CN109192788A - 一种基于场板和复合势垒层的GaN基肖特基势垒二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于场板和复合势垒层的GaN基肖特基势垒二极管，包括衬底、位于衬底上的缓冲层和位于缓冲层上的沟道层；位于沟道层上的复合势垒层，包括第一势垒层、第二势垒层和第三势垒层；位于第一势垒层上的阴极；位于第二势垒层上的复合阳极，包括阳极欧姆接触和阳极肖特基接触；位于第三势垒层上的P型GaN帽层；位于P型GaN帽层上的基极；覆盖在复合势垒层、P型GaN帽层、阳极肖特基接触和基极上的钝化层。本发明实施例的GaN基肖特基势垒二极管通过引入复合势垒层、P型GaN帽层、基极和复合阳极，在提高器件击穿电压的同时减小了器件的开启电压，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，具体涉及一种基于场板和复合势垒层的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，本发明提供了一种基于场板和复合势垒层的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基于场板和复合势垒层的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：
第一势垒层，位于所述沟道层上；
第二势垒层，位于所述沟道层上；
第三势垒层，位于所述沟道层上并且设置在所述第一势垒层和所述第二势垒层之间，所述第一势垒层、所述第二势垒层和所述第三势垒层共同形成复合势垒层；
阴极，位于所述第一势垒层上；
阳极欧姆接触，位于所述第二势垒层上；
阳极肖特基接触，覆盖在所述阳极欧姆接触和所述第二势垒层上，所述阳极欧姆接触和所述阳极肖特基接触共同形成复合阳极；
P型GaN帽层，位于所述第三势垒层上且设置在所述阳极肖特基接触的一侧；
基极，位于所述P型GaN帽上；
钝化层，覆盖在所述第三势垒层和/或第一势垒层、所述P型GaN帽层、所述阳极肖特基接触和所述基极上。
在本发明的一个实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层的材料均包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.2～0.3。
在本发明的一个实施例中，所述第三势垒层材料包括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P型GaN帽层的长度小于等于所述复合阳极与所述阴极之间的长度。
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。
在本发明的一个实施例中，所述基极的长度小于等于所述P型GaN帽层的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的基于场板和复合势垒层的GaN基肖特基势垒二极管通过引入复合势垒层、P型GaN帽层、基极和复合阳极，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、本发明引入复合势垒层、P型GaN帽层和基极，复合势垒层中第一势垒层、第二势垒层与沟道层之间形成的二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)浓度较低，第三势垒层与沟道层之间形成的2DEG浓度较高，不同浓度的2DEG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，与沟道处的2DEG形成RESURF(Reduced SURface Field,降低表面电场)效应，可以有效降低阳极边缘高电场峰；基极可以横向扩展耗尽区，有效降低复合阳极边缘的高电场峰；复合势垒层、P型GaN帽层和基极的共同作用使耗尽区横向扩展并完全耗尽，在P型GaN帽层右侧末端、基极末端和阴极边缘处分别引入一个新的电场尖峰，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、本发明采用阳极欧姆接触与阳极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基于场板和复合势垒层的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基于场板和复合势垒层的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基于场板和复合势垒层的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基于场板和复合势垒层的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
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于场板和复合势垒层的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和位于缓冲层102上的沟道层103；
还包括：第一势垒层1041，位于沟道层103上；
第二势垒层1042，位于沟道层103上；
第三势垒层105，位于沟道层103上并且设置在第一势垒层1041和第二势垒层1042之间；第一势垒层1041、第二势垒层1042和第三势垒层105共同形成复合势垒层；
阴极107，位于第一势垒层1041上；
阳极欧姆接触108，位于第二势垒层1042上；
阳极肖特基接触110，覆盖在阳极欧姆接触108上和第二势垒层1042上；阳极欧姆接触108和阳极肖特基接触110共同形成复合阳极；
P型GaN帽层106，位于第三势垒层105上；
基极111，位于P型GaN帽层106上；
钝化层112，覆盖在复合势垒层、P型GaN帽层106、阳极肖特基接触110和基极111上。
进一步的，第一势垒层1041和第二势垒层1042均采用高Al组分的AlxGa1-xN，其中Al的含量即x范围为0.2～0.3；而第三势垒层105采用的是低Al组分的AlxGa1-xN材料，其中Al的含量即x的范围为0.05～0.2。
进一步的，第三势垒层105的长度l3需使2DEG在第三势垒层105中完全耗尽，即第三势垒层105的长度l3大于等于2DEG耗尽区的长度。
进一步的，P型GaN帽层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基于场板和复合势垒层的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。
进一步的，基极111设置在阳极肖特基接触110的一侧，并且其长度l8小于等于P型GaN帽层106的长度l7，请参见图2。
