CN109166929A - 一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管，包括衬底、位于衬底上的缓冲层、位于缓冲层上的沟道层、复合势垒层、阴极、复合阳极、P型GaN帽层和钝化层，其中，复合势垒层位于沟道层上；阴极、复合阳极和P型GaN帽层均位于复合势垒层上，P型GaN帽层位于阴极和复合阳极之间，并且P型GaN帽层的长度小于等于所述阴极与所述复合阳极之间距离的一半；钝化层覆盖在阴极、复合阳极、P型GaN帽层和复合势垒层上。本发明实施例的具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管在提高器件击穿电压的同时减小了器件的开启电压，使得二者同时具有较高的性能指标，改善了器件的击穿特性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管。
背景技术
随着微电子技术的发展，传统第一代Si半导体和第二代GaAs半导体功率器件性能已接近其材料本身决定的理论极限，而以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，由于具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的电子饱和漂移速度，且化学性能稳定、耐高温、抗辐射等突出优点，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，在二极管领域应用潜力巨大。
GaN基肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)是替代Si基肖特基势垒二极管的理想器件。然而，目前GaN基SBD器件从理论到工艺技术都存在很多不足，其性能远未达到应有的水平。因此，GaN基SBD器件还有很大的开发潜力。
为了充分利用GaN材料的高临界击穿电场等优异特性，现有技术提出了以下两种方法来提高GaN基SBD器件的耐压特性。第一种是通过场板结构来提高GaN基SBD器件的耐压特性，场板技术是一种传统的用来改善器件耐压的常用终端技术。GaN基SBD器件中场板的基本结构是通过淀积、光刻以及刻蚀的方法，在肖特基金属电极外围制备一层介质薄膜，将肖特基电极适当延伸到介质的上方，从而在电极外围形成一圈金属-绝缘层-半导体结构。场板结构通过改变阳极(肖特基电极)边缘耗尽层边界的弯曲程度，从而改变耗尽层中的电场分布，降低峰值电场强度，来提高器件的击穿电压。然而场板的引入会使器件寄生电容增大，影响器件的高频和开关特性。第二种是通过保护环结构来提高GaN基SBD器件的耐压特性，保护环结构也是目前GaN基SBD器件(特别是垂直结构的器件)中普遍采用的结构之一。这种工艺首先采用局部氧化的办法，在肖特基接触的边缘形成一层氧化层，然后在此基础上扩散或者离子注入形成一层P型保护环结构。保护环结构可有效调制器件表面电场，使器件横向电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压。但是保护环结构的实现依赖于在半导体材料中进行精确可控的局部掺杂，一般要通过热扩散或者离子注入技术来实现。对于GaN材料，P型杂质(如Mg)在GaN中的扩散系数非常低，以致无法用热扩散的方法实现准确的局部掺杂；而离子注入技术尚未成熟，其导致的晶格损伤很难用退火的方法来消除。
综上所述，现有技术在提高传统GaN基SBD器件的耐压特性的同时会影响器件的其他性能；并且在传统GaN基SBD器件中，肖特基接触势垒会同时影响器件的正向开启电压及反向耐压，使得二者很难同时实现较高的性能指标。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管，包括衬底、位于所述衬底上的缓冲层和位于所述缓冲层上的沟道层，还包括复合势垒层、阴极、复合阳极、P型GaN帽层和钝化层，其中，
所述复合势垒层位于所述沟道层上；
所述阴极、所述复合阳极和所述P型GaN帽层均位于所述复合势垒层上，所述P型GaN帽层位于所述阴极和所述复合阳极之间，并且所述P型GaN帽层的长度小于等于所述阴极与所述复合阳极之间距离的一半；
所述钝化层覆盖在所述阴极、所述复合阳极、所述P型GaN帽层和所述复合势垒层上。
在本发明的一个实施例中，所述复合势垒层包括第一势垒层和第二势垒层，其中，所述第一势垒层包括第一势垒子层和第二势垒子层，所述第二势垒层位于所述第一势垒子层和第二势垒子层之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一势垒层材料包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.2～0.3。
在本发明的一个实施例中，所述第二势垒层材料包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.05～0.2。
