CN107910370A - 一种氮化镓异质结横向整流器 - Google Patents
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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整流器件。为优化氮化镓横向整流器的器件导通功耗与器件耐压之间的矛盾关系，本发明提出了一种具有复合栅结构的氮化镓异质结横向整流器。本发明的复合栅极结构由增强型栅结构和耗尽型栅结构两部分构成。通过优化器件的增强型栅结构和耗尽型栅结构的尺寸，可以使器件同时具有低的导通电阻和高的反向耐压。同时本发明的制造工艺与传统氮化镓HEMT器件工艺兼容，可以实现与传统氮化镓HEMT器件的单片集成。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种氮化镓异质结横向整流器件。
背景技术
电力电子技术是现代科学、工业和国防的重要支撑技术，其中功率半导体器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力，功率半导体器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用。其中，以功率MOS场效应管(MOSFET)和绝缘栅晶体管(IGBT)为代表的新型功率半导体器件占据了主导地位，在4C电子产品、工业控制、国防装备等领域发挥着重要作用。然而，以硅材料为基础的功率MOSFET器件越来越显示出其不足和局限性。宽禁带半导体材料具有更优的材料特性，有望解决当今功率半导体器件发展所面临的“硅极限”问题。
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。
宽禁带半导体电力电子器件具有非常广泛的军用和民用价值，如坦克、舰艇、飞机、火炮等军事设备的功率电子系统领域、以及民用电力电子设备、家用电器、列车牵引设备、高压直流输电设备，也正在应用到PC、混合动力车辆、电动汽车，太阳能发电等系统。在这些新型电力电子系统中，GaN电力电子器件是最核心的关键技术之一，可大大降低电能的消耗，因此也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。
近年来，由于工艺和材料的进步，基于氮化镓异质结材料的整流器件取得了巨大的进步，使其在半导体技术领域占有极其重要的地位。对于整流器而言，开启电压与反向耐压能力是其关键指标。然而，受肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触势垒的影响，传统的GaN异质结肖特基二极管的开启电压较大，较大的开启电压会增加器件的正向工作时的损耗；同时，器件的耐压能力也取决于肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触，从而器件的耐压能力与漏电特性也表现的不够理想。目前人们已经提出了多种技术来实现出氮化镓异质结整流器的低开启电压和高耐压。但是都或多或少的存在一些问题，无法同时实现低正向开启电压、低导通功耗及高反向耐压。因此开发一种具有低正向开启电压、低导通功耗及高反向耐压的GaN基整流器对于实际应用具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的就是，针对传统氮化镓异质结整流器存在的问题，提出了一种具有低导通电阻、高反向耐压和低功耗等优点的新型氮化镓异质结横向整流器。
本发明的技术方案是：一种氮化镓异质结横向整流器，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和SiN层4，所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述器件两端分别具有混合阳极结构和欧姆阴极结构，所述混合阳极结构具有复合绝缘栅极结构和欧姆阳极结构，所述欧姆阳极结构和欧姆阴极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述欧姆阳极结构与部分刻蚀的AlGaN层3接触形成阳极欧姆接触电极6；所述欧姆阴极结构与部分刻蚀的AlGaN层3接触形成阴极欧姆接触电极8；所述器件的复合绝缘栅极结构位于阳极欧姆接触电极6的右侧并与之接触，并包括增强型绝缘栅结构和耗尽型绝缘栅结构。所述增强型绝缘栅结构包括通过刻蚀AlGaN层3形成的凹槽9和覆盖在凹槽9中的绝缘栅介质5，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极7；所述耗尽型绝缘栅结构包括直接覆盖在AlGaN层3表面的绝缘栅介质5，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极10。
