CN115863446A

CN115863446A - 一种GaN基异质结二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN115863446A
Application number: CN202211661130.0A
Authority: CN
Inventors: 王登贵; 周建军; 胡壮壮; 孔岑; 张凯; 陈堂胜
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2022-12-23
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明公开了一种GaN基异质结二极管及其制备方法，所述二极管包括衬底；缓冲层，设置在衬底的上表面；沟道层，设置在缓冲层的上表面；势垒层，设置在沟道层的上表面；h‑BN/p‑GaN异质结，设置在势垒层的部分上表面；混合阳极电极，设置在h‑BN/p‑GaN异质结的上表面；阴极电极，设置在势垒层的部分上表面；和钝化层，设置在势垒层剩余部分上表面。本发明一种GaN基异质结二极管及其制备方法，工艺可控性好，可靠性高，可实现对器件开启电压的调节，获得开启电压稳定性好、导通电阻低、反向击穿电压高的二极管。

Description

一种GaN基异质结二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种GaN基异质结二极管及其制备方法。

背景技术

GaN材料具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高等特性，特别是GaN与AlGaN、AlN等形成的异质结结构在界面处会产生高浓度和高迁移率的二维电子气，使得GaN材料体系成为制备大功率、高频率电力电子器件的优选结构。

GaN基异质结二极管器件具有开关速度快、反向击穿电压高、效率高、损耗小等优势，在新能源汽车、风力发电、太阳能电池等领域有巨大的市场应用前景。但是目前GaN基异质结二极管存在以下几个问题：

1、正向开启电压不稳定。常规GaN二极管在高速开关切换状态下，由于电荷存储效应等，正向开启电压会出现明显的漂移现象。

2、反向漏电流大。较低的肖特基势垒高度使得GaN二极管的反向漏电流明显高于pn结型二极管，器件反向耐压特性变差。

针对上述问题，研究者提出采用肖特基下方的氟离子注入技术、凹槽阳极等方式来制作肖特基二极管，可以有效地降低器件的反向漏电流；然而氟离子注入技术会在势垒层中引入氟离子，导致器件具有严重的工作可靠性问题，凹槽阳极技术不仅存在刻蚀深度与刻蚀均匀性要求高的问题，同时会引入更多的刻蚀损伤、界面态，严重影响二极管正向开启电压的稳定性。因此，如何有效地提升GaN二极管的正向开启电压的稳定性，降低反向漏电流、提高击穿电压成为主要解决问题。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种GaN基异质结二极管及其制备方法，能有效解决上述GaN基异质结二极管正向开启电压不稳定，反向漏电流大等不足之处。

技术方案：第一方面，本发明提供一种GaN基异质结二极管，包括：

衬底；

缓冲层，设置在衬底的上表面；

沟道层，设置在缓冲层的上表面；

势垒层，设置在沟道层的上表面；

h-BN/p-GaN异质结，设置在势垒层的部分上表面；

混合阳极电极，设置在h-BN/p-GaN异质结的上表面；

阴极电极，设置在势垒层的部分上表面；和

钝化层，设置在势垒层剩余部分上表面。

优选的，所述衬底为SiC、Si、蓝宝石、金刚石或GaN自支撑衬底中的一种；所述缓冲层为AlN、AlGaN、GaN中的一种组成的单层结构或多种组成的多层结构。

优选的，所述沟道层为GaN，厚度为20nm~20μm。

优选的，所述势垒层为AlGaN、AlInN、AlN、InN、InGaN或AlInGaN中的一种，厚度为1nm~1μm。

优选的，所述钝化层的制作材料为HfO₂、ZrO₂、Si₃N₄、SiO₂、Al₂O₃、AlON的一种或多种的组合，总厚度为5nm~1μm。

优选的，所述h-BN/p-GaN异质结包括p-GaN层和h-BN层，所述p-GaN层设置在势垒层的部分上表面，所述h-BN层设置在p-GaN层的上表面；所述h-BN/p-GaN异质结可被h-BN/p-AlGaN异质结替代，其中h-BN层厚度为0.3nm~30nm；p-GaN或p-AlGaN的掺杂浓度为10¹⁵~10²²cm^-3。

优选的，所述混合阳极电极包括第一部分阳极电极和第二部分阳极电极；当第一部分阳极电极为高功函数金属时，第二部分阳极电极为低功函数金属；当第一部分阳极电极为低功函数金属时，第二部分阳极电极为高功函数金属；所述低功函数金属为Ti、Al或Ti-Au合金，所述高功函数金属为W、WN、Ni、Pt或TiN。