在本发明的一个实施例中，所述复合阳极包括欧姆接触和肖特基接触，其中，所述欧姆接触位于所述第一势垒子层上，所述肖特基接触覆盖在所述第一势垒子层和所述欧姆接触上。
在本发明的一个实施例中，所述P型GaN帽层位于所述第二势垒层上。
在本发明的一个实施例中，所述P型GaN帽层的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管通过同时引入复合势垒层、P型GaN帽层和复合阳极，在提高器件击穿电压的同时减小了器件的开启电压，从而缓解了器件击穿电压与开启电压之间的矛盾，使得二者同时具有较高的性能指标，改善了器件的击穿特性和可靠性。
2、本发明引入的复合势垒层中第一势垒层、第二势垒层分别与沟道层之间形成的二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)浓度不同，有利于横向扩展耗尽区；同时P型GaN帽层与复合势垒层之间形成的反偏PN结具有耗尽作用，可以有效降低阳极边缘高电场峰；在复合势垒层和P型GaN帽层的共同作用下，耗尽区横向扩展并完全耗尽，P型GaN帽层右侧末端和阴极边缘产生两个新的电场尖峰，使器件表面电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压。
3、本发明采用欧姆接触与肖特基接触共同组成复合阳极，复合阳极将场控2DEG沟道开关原理引入GaN基SBD器件中，代替传统GaN基SBD器件利用肖特基来控制开关的导通机制，使得器件开启电压得以降低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具有复合阳极的GaN基SBD器件的尺寸示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种阴极位置示意图；
图4为本发明实施例提供的一种凹槽结构示意图；
图5为现有技术提供的一种传统GaN基SBD器件的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件及传统GaN基SBD器件的转移特性比较图；
图7为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件及传统GaN基SBD器件的反向耐压电场分布比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
本发明实施例提供了一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管，包括衬底、位于所述衬底上的缓冲层和位于所述缓冲层上的沟道层；还包括复合势垒层、阴极、复合阳极、P型GaN帽层和钝化层，
其中，所述复合势垒层位于所述沟道层上；
所述阴极、所述复合阳极和所述P型GaN帽层均位于所述复合势垒层上；所述P型GaN帽层位于所述阴极和所述复合阳极之间，并且所述P型GaN帽层的长度小于等于所述阴极与所述复合阳极之间距离的一半；
所述钝化层覆盖在所述阴极、所述复合阳极、所述P型GaN帽层和所述复合势垒层上。
本发明实施例的具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管通过同时引入复合势垒层、P型GaN帽层和复合阳极，在提高器件击穿电压的同时减小了器件的开启电压，从而缓解了器件击穿电压与开启电压之间的矛盾，使得二者同时具有较高的性能指标，改善了器件的击穿特性和可靠性。
实施例二
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管的结构示意图，包括：
衬底101，位于衬底101上的缓冲层102，位于缓冲层102上的沟道层103，位于沟道层103上的复合势垒层，位于复合势垒层一端的阴极107，位于复合势垒层另一端的复合阳极，位于阴极107和复合阳极之间的复合势垒层上且设置在复合阳极一侧的P型GaN帽层，覆盖在复合势垒层、P型GaN帽层106、阴极107和复合阳极上的钝化层。
进一步的，复合势垒层包括第一势垒层和第二势垒层105，其中，第一势垒层包括第一势垒子层1041和第二势垒子层1042，第二势垒层105位于第一势垒子层1041和第二势垒子层1042之间；进一步的，第二势垒层105的长度l3需使2DEG在第二势垒层105中完全耗尽，即第二势垒层105的长度l3大于等于2DEG耗尽区的长度。
进一步的，第一势垒和第二势垒层105的材料不同；第一势垒层采用高Al组分的AlxGa1-xN材料，其中Al的含量即x的范围为0.2～0.3；第二势垒层105采用低Al组分的AlxGa1-xN材料，其中Al的含量即x的范围为0.05～0.2。
具体的，复合势垒层和沟道层之间形成异质结，在异质结界面处存在2DEG；由于第一势垒层中的Al含量较高，其与沟道层之间的极化强度较强，异质结处的2DEG浓度也较高；反之，第二势垒层中的Al含量较低，其与沟道层之间的极化强度较弱，异质结处的2DEG浓度也较低；低浓度的2DEG有助于沟道2DEG耗尽区的横向扩展，从而在阴极边缘处引入一个新的电场尖峰，使器件表面电场分布更加均匀，击穿电压得以提高。