进一步的，所述绝缘栅介质5采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种。
进一步的，所述复合栅极结构需要通过刻蚀AlGaN层3形成凹槽9。
本发明的有益效果为，本发明的具有复合栅极的混合阳极二极管具有低导通电阻、高反向耐压和低开启电压等优点，同时其制造工艺与传统氮化镓异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统氮化镓异质结HEMT器件的单片集成。本发明尤其适用于氮化镓异质结整流器。
附图说明
图1为本发明的器件结构示意图；
图2为本发明的器件制造工艺流程中外延片示意图；
图3为本发明的器件制造工艺流程中生长钝化层后结构示意图；
图4为本发明的器件制造工艺流程中生长阳极与阴极欧姆金属后结构示意图；
图5为本发明的器件制造工艺流程中刻蚀AlGaN势垒层形成绝缘栅凹槽后的结构示意图；
图6为本发明的器件制造工艺流程中形成绝缘栅介质后结构示意图；
图7为本发明的器件制造工艺流程中形成绝缘栅金属后结构示意图。
图8为本发明的器件的正向电流电压特性曲线。
图9为本发明的器件的反向耐压特性曲线。
具体实施措施
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示，本发明的氮化镓异质结横向整流器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和SiN层4，所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述器件两端分别具有混合阳极结构和欧姆阴极结构，所述混合阳极结构具有复合绝缘栅极结构和欧姆阳极结构，所述欧姆阳极结构和欧姆阴极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述欧姆阳极结构与部分刻蚀的AlGaN层3接触形成阳极欧姆接触电极6；所述欧姆阴极结构与部分刻蚀的AlGaN层3接触形成阴极欧姆接触电极8；所述器件的复合绝缘栅极结构位于阳极欧姆接触电极6的右侧并与之接触，并包括增强型绝缘栅结构和耗尽型绝缘栅结构。所述增强型绝缘栅结构包括通过刻蚀AlGaN层3形成的凹槽9和覆盖在凹槽9中的绝缘栅介质5，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极7；所述耗尽型绝缘栅结构包括直接覆盖在AlGaN层3表面的绝缘栅介质5，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极10。
为了解决传统氮化镓异质结整流器存在的问题，本发明提出了一种具有复合栅极结构的氮化镓异质结横向整流器，与常规的横向场效应整流器相比，本发明中的栅极结构为复合栅极栅极结构。本发明的复合栅极结构由增强型栅结构和耗尽型栅结构两部分构成，增强型栅结构的栅极肖特基金属沉积在具有栅介质的凹槽中，通过刻蚀势垒层降低肖特基金属下方的二维电子气(2DEG)的浓度，实现器件的增强型并具有较低的开启电压；其中，复合栅极的中增强型栅沟道长度(LG,E)部分可以设计的很短，来步减小器件的导通电阻，实现器件的低功耗特性。耗尽型栅结构的栅极肖特基金属沉积在异质结表面，用来实现器件的高耐压能力。当器件工作在反向模式时，电场集中在靠近阴极的耗尽型栅结构的栅极肖特基金属边缘，能够有效抑制漏致势垒降低效应，从而能够提高器件反向耐压能力。因此，本发明提供的GaN异质结二极管具有高反向耐压、低功耗、低开启电压等优点，与此同时本发明所公布的器件制备工艺与传统GaN HEMT工艺兼容，可以实现GaN二极管与HEMT的单片集成。
需要特别指出的是，本发明的设计过程中尤其体现了以下细节：
1、复合栅极的肖特基金属与阳极金属接触；
2、在势垒层表面淀积钝化层，进一步降低漏电，提高性能；
3、对于不同的势垒层刻蚀深度，将得到不同的开启电压；
4、LG,E可以设计的很短来获得更小的导通电阻。
5、较大的LG,D可以实现较高的耐压。
本器件的基本工作原理是：
通过刻蚀减薄增强型栅结构的肖特基金属下方的AlGaN势垒层的厚度，使肖特基金属下方的二维电子气(2DEG)的浓度降低，从而当阳极施加的电压小于开启电压时，沟道中的二维电子气(2DEG)处于耗尽状态，器件关断；当阳极施加正电压，且大于开启电压时，肖特基金属下方的沟道处积累电子，形成从阳极到阴极的电流通路，于是器件开启。图8为本发明器件的正向电流电压特性曲线，可以看出，随着复合栅极结构的增强型沟道长度(LG,E)的减小，本器件的导通电阻也相应减小，但是同时也会导致器件耐压的降低；复合栅极结构的耗尽型型沟道长度(LG,D)部分并不影响器件的正向特性，但是增加耗尽型沟道长度可以有效的增加器件的耐压。因此，通过对复合栅极的耗尽型沟道长度及增强型沟道长度的优化设计，可以同时减小器件的导通电阻及增加器件的反向耐压。图9为本发明器件的反向耐压特性，可以看出，在LG,E一定的情况下，随着LG,D的增加，器件的耐压特性也相应提高，但这不会导致导通功耗的增加。