第二方面，本发明提供一种第一方面所述的GaN基异质结二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上依次形成缓冲层、沟道层和势垒层，在势垒层部分上表面形成p-GaN层，在p-GaN层上表面形成h-BN层；

步骤2：对p-GaN层和h-BN层进行图形化，得到h-BN/p-GaN异质结结构区域；

步骤3：在势垒层剩余部分上表面和h-BN/p-GaN异质结上表面形成钝化层；

步骤4：对钝化层进行图形化，在h-BN/p-GaN异质结上形成第一图形，在势垒层上形成第二图形；

步骤5：在第一图形中分步制备低功函数金属与高功函数金属，形成混合阳极电极；

步骤6：在第二图形中制备阴极电极，通过处理形成欧姆接触。

优选的，步骤5中所述分步制备低功函数金属与高功函数金属具体过程为：先制备低功函数金属后制备高功函数金属，或先制备高功函数金属后制备低功函数金属。

优选的，步骤6中所述处理为阴极电极金属制备前的减薄势垒层处理或阴极电极金属制备后的退火处理或前述两种处理同时存在。

有益效果：1）本发明一种GaN基异质结二极管及其制备方法，阳极与h-BN/p-GaN异质结形成的MIS栅控结构可实现对沟道层中的二维电子气的开启，通过调节p-GaN的掺杂浓度可以实现正向开启电压的调控，使制得的二极管器件满足不同的要求；

2）本发明一种GaN基异质结二极管及其制备方法，混合阳极结构可实现电流通过低功函数金属电极注入到沟道层，降低器件导通电阻；同时，混合阳极结构中低功函数金属的存在可以减少电荷存储效应的影响，改善器件正向开启电压的稳定性，降低二极管开关延迟时间；

3）本发明一种GaN基异质结二极管及其制备方法，当二极管处于反向偏置时，h-BN/p-GaN异质结中超宽禁带h-BN可以有效提升势垒高度；同时，h-BN本征无悬挂键的表面特性可以减少钝化层制备过程中界面损伤与缺陷的引入，综合降低二极管的反向漏电流，提升二极管的击穿电压；

（4）本发明一种GaN基异质结二极管及其制备方法，工艺可控性好，可靠性高，可实现对器件开启电压的调节，获得开启电压稳定性好、导通电阻低、反向击穿电压高的二极管。

附图说明

图1为本发明一实施例的GaN基异质结二极管的结构示意图；

图2为本发明一实施例的GaN基异质结二极管的制备方法流程示意图；

图中序号：100、衬底，200、缓冲层，300、沟道层，400、势垒层，500、p-GaN层，600、h-BN层，700、钝化层，701、第一图形，702、第二图形，800、混合阳极电极，801、第一部分阳极电极，802、第二部分阳极电极，900、阴极电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：

实施例1

如图1所示，一种GaN基异质结二极管，包括：SiC衬底100；AlN缓冲层200，设置在SiC衬底100的上表面；GaN沟道层300的厚度为100nm，其设置在AlN缓冲层200的上表面；AlInGaN势垒层400，设置在GaN沟道层300的上表面；h-BN/p-GaN异质结，包括p-GaN层500和h-BN层600，所述p-GaN层500设置在AlInGaN势垒层400的部分上表面，所述h-BN层600设置在p-GaN层500的上表面；其中h-BN层厚度为10nm；p-GaN掺杂浓度为10¹⁹cm^-3；混合阳极电极800，包括第一部分阳极电极801和第二部分阳极电极802，所述第一部分阳极电极801为Ti-Au合金，所述第二部分阳极电极802为WN，所述第一部分阳极电极801设置在h-BN层600的部分上表面；所述第二部分阳极电极802设置在第一部分阳极电极801上表面和h-BN层600剩余部分上表面；阴极电极900，设置在AlInGaN势垒层400的部分上表面；和AlON钝化层700，设置在AlInGaN势垒层400剩余部分上表面。

实施例2

如图2所示，实施例1中GaN基异质结二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：如图2中（a）所示，在SiC衬底100上依次形成AlN缓冲层200、100nm厚的GaN沟道层300和AlInGaN势垒层400，在AlInGaN势垒层400部分上表面形成p-GaN层500，在p-GaN层500上表面形成h-BN层600；

步骤2：如图2中（b）所示，对p-GaN层500和h-BN层600进行图形化，得到h-BN/p-GaN异质结结构区域，利用光刻和干法刻蚀技术形成h-BN/p-GaN异质结；

