CN116230743A - 一种氧化镓pn异质结二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化镓pn异质结二极管，由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区、Ga2O3漂移区、双层NiOX P型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述双层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层；其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有单级台阶终端或者双级台阶终端。本发明的氧化镓pn异质结二极管具有超高耐压高功率品质等优势。
Description
技术领域
本发明涉及二极管领域，尤其涉及超高耐压高功率品质的氧化镓pn异质结二极管。
背景技术
氧化镓拥有4.9eV的禁带宽度，预测的临界击穿场强高达8MV/cm，电子迁移率为300cm2/V·s，可计算得到氧化镓的功率巴黎加优值为3444，这一数值是SiC的10倍、是GaN的4倍。然而，缺乏p型掺杂以及导热性差制约了氧化镓器件的发展和应用，氧化镓内的空穴存在局域自限现象，这导致可用的P氧化镓半导体几乎难以实现，引入适当的异质P型氧化物是目前实现氧化镓PN结或PiN结器件的主流思路。NiOX是一种天然的P型氧化物半导体，拥有15的相对介电常数，可控掺杂为1016～1019cm-3。根据其3.7eV的直接宽带隙估算其临界击穿电场在5～6.5MV/cm之间，实验验证的临界场强为5.4MVcm-1，能充分利用氧化镓的击穿潜力。
此外，NiO/Ga2O3 p-n异质结二极管(HJD)可兼顾快速反向恢复和正向电流承载能力。2021年，南京大学采用双层p-NiO设计，其结构具有优异的静电性能，包括1.37kV的高击穿电压、12A的正向电流和0.26Ω的低导通电阻，观察到了在纳秒级(11ns)的短反向恢复时间下的快速开关性能；同年，叶建东等人在室温下使用反应性溅射技术实现NiO/β-Ga2O3p-n异质结和p-NiO场限制环(FLRs)并且获得最大击穿电压(BV)为1.89kV，特定电阻(Ron,sp)为7.7mΩ·cm2。2020年3月，ChenLu Wang通过引入P型NiOX成功展示0.39GW/cm2的氧化镓异质栅极场效应管和1.38GW/cm2的氧化镓异质P-NiOX/n-Ga2O3二极管，其中异质P-NiOX/n-Ga2O3二极管的击穿电压高达1.86KV。由此看出，P型异质NiOX的引入成功实现Ga2O3 PN结和PiN结二极管的功能，并实现更低漏电流。
半导体异质结构双极晶体管因具有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯或是行动电话等。但因缺乏优化技术，当前器件导通电阻较大，击穿电压较低，阻碍了p-NiOX/n-Ga2O3异质二极管进一步提升性能。尽管单极电力器件的发展取得了较为迅速的进展，但要实现更常用的p型β-Ga2O3的困难仍是当前先进双极电力器件的障碍，并且优质的异质p-NiOX/n-Ga2O3器件的为重要的发展方向。
发明内容
1、本发明的第一目的在于提供一种击穿电压超过4kv的单级台阶结终端氧化镓pn异质结二极管。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区、Ga2O3漂移区、双层NiOX P型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述双层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层；其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有单级台阶终端。所述单级台阶终端的单边台面宽度为L≥12μm，所述单级台阶终端的台面密度DJET＝(2.0～2.5)x1013cm-2。
优选的，所述单级台阶终端的单边台面宽度为L＝20μm，所述单级台阶终端的台面密度DJET＝2.3x1013cm-2。
2、本发明的第二目的在于提供一种双级(双级台阶)击穿电压超过6kv的氧化镓pn异质结二极管。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区、Ga2O3漂移区、双层NiOX P型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述双层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层；其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有双级台阶终端。
优选的，所述双级台阶终端的第一级台阶的单边台面宽度为L1＝20μm，台面密度为DJET1＝4.0x1013cm-2；所述双级台阶终端的第二级台阶的单边台面宽度为L2＝20μm，台面密度为DJET2＝2.3x1013cm-2。
另外，上述两种氧化镓pn异质结二极管，所述Ga2O3衬底区的厚度为0.4μm、掺杂浓度为1×1019cm-3；所述Ga2O3漂移区的厚度为10μm、掺杂浓度为1.5×1016cm-3；第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的掺杂浓度为1×1018cm-3，第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的厚度为0.1μm、掺杂浓度为3.6×1019cm-3。