本发明所公布的器件制备工艺与传统GaN HEMT工艺兼容，可以实现GaN二极管与HEMT的单片集成。需要说明的是：
1、根据权利要求1所述的氮化镓异质结横向整流器，其特征在于，所述外延层(2)为GaN层，所述势垒层(3)为AlXN层，所述AlXN中X为Ga、In或者Ga与In的混合物中的一种。
2、根据权利要求1所述的氮化镓异质结横向整流器，其特征在于，所述绝缘栅介质5采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种。
3、根据权利要求1所述的氮化镓异质结横向整流器，其特征在于，所述复合栅极结构需要通过刻蚀AlGaN层3形成凹槽9。
4、根据权利要求1所述的氮化镓异质结横向整流器，其特征在于，复合栅极的肖特基金属7与阳极金属6接触。
在本发明中，可采用以下两种方案来制备绝缘介质材料。
(a)采用原子层淀积(ALD)制备Al2O3、HfO2、TiO2等介质材料。ALD所生长的薄膜是自限制的，能精确地控制薄膜的厚度和化学组分，而且淀积的薄膜具有很好的均匀性和保形性。应考虑采用复合叠层的办法来实现，比如HfO2/Al2O3等。
(b)采用MOCVD设备制备Ga2O3、Al2O3、AlGaO或AlGaO/Al2O3等各种单层、混合层以及各种叠层结构，以制备高性能绝缘栅介质。采用MOCVD方法具有介质材料成膜状态致密、厚度控制精准、易于形成混合膜和多层膜重复性好等优点，特别是对界面态控制的可控空间较大。
本发明的器件的一种工艺实现方案为：
1、首先形成AlGaN/GaN异质结，如图2所示；
2、在异质结上表面形成SiN钝化层，如图3所示；
3、通过刻蚀SiN钝化层及部分AlGaN势垒层后形成阳极与阴极的欧姆接触电极，如图4所示；
4、利用自对准技术刻蚀部分AlGaN层，形成栅极凹槽结构，如图5所示；
5、形成栅介质，如图6所示；
6、在栅极凹槽上方形成栅极金属，如图7所示。
Claims (2)
1.一种氮化镓异质结横向整流器，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)、AlGaN层(3)和SiN层(4)，所述GaN层(2)和AlGaN层(3)形成异质结；所述器件两端分别具有混合阳极结构和欧姆阴极结构，所述混合阳极结构具有复合绝缘栅极结构和欧姆阳极结构，所述欧姆阳极结构和欧姆阴极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述欧姆阳极结构为与AlGaN层(3)接触形成阳极欧姆接触电极(6)；所述欧姆阴极结构为与AlGaN层(3)接触形成阴极欧姆接触电极(8)；所述器件的复合绝缘栅极结构位于阳极欧姆接触电极(6)靠近阴极欧姆接触电极(8)的一侧并与阳极欧姆接触电极(6)接触，复合绝缘栅极结构包括增强型绝缘栅结构和耗尽型绝缘栅结构，所述增强型绝缘栅结构包括通过刻蚀AlGaN层(3)形成的凹槽(9)和覆盖在凹槽(9)中的绝缘栅介质(5)，以及覆盖在绝缘栅介质(5)上的肖特基金属栅电极(7)，肖特基金属栅电极(7)与阳极欧姆接触电极(6)接触；所述耗尽型绝缘栅结构包括直接覆盖在AlGaN层(3)表面的绝缘栅介质(5)，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极(10)。
2.根据权利要求1所述的氮化镓异质结横向整流器，其特征在于，所述绝缘栅介质(5)采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种。
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| WO2023092855A1 (zh) * | 2021-11-24 | 2023-06-01 | 华南理工大学 | N极性GaN/AlGaN基射频整流器及其制备方法 |
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- 2017-11-14 CN CN201711119247.5A patent/CN107910370A/zh active Pending
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