CN114678415A - 一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件 - Google Patents
一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，包括衬底和依次设置于衬底上的GaN缓冲层、AlGaN势垒层、钝化层，所述钝化层的两侧分别设置有阳极金属和阴极金属，所述阳极金属和所述阴极金属之间的AlGaN势垒层上间隔设置有若干个阵列浮空岛结构，且沿所述阳极金属至所述阴极金属方向及所述阳极金属或所述阴极金属的延伸方向，均设置有若干个阵列浮空岛结构，相邻的两个阵列浮空岛结构均设置有间隔距离。本发明将浮空岛结构阵列布置于阴极金属和阳极金属的AlGaN势垒层上，减少了其下方2DEG的损耗，提高了正向电流密度，器件的正向导通特性得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件。
背景技术
随着以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料的发展，基于AlGaN/GaN异质结的SBD(SchottkyBarrierDiode，肖特基势垒二极管)器件被广泛应用，其异质结界面因极化效应产生的正极化电荷形成高迁移率的二维电子气2DEG，使得SBD器件在正向导通时具有较大的正向电流；但是SBD器件在反向偏置时，由于器件在耗尽层中的边缘电场集中效应，使得其击穿电压远小于理论的反向击穿电压。
目前，主要采用在两个金属电极之间淀积形成浮空金属环结构和场板结构，提高SBD器件的反向击穿电压。例如2019年12月22日公开的，公开号为CN110364574A的发明专利《基于P-GaN帽层和浮空金属环的AlGaN/GaN异质结肖特基二极管器件》，其采用场板结构和浮空金属环结构相结合的方式，在器件反向偏置时，利用浮空金属环的等电势效应分散横向电场，同时利用浮空金属的场板结构与边缘处的PN结进一步分散浮空金属环边缘与阳极边缘处的电场峰值，使得电场横向分布更加均匀。但是还存在下列一些问题：
1)正向导通时，由于浮空金属环对横向电场的分散及肖特基结面和PN结产生的耗尽区(空间电荷区)，导致电势横向变化缓慢，影响正向导通特性。
2)正向导通时，在阳极和阴极之间的浮空金属环和场板结构垂直于电流方向连续分布，下方的二维电子气2DEG因为其产生的空间电荷区发生损耗，导致电子迁移率降低，正向电流密度降低，电流减小。
3)组合结构单一，若想要达到理想的反向击穿电压，则需设置若干个横向连续分布的组合结构，对器件性能和尺寸影响较大。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其采用单阶梯式或多阶梯式浮空金属岛结构组成的浮空岛结构，阵列布置于阴极和阳极的AlGaN势垒层上，减少了其下方2DEG的损耗，同时提高了正向电流密度，器件的正向导通特性得到提升。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，包括衬底和依次设置于衬底上的GaN缓冲层、AlGaN势垒层、钝化层，所述钝化层的两侧分别设置有阳极金属和阴极金属，所述阳极金属和所述阴极金属之间的AlGaN势垒层上间隔设置有若干个阵列浮空岛结构，且沿所述阳极金属至所述阴极金属方向及所述阳极金属或所述阴极金属的延伸方向，均设置有若干个阵列浮空岛结构，相邻的两个阵列浮空岛结构均设置有间隔距离；所述阵列浮空岛结构包括P型帽层和浮空金属岛；所述AlGaN势垒层的未被阵列浮空岛结构覆盖的部分和所述阵列浮空岛的除浮空金属岛上表面的部分均由所述钝化层覆盖。
优选地，沿所述阳极金属至所述阴极金属方向，第一个阵列浮空岛结构与所述阳极金属间隔开，最后一个阵列浮空岛结构与所述阴极金属间隔开。
优选地，同一阵列浮空岛结构中，浮空金属岛位于靠近所述阳极一侧的AlGaN势垒层上，P型帽层位于靠近所述阴极一侧的AlGaN势垒层上。
优选地，所述浮空金属岛包括与AlGaN势垒层接触的第一延伸端和朝向所述阴极金属延伸的浮空端，所述浮空端覆盖于所述P型帽层上表面。