有益效果：
本发明的单级台阶结终端的氧化镓pn异质结二极管：具有4kv的击穿电压；双级台阶结终端的氧化镓pn异质结二极管，具有6kv的击穿电压，且器件的功率品质因素高达10GW/cm2，展现了刻蚀结终端扩展的p-NiOX/n-Ga2O3PiN异质结二极管的巨大潜力。这一结果将有利于制造更高性能的氧化镓功率器件，为高性能Ga2O3功率二极管的研发和制造提供新的优化策略和方向。
附图说明
图1为实施例1中的氧化镓pn异质结二极管的结构示意图；
图2为实施例1中的氧化镓pn异质结二极管在4kv反向电压下的电场分布图；
图3为基于-4000V和-5000V的EsL(NiO)、EsR(NiO)与单层结终端扩展区面电荷密度的关系；
图4为基于-4000V和-5000V的E(A)、E(B)与单层结终端扩展区面电荷密度的关系；
图5为基于-4000V的E(A)、E(B)与单层结终端扩展区长度L的关系；
图6为基于-4000V的EsL(NiO)、EsR(NiO)与单层结终端扩展区长度L的关系；
图7为实施例2中的氧化镓pn异质结二极管的结构示意图；
图8为实施例2中的氧化镓pn异质结二极管的晶圆结构示意图；
图9为实施例2中的氧化镓pn异质结二极管在6kv反向电压下的电场分布图；
图10为基于-6000V的E(C)、E(D)和E(H)与双层结终端扩展区面JET1电荷面密度的关系；
图11为基于-6000V的EdL(NiO)、EdM(NiO)和EdR(NiO)与双层结终端扩展区面JET1电荷面密度的关系。
图12为基于-6000V的E(C)、E(D)和E(H)与双层结终端扩展区JET1长度L1的关系；
图13为基于-6000V的EdL(NiO)、EdM(NiO)和EdR(NiO)与双层结终端扩展区JET1长度L1的关系；
图14为实施例2的氧化镓pn异质结二极管的仿真曲线。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
实施例1：如图1-4所示，本实施例提供一种单极(单极台阶)击穿电压超过4kv的单层结终端氧化镓pn异质结二极管。
结构设计：见图1，由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区、Ga2O3漂移区、双层NiOXP型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述单层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层；其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有单级台阶终端JET。
其中，所述单级台阶终端JET的单边台面宽度为L≥20μm，所述单级台阶终端JET的台面密度DJET＝(2.0～2.5)x1013cm-2，在本实施例中，所述单级台阶终端JET的单边台面宽度为L＝20μm，所述单级台阶终端JET的台面密度DJET＝2.3x1013cm-2。所述Ga2O3衬底区(即图1中的基层部分)的厚度为0.4μm、掺杂浓度为1×1019cm-3；所述Ga2O3漂移区的厚度为10μm、掺杂浓度为1.5×1016cm-3；第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的掺杂浓度为1×1018cm-3，第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的厚度为0.1μm、掺杂浓度为3.6×1019cm-3。
本实施例的氧化镓pn异质结二极管，最突出的特征是位于轻掺杂NiO边缘部分的单级刻蚀台阶，即刻蚀结终端扩展。通过控制蚀刻溅射生长的p型NiOX，形成了单层台阶结终端扩展。氧化镓衬底(基层)由熔融技术的si重掺杂合成；氧化镓外延层(漂移层)使用MOVPE等外延技术在衬底上富氧生长，并通过高温退火工艺修复部分外延层缺陷，减小外延层的缺陷型n型浓度；两层NiO通过磁控溅射合成，并以氧调控和锂掺杂两种方式改变p型浓度；阴极、阳极两欧姆电极使用金属剥离工艺之前，先进行微刻，提高隧穿。
仿真试验：氧化镓的带隙和电子亲和力分别设置4.6eV和4eV，氧化镍设置3.7eV和1.8eV，氧化铝取6.8eV和2.5eV。仿真电场分布，需要确定各材料的相对介电常数，理论已证实氧化镓、氧化镍和氧化铝的相对介电常数分别是10、15、9。根据氧化镓0.28mo的电子有效质量确定其电子有效态密度为3.718×1018cm-3，氧化镍的空穴有效质量取1mo，计算出的氧化镍空穴有效态密度是2.5094×1019cm-3。
1、反向偏压下的电场分布
为展示本实施例的氧化镓二极管的结构改进效果以及研究方法的原理，引入单级结终端扩展大幅降低电场集中效应，电场峰值最少降低一个数量级。图2展示了单结终端扩展在4000V反向偏压下的电场分布。沿着位于氧化镓漂移层且距离氧化镍层0.0001μm的切线提取电场剖，A、B为电场集中点，将A、B点的电压峰值与氧化镓材料的临界击穿电场EC＝8MV/cm比较，判断氧化镓材料是否击穿。本实施例通过将氧化镍层的最大电场与其临界击穿电场进行比较，判断氧化镍是否击穿，NiOX的临界击穿电场理论预测在5-6.5MV/cm，据此较难判断NiOX层的击穿情况。因此，以实验值5.4MV/cm作为NiOX临界击穿的标准。仿真中氧化铝的峰值电场始终低于其临界击穿电场，因此不考虑氧化铝层击穿。
2、单级结终端扩展优化
