共同作为本发明二极管的阳极。本发明通过完全刻蚀势垒层降低势垒高度，从而获得较低的开启电压。在反向电压下，凹槽MIS栅耗尽下方沟道2DEG降低反向漏电，并承担大量压降，避免肖特基结过早击穿。和普通的常关型凹槽MIS栅不同，该凹槽MIS栅为常开型，其凹槽较浅，因此刻蚀损伤低，其带来的沟道电阻影响较小，确保了该二极管较大的电流密度。故本发明提供的GaN异质结二极管具有开启电压低、导通电阻低和反向漏电小等优点，同时其制造工艺与传统GaN异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统GaN异质结HEMT器件的单片集成
如图1所示，本发明的一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，包括衬底基片1、设置在衬底基片1上表面的GaN层2和设置在GaN层2上表面的AlMN层3，所述GaN层2和AlMN层3形成异质结；所述AlMN层3上层一侧具有欧姆接触区4；其特征在于，所述AlMN层3上层另一侧具有第一凹槽5，所述第一凹槽5贯穿AlMN层3并嵌入GaN层2中，所述第一凹槽5填充有第一肖特基金属6；所述AlMN层3与第一肖特基金属6的连接处具有第二凹槽7，所述第二凹槽7的底部和与AlMN层3相连的侧壁具有介质层8，所述介质层8沿AlMN层3向靠近欧姆接触区4的方向延伸；所述第二凹槽7中填充有第二肖特基金属9，所述第二肖特基金属9向两侧延伸并完全覆盖在第一肖特基金属6的上表面和介质层8的上表面。
本发明的工作原理为：
当阳极施加的正向电压较低时，电子能量不足以越过肖特基势垒，不能形成电流通路；当阳极施加的正向电压大于开启电压后，电子具有足够高的能量越过肖特基势垒，成从阳极到阴极的电流通路，于是二极管开启；由于本二极管的阳极AlGaN势垒层被完全刻蚀形成肖特基金属-2DEG接触，正向导通时电子直接从阳极肖特基金属侧壁进入2DEG沟道，不需要越过高阻的势垒层，等效势垒高度降低，因此开启电压降低。当阳极施加的反向电压较低时，通过肖特基势垒即可实现反向阻断，当阳极施加的反向电压较大时，常开型凹槽MIS栅关断，其下方沟道2DEG浓度降低，反向泄漏电流降低，且沟道区域能承担大量压降，肖特基结两端承受的反向电压降低，使得器件的反向漏电进一步降低。
采用器件仿真软件Sentaurus对本发明所提出的结构进行了仿真分析。仿真中的关键参数如下：1、AlGaN势垒层厚度为25nm，Al组分为25％；2、GaN缓冲层厚度为2.5μm；3、肖特基金属功函数为4.8；4、电介质层为HfO2，其厚度为10nm；5、阳极全刻蚀与部分刻蚀区域凹槽的长度均为0.5μm；6、阴阳极之间的距离为Lac＝5μm。
凹槽MIS栅的深度是本发明需充分考虑的参数，当凹槽太深，则其下方沟道2DEG被耗尽、沟道关断，二极管的开启电压增加，并且带来较大的沟道电阻；若凹槽太浅，则栅对沟道的控能力不足，导致沟道内的2DEG不能被有效地耗尽，造成二极管的反向漏电增大。
凹槽MIS栅刻蚀后，剩余的AlGaN厚度t与器件正向I-V特性的关系如图9所示。当t较小时，2DEG耗尽、沟道关断，这时该二极管的开启电压实际上为MIS栅的阈值电压；当t较大时，栅下2DEG浓度足够高，这时该MIS栅为常开型，二极管正向开启电压取决于肖特基金属与2DEG接触形成的势垒高度。但t越大，器件在反向关断时栅对沟道的控制能力越弱，MIS栅下面的2DEG越难被耗尽致使二极管的反向漏电越大。图10是不同t下，二极管的反向I-V特性图。图11是二极管的开启电压与电流密度随t的变化图。本次仿真结果表明，t为6nm是较佳选择，器件同时具有优良的正向特性与反向特性，这时二极管的开启电压为0.55V，4V阳极电压下的电流密度为0.44A/mm，反向漏电流低于0.1μA/mm。图12是t为6nm时，本发明二极管正向与反向I-V特性。
图13是沿异质结界面附近电场分布图，MIS栅电介质还能起到场板作用，实现电场的重新分布，并有效地降低了电场峰值，避免二极管过早击穿。图14是阳极偏压-300V下阳极附近电势分布图，可以看到凹槽MIS栅耗尽了其下方的2DEG，沟道处于关断状态，并且栅区域承担了大量压降，使得肖特基结仅承受大约-2V的反偏电压，大大抑制了反向漏电。图15是阳极-300V下泄漏电流密度分布图，由于凹槽MIS栅关断了下方沟道，泄漏电流被抑制而被迫流经高阻的GaN缓冲层。
本发明可优化的凹槽MIS栅参数除了凹槽深度外，还包括凹槽长度、肖特基金属功函数、电介质的厚度与介电常数等。
图16是传统的全刻蚀肖特基二极管，图17是一种带有结终端的凹槽肖特基二极管。图18是本发明二极管与图16、图17所述两种二极管的正反向I-V特性对比图。与图16所示结构的二极管相比，本发明二极管的开启电压与电流密度几乎与之相当，但反向泄漏电流下降约3个数量级；与图17所示结构的二极管相比，本发明二极管的反向泄漏电流几乎与之相当，但开启电压从1.0V下降到0.55V，且电流密度提高约40％。