进一步的，P型GaN帽层位于第二势垒层105上，P型GaN帽层的106的长度l7小于等于阴极107与复合阳极之间距离l6的一半，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件的尺寸示意图。
进一步的，P型GaN帽层106的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3。
具体的，P型GaN帽层和复合势垒层之间形成RESURF效应：当关态下向阴极施加较高的正向电压时，P型GaN帽层靠近阴极的区域与复合势垒层之间形成反偏的PN结，进而形成空间电荷区，在复合势垒层上表面产生正的空间电荷，正的空间电荷会吸引电场，从而降低P型GaN帽层下方异质结处2DEG的浓度，扩展了2DEG耗尽区的长度，在P型GaN帽层靠近阴极一侧形成一个新的电场峰，使GaN基SBD器件的表面电场分布更加均匀，击穿电压得以提高。
具体的，P型GaN帽层的长度小于等于阴极与复合阳极之间距离的一半，能在提高击穿电压的同时保证大的正向电流密度，符合功率器件的要求。
在上述P型GaN帽层和复合势垒层的共同作用下，器件的耗尽区横向扩展并完全耗尽，P型GaN帽层右侧末端和阴极边缘处分别引入一个新的电场尖峰，器件的表面电场分布更加均匀，从而击穿电压得以提高。
进一步的，阴极107位于第二势垒子层1042上，并且与第二势垒子层1042之间形成欧姆接触；进一步的，由于第二势垒层105的长度l3需使2DEG在第二势垒层105中完全耗尽，因此，阴极107也可以同时位于第二势垒子层1042和第二势垒层105上，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种阴极位置示意图。
进一步的，复合阳极包括欧姆接触108和肖特基接触110，欧姆接触108位于第一势垒子层1041上，肖特基接触110覆盖在欧姆接触108和第一势垒子层1041上；进一步的，在第一势垒子层1041刻蚀有凹槽结构109，肖特基接触电极110覆盖在凹槽结构109中，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种凹槽结构示意图。
需要说明的是，在本发明实施例中，欧姆接触108是指与第一势垒子层1041之间形成欧姆接触的电极，肖特基接触110是指与第一势垒子层1041之间形成肖特基接触的电极，这两个电极共同形成复合阳极。
具体的，采用欧姆接触和肖特基接触共同构成复合阳极；当器件在自然状态下，阳极肖特基接触下方沟道内的2DEG被完全耗尽，二极管处于天然的关断状态。当阳极的偏压增大时，阳极肖特基接触下方沟道的内电子重新聚集起来，当阳极偏压大于沟道开启电压时，电子就可从阴极流向阳极欧姆金属电极，实现二极管的低损耗开启。
上述复合阳极将场控二维电子气沟道开关原理引入GaN基SBD器件中，代替传统GaN基SBD器件利用肖特基来控制开关的导通机制，使得器件开启电压得以降低。
综上所述，在P型GaN帽层、复合势垒层和复合阳极的共同作用下，GaN基SBD器件的击穿电压得到提高，同时开启电压得到减小，缓解了击穿电压与开启电压之间的矛盾，使得二者同时具有较高的性能指标，器件的击穿特性和可靠性也得到改善。
在一个具体实施例中，衬底层101材料包括蓝宝石、Si、SiC、AlN、GaN、AlGaN中的一种或多种；缓冲层102、沟道层103材料均包括GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或多种；复合势垒层中的第一势垒层和第二势垒层105的材料还可以包括GaN、AlN、InGaN、InAlN中的一种或多种；钝化层111材料包括SiNx、Al2O3、AlN、Y2O3、La2O3、Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2中的一种或多种；阴极107和欧姆接触电极108材料均为金属合金材料，常用的金属合金有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等；肖特基接触电极110材料为功函数范围在4.6eV-6eV的金属合金材料，常用金属合金的有Ni/Au或Ti/Au等；P型GaN帽层106的掺杂元素可以为Mg，Fe，Zn，C等，但是不限于此。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，本发明实施例还提供了一种P型GaN帽层横向尺寸为7μm的GaN基SBD器件，请参见图1和图2，图2为本发明实施例二提供的具有复合阳极的GaN基SBD器件的尺寸示意图，其中，衬底层101、缓冲层102、沟道层103、复合势垒层和钝化层111的横向尺寸l1均为19.5μm，第一势垒子层1041长度l2为4.5μm，第二势垒子层1042长度l4为4.5μm，第二势垒层105的长度l3为10μm，复合阳极的尺寸l5为4.5μm，复合阳极与阴极107之间的距离l6为14μm，P型GaN帽层106的长度l7为7μm。