优选地，所述浮空端覆盖所述P型帽层上表面靠近阳极的部分区域。
优选地，所述P型帽层包括沿阴极金属方向至阳极金属方向依次间隔设置于AlGaN势垒层上的第一P型帽层、第二P型帽层和第三P型帽层，所述浮空金属岛还包括垂直于所述浮空端朝向AlGaN势垒层延伸的第二延伸端和第三延伸端；
所述第三P型帽层紧密设置于第一延伸端和第二延伸端之间，所述第二P型帽层紧密设置于第二延伸端和第三延伸端之间，所述第一P型帽层紧密设置于第三延伸端和钝化层之间；除第一延伸端外，其余延伸端均不与所述AlGaN势垒层接触。
优选地，所述第二延伸端的长度小于所述第一延伸端的长度且大于所述第三延伸端的长度。
优选地，所述钝化层分别覆盖第二延伸端下表面和AlGaN势垒层之间及第三延伸端下表面和AlGaN势垒层之间。
优选地，所述P型帽层为P型GaN帽层。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的器件采用被阵列布置在阴极金属和阳极金属之间的势垒层上的阵列浮空岛结构，阵列岛结构在电场垂直方向上间断出现，无阵列岛结构下方的2DEG不会被阵列浮空岛结构的金属或P型帽层损耗，正向电流密度不会降低。
(2)本发明的阵列浮空岛结构中的浮空金属岛在电场垂直方向上间断出现，正向导通时产生的串联电阻变小，正向电流变大。
(3)本发明的浮空金属岛和P型帽层与势垒层形成的肖特基结和PN结面积减小，耗尽区(空间电荷区)变小，器件正向导通时，提高了电势横向变化速度，正向导通特性得到改善。
(4)本发明采用多阶梯式浮空金属岛结构，引入多个电场峰值，使电场分布更加均匀，击穿电压大幅度提升。
(5)本发明的器件可以通过增加阵列浮空金属岛的个数进一步的提高击穿电压，并且增加阵列浮空金属岛个数只需在版图上进行改动就可以实现，不需要增加新的工艺步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件的器件结构示意图；
图2为图1中以有源区为俯面的器件结构示意图；
图3为现有的基于浮空环结构的AlGaN/GaN异质结SBD器件结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件的器件结构示意图。
附图标记说明：
101-衬底，102-GaN缓冲层，103-AlGaN势垒层，104-阳极金属，105-阴极金属，106-钝化层，107-浮空金属岛，107’-浮空金属环，70-浮空端，71-第一延伸端，72-第二延伸端，73-第三延伸端，108-P型帽层，81-第一P型帽层，82-第二P型帽层，83-第三P型帽层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1和图2所示，本发明实施例一提供了一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，包括衬底101和依次设置于衬底101上的GaN缓冲层102、AlGaN势垒层103、钝化层106，钝化层106的两侧分别设置有阳极金属104和阴极金属105，阳极金属104和阴极金属105之间的AlGaN势垒层103上间隔设置有若干个阵列浮空岛结构，且沿所述阳极金属104至所述阴极金属105方向及所述阳极金属104或所述阴极金属105的延伸方向，均设置有若干个阵列浮空岛结构，相邻的两个阵列浮空岛结构均设置有间隔距离；阵列浮空岛结构包括P型帽层108和浮空金属岛107；AlGaN势垒层103的未被阵列浮空岛结构覆盖的部分和阵列浮空岛的除浮空金属岛107上表面的部分均由钝化层106覆盖。
如图2和图3所示，本发明在阳极金属104和阴极金属105之间的势垒层上设置有阵列浮空岛结构，与传统的浮空金属环107’结构不同的是：阵列浮空岛结构在横向区域(图2，X轴方向)是间断出现的，无阵列浮空岛的区域下方的2DEG不会被浮空岛的金属或P型帽层108损耗，无浮空阵列岛的区域的正向电流密度不会降低；而传统的浮空金属环结构在X轴方向上是连续的，下方的2DEG必然会损耗。因此相比于传统浮空金属环结构，本发明结构的正向电流密度得到提升。