上述Sentaurus仿真分析，验证了本发明所提出的二极管其工作机理的可行性；与传统结构相比，本发明所提出的二极管在开启电压、电流密度、反向漏电等方面性能改善明显。
本发明提供了一种可选制备工艺流程图，包括以下步骤：
第一步：制备衬底，实现器件隔离，具体为在衬底基片1上表面生成GaN层2，在GaN层2上表面生成AlGaN层3。
第二步：如图2，在AlGaN层3上层一侧淀积欧姆接触金属。
第三步：如图3，采用湿法或者干法刻蚀工艺，刻蚀AlGaN层3另一侧，直至AlGaN势垒层被完全刻蚀，形成第一凹槽5。
第四步：如图4，在第一凹槽5中淀积第一肖特基金属6。
第五步：如图5，采用湿法或者干法刻蚀工艺，刻蚀与第一肖特基金属6连接的AlGaN层3，形成第二凹槽7。
第六步：如图6，在第二凹槽7底部和与AlGaN3连接的侧壁淀积电介质SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2、TiO2或HfO2等以及介质层的图形化，形成介质层8。
第七步：如图7，在第二凹槽7中淀积第二肖特基金属9。
第八步：如图8，器件有源区钝化。
其中第四步和第七步淀积的肖特基金属相连共同构成二极管的阳极。
Claims (3)
1.一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，包括衬底基片(1)、设置在衬底基片(1)上表面的GaN层(2)和设置在GaN层(2)上表面的AlMN层(3)，所述GaN层(2)和AlMN层(3)形成异质结；所述AlMN层(3)上层一侧具有欧姆接触区(4)；其特征在于，所述AlMN层(3)上层另一侧具有第一凹槽(5)，所述第一凹槽(5)贯穿AlMN层(3)并嵌入GaN层(2)中，所述第一凹槽(5)填充有第一肖特基金属(6)；所述AlMN层(3)与第一肖特基金属(6)的连接处具有第二凹槽(7)，所述第二凹槽(7)的底部及其与AlMN层(3)相连的侧壁具有介质层(8)，所述介质层(8)沿AlMN层(3)向靠近欧姆接触区(4)的方向延伸；所述第二凹槽(7)中填充有第二肖特基金属(9)，所述第二肖特基金属(9)向两侧延伸并完全覆盖在第一肖特基金属(6)的上表面和介质层(8)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述AlMN层(3)中M为Ga、In或Ga与In的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述介质层(8)为为SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2、TiO2和HfO2中的一种或者几种形成的堆层结构。
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| CN (1) | CN105140278A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107910370A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-04-13 | 电子科技大学 | 一种氮化镓异质结横向整流器 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20110233615A1 (en) * | 2010-03-26 | 2011-09-29 | Osamu Machida | Semiconductor device |
| CN103247695A (zh) * | 2012-02-06 | 2013-08-14 | 三星电子株式会社 | 氮化物基异质结半导体器件及其制造方法 |
| CN103872145A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-06-18 | 电子科技大学 | 一种GaN异质结功率二极管 |
| CN103904114A (zh) * | 2014-01-20 | 2014-07-02 | 西安电子科技大学 | 加源场板增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法 |
| CN104201210A (zh) * | 2008-12-10 | 2014-12-10 | 特兰斯夫公司 | 二极管以及包括该二极管的组件 |
-
2015
- 2015-07-30 CN CN201510456195.5A patent/CN105140278A/zh active Pending
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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