进一步的，阴极107与第一势垒层1041之间形成欧姆接触；进一步的，由于第三势垒层105的长度l3大于等于2DEG耗尽区的长度，因此，阴极107也可以同时位于第一势垒层1041与第三势垒层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，第二势垒层1042上刻蚀有凹槽结构109，肖特基接触110设置在凹槽结构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是指与第二势垒层1042之间形成欧姆接触的欧姆接触电极，肖特基接触是指与第二势垒层1042之间形成肖特基接触的肖特基接触电极，欧姆接触电极和肖特基接触电极共同形成复合阳极。
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；由于第一势垒层和第二势垒层中的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，第三势垒层中的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。
具体的，P型GaN帽层和复合势垒层之间形成的反偏PN结对2DEG具有耗尽作用，可以调制器件的电场分布：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。
具体的，基极的引入可以横向扩展器件的耗尽区，使得器件表面电场分布更加均匀。
本发明实施例的GaN基SBD器件在复合势垒层、P型GaN帽层和基极的共同作用下，器件的耗尽区横向扩展并完全耗尽，P型GaN帽层右侧末端、基极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。
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。
本发明实施例GaN基SBD器件的复合阳极将场控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。
本发明实施例GaN基SBD器件在P型GaN帽层、复合势垒层、基极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1041、第二势垒层1042和第三势垒层105的材料还可以包括GaN、AlN、InGaN、InAlN中的一种或多种；钝化层112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。
实施例二
在实施例一的基础上，本发明实施例还提供了一种复合势垒层的横向尺寸为19.5μm、P型GaN帽层106的长度为7μm的GaN基SBD器件，请参见图1和图2，其中，衬底101、缓冲层102、沟道层103、复合势垒层和钝化层112的横向尺寸l1均为19.5μm，第二势垒层1042长度l2为4.5μm，第一势垒层1041长度l4为4.5μm，第三势垒层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，基极111的长度l7为1μm。
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201，位于衬底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，对本发明实施例提供的基于场板和复合势垒层的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(本发明实施例的GaN基SBD器件)的开启电压降低了39％。
请参见图7，对本发明实施例提供的基于场板和复合势垒层的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基于场板和复合势垒层的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，x代表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；新型器件(本发明实施例的GaN基SBD器件)中在P型GaN帽层右侧末端、基极末端和阴极边缘处分别引入一个新的电场尖峰，从而产生了四个电场尖峰，使得器件表面电场分布更加均匀，其击穿电压为2653V，击穿电压提高868％。
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 (6)
1.一种基于场板和复合势垒层的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：
第一势垒层(1041)，位于所述沟道层(103)上；
第二势垒层(1042)，位于所述沟道层(103)上；
第三势垒层(105)，位于所述沟道层(103)上并且设置在所述第一势垒层(1041)和所述第二势垒层(1042)之间；所述第一势垒层(1041)、所述第二势垒层(1042)和所述第三势垒层(105)共同形成复合势垒层；
阴极(107)，位于所述第一势垒层(1041)上；
阳极欧姆接触(108)，位于所述第二势垒层(1042)上；
阳极肖特基接触(110)，覆盖在所述阳极欧姆接触(108)和所述第二势垒层(1042)上，所述阳极欧姆接触(108)和所述阳极肖特基接触(110)共同形成复合阳极；
P型GaN帽层(106)，位于所述第三势垒层(105)上；
基极(111)，位于所述P型GaN帽层(106)上；
钝化层(112)，覆盖在所述复合势垒层、所述P型GaN帽层(106)、所述阳极肖特基接触(110)和所述基极(111)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，所述第一势垒层(1041)和所述第二势垒层(1042)的材料均包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.2～0.3。
3.如权利要求1所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述第三势垒层(105)材料包括AlxGa1-xN，其中x范围为0.05～0.2。
4.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)的长度小于等于所述复合阳极与所述阴极(107)之间的距离。
5.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。
6.如权利要求1所述的GaN基肖特基势垒二极管，其特征在于，所述基极(111)的长度小于等于所述P型GaN帽层(106)的长度。
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