进一步地，沿Y轴方向，第一个阵列浮空岛结构与阳极金属104间隔开，最后一个阵列浮空岛结构与阴极金属105间隔开。也就是说，由P型帽层108和浮空金属岛107组成的阵列浮空岛结构均不与阳极金属104和阴极金属105接触，不流经电流，因此不会引入其他的寄生电容，对器件的工作频率没有影响。
具体的，同一所述阵列浮空岛结构中，浮空金属岛107位于靠近阳极金属104一侧的AlGaN势垒层103上，P型帽层108位于靠近阴极金属105一侧的AlGaN势垒层103上，P型帽层108与N型AlGaN势垒层103接触形成PN结，浮空金属岛107与N型AlGaN势垒层103接触形成肖特基结，浮空金属岛107包括与AlGaN势垒层103接触的第一延伸端71和朝向阴极金属延伸的浮空端70，浮空端70覆盖于P型帽层108上表面。
二极管反向偏置时，一方面，靠近阳极金属104和阴极金属105两端附近的PN结和肖特基结形成的耗尽区扩展了阳极金属104和阴极金属105处的耗尽区长度，缓解了边缘电场集中效应；另一方面，浮空金属岛107的浮空端70形成的场板结构可以进一步对PN结结面和肖特基结结面作用，扩展结面面积的同时还可以分散浮空端70的边缘电场，提高击穿电压。
具体的，浮空端70覆盖P型帽层108上表面靠近阳极的部分区域。反向偏置时，根据等电势效应，浮空端70具有一定的电势，从而形成场板结构，对肖特基结面和PN结结面施加电压作用，使得耗尽区宽度增加，进一步提高了器件的反向击穿电压。优选地，浮空端70长度小于P型帽层108的宽度或覆盖住P型帽层108的边缘处即可，一定程度上，既可以起到场板结构的作用也可以防止正向导通时因浮空端70过长导致的电势横向变换缓慢，影响正向导通特性。进一步地，本发明提供的器件的浮空金属岛107上表面在进行表面钝化处理前，可根据实际需要连接独立电源以提供足够的电势以分散浮空金属岛浮空端70的电场峰值。
本发明实施例一采用的阵列浮空岛结构中的浮空金属岛为单阶梯式浮空金属岛，在反向偏置情况下，浮空岛耗尽区存在类似浮空金属环展宽耗尽区的能力，使得电场横向分布更加均匀，提高击穿电压；与此同时利用P型材料形成的PN结进一步分散电场，进一步提高击穿电压。
实施例二
如图4所示，本发明还提供一种具有多阶梯式浮空金属岛结构的复合肖特基二极管，在实施例一的基础上，改变阵列浮空岛结构，实施例二的阵列浮空岛结构包括多阶梯式浮空金属岛107和多个P型帽层108，除此之外的其他器件结构与实施例一一致。
具体的，所述P型帽层108包括沿阴极金属105方向至阳极金属104方向依次间隔设置于AlGaN势垒层103上的第一P型帽层81、第二P型帽层82和第三P型帽层83，浮空金属岛107还包括垂直于浮空端70朝向AlGaN势垒层103延伸的第二延伸端72和第三延伸端73；第三P型帽层83紧密设置于第一延伸端71和第二延伸端72之间，第二P型帽层82紧密设置于第二延伸端72和第三延伸端73之间，第一P型帽层81紧密设置于第三延伸端73和钝化层106之间；除第一延伸端71外，其余延伸端均不与AlGaN势垒层103接触。优选地，第二延伸端72的长度小于第一延伸端71的长度且大于第三延伸端73的长度，呈阶梯状。
本发明实施例二提供的阵列浮空岛结构在器件反向偏置时，靠近阳极金属104和阴极金属105两侧的阵列浮空岛可以展宽耗尽区，使得电场横向分布更加均匀，提高击穿电压；同时利用P型帽层108与N型AlGaN势垒层103形成的PN结进一步分散电场，进一步提高击穿电压。
进一步地，与实施例一不同的是，浮空金属岛107呈多阶梯式结构，根据等电势效应，当器件反向偏置时，介于不同延伸端之间的浮空端70可以引入多个电场峰值，使电场分布更加均匀，击穿电压大幅度提升。具体而言，第一延伸端71和第二延伸端72之间的浮空端、第二延伸端72和第三延伸端73之间的浮空端以及第三延伸端73上方的浮空端分别引入不同的电场峰值，使得器件在反向偏置时，电势横向变化缓慢；同时，上述不同区域的浮空端70还可以形成多个场板结构，对多个P型帽层108与N型AlGaN势垒层103形成的多个PN结结面作用，分散电场的同时增加了结面面积，扩展了浮空金属岛107处的耗尽区的长度，使电场分布更加均匀，进一步提高了反向击穿电压。