步骤3：如图2中（c）所示，在AlInGaN势垒层400剩余部分上表面和h-BN/p-GaN异质结上表面采用化学气相沉积形成AlON钝化层700；

步骤4：如图2中（d）所示，对AlON钝化层700进行图形化，在h-BN/p-GaN异质结上形成第一图形701，在AlInGaN势垒层400上形成第二图形702；

步骤5：如图2中（e）所示，在第一图形701中先制备Ti-Au合金组成的第一部分阳极电极801，再制备WN组成的第二部分阳极电极802，形成混合阳极电极800；

步骤6：如图2中（f）所示，在第二图形702中制备阴极电极，通过处理形成欧姆接触，即通过阴极电极金属制备前的减薄势垒层处理和阴极电极金属制备后的退火处理形成欧姆接触。

实施例3

一种GaN基异质结二极管，包括：蓝宝石衬底100；AlGaN和GaN组成的双层结构的缓冲层200，设置在蓝宝石衬底100的上表面；GaN沟道层300的厚度为10μm，其设置在缓冲层200的上表面；AlN势垒层400，设置在GaN沟道层300的上表面；h-BN/p-GaN异质结，包括p-AlGaN层和h-BN层600，所述p-AlGaN层设置在AlN势垒层400的部分上表面，所述h-BN层600设置在p-AlGaN层的上表面；其中h-BN层厚度为1nm；p-AlGaN掺杂浓度为10²¹cm^-3；混合阳极电极800，包括第一部分阳极电极801和第二部分阳极电极802，所述第一部分阳极电极801为Ti，所述第二部分阳极电极802为Ni，所述第一部分阳极电极801设置在h-BN层600的部分上表面；所述第二部分阳极电极802设置在第一部分阳极电极801上表面和h-BN层600剩余部分上表面；阴极电极900，设置在AlN势垒层400的部分上表面；和Si₃N₄钝化层700，设置在AlN势垒层400剩余部分上表面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种GaN基异质结二极管，其特征在于，包括：

衬底；

缓冲层，设置在衬底的上表面；

沟道层，设置在缓冲层的上表面；

势垒层，设置在沟道层的上表面；

h-BN/p-GaN异质结，设置在势垒层的部分上表面；

混合阳极电极，设置在h-BN/p-GaN异质结的上表面；

阴极电极，设置在势垒层的部分上表面；和

钝化层，设置在势垒层剩余部分上表面。

2.根据权利要求1所述的一种GaN基异质结二极管，其特征在于：所述衬底为SiC、Si、蓝宝石、金刚石或GaN自支撑衬底中的一种；所述缓冲层为AlN、AlGaN、GaN中的一种组成的单层结构或多种组成的多层结构。

3.根据权利要求1所述的一种GaN基异质结二极管，其特征在于：所述沟道层为GaN，厚度为20nm~20μm。

4.根据权利要求1所述的一种GaN基异质结二极管，其特征在于：所述势垒层为AlGaN、AlInN、AlN、InN、InGaN或AlInGaN中的一种，厚度为1nm~1μm。

5.根据权利要求1所述的一种GaN基异质结二极管，其特征在于：所述钝化层的制作材料为HfO₂、ZrO₂、Si₃N₄、SiO₂、Al₂O₃、AlON的一种或多种的组合，总厚度为5nm~1μm。

6.根据权利要求1所述的一种GaN基异质结二极管，其特征在于：所述h-BN/p-GaN异质结包括p-GaN层和h-BN层，所述p-GaN层设置在势垒层的部分上表面，所述h-BN层设置在p-GaN层的上表面；所述h-BN/p-GaN异质结可被h-BN/p-AlGaN异质结替代，其中h-BN层厚度为0.3nm~30nm，p-GaN或p-AlGaN的掺杂浓度为10¹⁵~10²²cm^-3。

7.根据权利要求1所述的一种GaN基异质结二极管，其特征在于：所述混合阳极电极包括第一部分阳极电极和第二部分阳极电极；当第一部分阳极电极为高功函数金属时，第二部分阳极电极为低功函数金属；当第一部分阳极电极为低功函数金属时，第二部分阳极电极为高功函数金属；所述低功函数金属为Ti、Al或Ti-Au合金，所述高功函数金属为W、WN、Ni、Pt或TiN。

8.一种权利要求1-7任一项所述的GaN基异质结二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤5中所述分步制备低功函数金属与高功函数金属具体过程为：先制备低功函数金属后制备高功函数金属，或先制备高功函数金属后制备低功函数金属。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤6中所述处理为阴极电极金属制备前的减薄势垒层处理或阴极电极金属制备后的退火处理或前述两种处理同时存在。