请参见图5，图5为现有技术提供的一种传统GaN基SBD器件的结构示意图，包括：衬底层201，位于衬底层201上的缓冲层202，位于缓冲层202上的沟道层203，位于沟道层203上的势垒层204，位于势垒层204表面两端的阳极206和阴极205，覆盖在阳极206、阴极205和势垒层204上的钝化层207。其中，衬底层201、缓冲层202、沟道层203、势垒层204和钝化层207的横向尺寸均为19.5μm，阳极206长度为4.5μm，阴极和阳极的间距为14μm。
请参见图6，对上述具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件和传统GaN基SBD器件采用Silvaco软件进行仿真得到图6，图6为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件及传统GaN基SBD器件的转移特性比较图。由图6可见，传统器件(传统GaN基SBD器件)的开启电压为0.93V，新型器件(本发明实施例的GaN基SBD器件)的开启电压为0.57V；相比传统GaN基SBD器件，新型器件的开启电压降低了39％。
请参见图7，对上述具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件和传统GaN基SBD器件采用Silvaco软件进行仿真得到图7，图7为本发明实施例提供的一种具有P型GaN帽层的GaN基SBD器件及传统GaN基SBD器件的反向耐压电场分布比较图，其中，横坐标x代表SBD器件及各个结构的横向尺寸。由图7可见，传统器件(传统GaN基SBD器件)中有一个电场尖峰，其击穿电压为274V；传统器件(传统GaN基SBD器件)中在P型GaN帽层右侧末端和阴极边缘处分别引入一个新的电场尖峰，从而产生了三个电场尖峰，使得器件表面电场分布更加均匀，其击穿电压为2746V，击穿电压提高902％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有P型GaN帽层的GaN基肖特基势垒二极管，包括衬底(101)、位于所述衬底(101)上的缓冲层(102)和位于所述缓冲层(102)上的沟道层(103)，其特征在于，还包括复合势垒层、阴极(107)、复合阳极、P型GaN帽层(106)和钝化层(111)，其中，
所述复合势垒层位于所述沟道层(103)上；
所述阴极(107)、所述复合阳极和所述P型GaN帽层(106)均位于所述复合势垒层上，所述P型GaN帽层(106)位于所述阴极(107)和所述复合阳极之间，并且所述P型GaN帽层(106)的长度小于等于所述阴极(107)与所述复合阳极之间距离的一半；
所述钝化层(111)覆盖在所述阴极(107)、所述复合阳极、所述P型GaN帽层(106)和所述复合势垒层上。
2.如权利要求1所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述复合势垒层包括第一势垒层和第二势垒层(105)，其中，所述第一势垒层包括第一势垒子层(1041)和第二势垒子层(1042)，所述第二势垒层(105)位于所述第一势垒子层(1041)和第二势垒子层(1042)之间。
3.如权利要求2所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述第一势垒层材料包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.2～0.3。
4.如权利要求2所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述第二势垒层(105)材料包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.05～0.2。
5.如权利要求2所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述复合阳极包括欧姆接触(108)和肖特基接触(110)，其中，所述欧姆接触(108)位于所述第一势垒子层(1041)上，所述肖特基接触(110)覆盖在所述第一势子垒层(1041)和所述欧姆接触(108)上。
6.如权利要求2所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述P型GaN帽层(106)位于所述第二势垒层(105)上。
7.如权利要求1所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述P型GaN帽层(106)的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3。
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