进一步地，钝化层106分别覆盖于第二延伸端72下表面和AlGaN势垒层103之间及第三延伸端73下表面和AlGaN势垒层103之间。同样的，本发明实施例二提供的器件，其浮空金属岛107上表面在进行表面钝化处理前，可根据实际需要连接独立电源以提供足够的电势以分散浮空金属岛浮空端的电场峰值。优选地，P型帽层108为P型GaN帽层。
综上所述，本发明采用具有阵列浮空岛结构的AlGaN/GaN异质结SBD器件，阵列浮空岛在势垒层的X轴和Y轴方向上呈阵列间隔布置，无阵列浮空岛区域下方的2DEG不会被浮空金属岛107或P型帽层108损耗，因此器件正向导通时，电流密度不会降低；此外，实施例一和实施例二提供的器件均可以通过增加阵列浮空岛的个数进一步的提高击穿电压，并且增加阵列浮空岛个数只需在版图上进行改动就可以实现，不需要增加新的工艺步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，包括衬底和依次设置于衬底上的GaN缓冲层、AlGaN势垒层、钝化层，所述钝化层的两侧分别设置有阳极金属和阴极金属，所述阳极金属和所述阴极金属之间的AlGaN势垒层上间隔设置有若干个阵列浮空岛结构，且沿所述阳极金属至所述阴极金属方向及所述阳极金属或所述阴极金属的延伸方向，均设置有若干个阵列浮空岛结构，相邻的两个阵列浮空岛结构均设置有间隔距离；所述阵列浮空岛结构包括P型帽层和浮空金属岛；所述AlGaN势垒层的未被阵列浮空岛结构覆盖的部分和所述阵列浮空岛的除浮空金属岛上表面的部分均由所述钝化层覆盖。
2.如权利要求1所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，沿所述阳极金属至所述阴极金属方向，第一个阵列浮空岛结构与所述阳极金属间隔开，最后一个阵列浮空岛结构与所述阴极金属间隔开。
3.如权利要求1所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，同一阵列浮空岛结构中，浮空金属岛位于靠近所述阳极一侧的AlGaN势垒层上，P型帽层位于靠近所述阴极一侧的AlGaN势垒层上。
4.如权利要求3所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，所述浮空金属岛包括与AlGaN势垒层接触的第一延伸端和朝向所述阴极金属延伸的浮空端，所述浮空端覆盖于所述P型帽层上表面。
5.如权利要求4所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，所述浮空端覆盖所述P型帽层上表面靠近阳极的部分区域。
6.如权利要求4所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，所述P型帽层包括沿阴极金属方向至阳极金属方向依次间隔设置于AlGaN势垒层上的第一P型帽层、第二P型帽层和第三P型帽层，所述浮空金属岛还包括垂直于所述浮空端朝向AlGaN势垒层延伸的第二延伸端和第三延伸端；
所述第三P型帽层紧密设置于第一延伸端和第二延伸端之间，所述第二P型帽层紧密设置于第二延伸端和第三延伸端之间，所述第一P型帽层紧密设置于第三延伸端和钝化层之间；除第一延伸端外，其余延伸端均不与所述AlGaN势垒层接触。
7.如权利要求6所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，所述第二延伸端的长度小于所述第一延伸端的长度且大于所述第三延伸端的长度。
8.如权利要求6所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，所述钝化层分别覆盖第二延伸端下表面和AlGaN势垒层之间及第三延伸端下表面和AlGaN势垒层之间。
9.如权利要求1所述的一种具有阵列浮空岛结构的氮化镓肖特基二极管器件，其特征在于，所述P型帽层为P型GaN帽层。
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