见图3和图4，为避免过短单级结终端长度(即单级台阶终端的单边台面宽度L)对结终端电荷面密度优化产生不利影响，首先设置足够长的单级结终端扩展长度L＝20μm，并研究单级结终端面密度DJET对氧化镓漂移层峰值电场的影响。图3为基于4000V和5000V反向偏压下EsL(NiO)、EsR(NiO)与单层结终端扩展区面电荷密度的关系，图4为基于4000V和5000V反向偏压下E(A)、E(B)与单层结终端扩展区面电荷密度的关系。
由图3所示，反向偏压为4000V时，DJET＝2x1013cm-2～DJET＝2.5x1013cm-2时NiOX峰值电场跌落到5MV/cm以下；进一步反向偏压到5000V时，只有在DJET>3x1013cm-2时NiOX峰值电场才会低于5.4MV/cm。由图4所示，反向偏压为4000V时，DJET＝2x1013～cm-22.5x1013cm-2时氧化镓峰值电场跌落到8MV/cm以下，器件的氧化镓漂移层不击穿；进一步反向偏压到5000V时，氧化镓峰值电场未出现同时低于8MV/cm的情况。故单级结终端扩展的优化面密度选定为DJET＝2x1013cm-2～2.5x1013cm-2，且能实现的击穿电压在4000V以上，不超过5000V。另外，在4000V反向电压下，当DJET＝为2.3×1013cm-2时，E(A)和E(B)约等于7MV/cm，这是整个面密度范围内E(A)和E(B)的最大值，同时，EsL(NiO)＝4.76MV/cm、EsR(NiO)＝4.84MV/cm，EsL(NiO)和EsR(NiO)也接近最大值，因此，DJET＝2.3×1013cm-2是反向4000V时的最佳参数。
见图5和6，进一步研究单级结终端长度L对氧化镓漂移层峰值电场的影响。图5为基于反向偏压4000V的E(A)、E(B)与单级结终端扩展区长度L的关系，图6为基于反向偏压4000V的EsL(NiO)、EsR(NiO)与单级结终端扩展区长度L的关系。其中，图5和图6均取单级结终端扩展密度DJET＝2.3x1013cm-2。由图5和6所示，当优化参数满足DJET＝2.3x1013cm-2时，随着单级结终端扩展长度L增长到20μm，E(A),E(B),EsL(NiO)和EsR(NiO)都减少到相应的临界电场并且趋于平稳，这表明了L至少要大于等于20μm才能充分降低氧化镓和一氧化镍的峰值电场。同时，为了削弱增强的电阻率，L需要保持尽可能小的值，因此，对于单层结终端结构，DJET＝2.3×1013cm-2和L＝20μm被确定为4000伏反向偏置的最佳参数。
综上所述，在本实施例中，所述单级台阶终端JET的单边台面宽度为L＝20μm，所述单级台阶终端JET的台面密度DJET＝2.3x1013cm-2。且器件具有4kv的击穿电压。
实施例2:如图7-13所示，本实施例提供一种双级(双级台阶)击穿电压超过6kv的氧化镓pn异质结二极管。
结构设计：见图7和图8，由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区(基层)、Ga2O3漂移区、双层NiOX P型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述双层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层。其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有双级台阶终端。
其中，所述双级台阶终端的第一级台阶的单边台面宽度为L1＝20μm，台面密度为DJET1＝4.0x1013cm-2；所述双级台阶终端的第二级台阶的单边台面宽度为L2＝20μm，台面密度为DJET2＝2.3x1013cm-2。所述Ga2O3衬底区(基层)的厚度为0.4μm、掺杂浓度为1×1019cm-3；所述Ga2O3漂移区的厚度为10μm、掺杂浓度为1.5×1016cm-3；第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的掺杂浓度为1×1018cm-3，第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的厚度为0.1μm、掺杂浓度为3.6×1019cm-3。图8所展示的晶圆采用了本实施例的技术。
本实施例的氧化镓pn异质结二极管，最突出的特征是位于轻掺杂NiO边缘部分的刻蚀台阶，即刻蚀结终端扩展。通过控制蚀刻溅射生长的p型NiOX，形成了不同电荷密度的双级台阶结终端扩展。氧化镓衬底(基层)由熔融技术的si重掺杂合成；氧化镓外延层(漂移层)使用MOVPE等外延技术在衬底上富氧生长，并通过高温退火工艺修复部分外延层缺陷，减小外延层的缺陷型n型浓度；两层NiO通过磁控溅射合成，并以氧调控和锂掺杂两种方式改变p型浓度；阴极、阳极两欧姆电极使用金属剥离工艺之前，先进行微刻，提高隧穿。
仿真试验：氧化镓的带隙和电子亲和力分别设置4.6eV和4eV，氧化镍设置3.7eV和1.8eV，氧化铝取6.8eV和2.5eV。仿真电场分布，需要确定各材料的相对介电常数，理论已证实氧化镓、氧化镍和氧化铝的相对介电常数分别是10、15、9。根据氧化镓0.28mo的电子有效质量确定其电子有效态密度为3.718×1018cm-3，氧化镍的空穴有效质量取1mo，计算出的氧化镍空穴有效态密度是2.5094×1019cm-3。
1、反向偏压下的电场分布
为展示本实施例的氧化镓二极管的结构改进效果以及研究方法的原理，引入双级结终端扩展大幅降低电场集中效应，电场峰值最少降低一个数量级。图9展示了双级结终端扩展在6000V反向偏压下的电场分布。沿着位于氧化镓漂移层且距离氧化镍层0.0001μm的切线提取电场剖，C、D、H为电场集中点，将C、D、H点的电压峰值与氧化镓材料的临界击穿电场EC＝8MV/cm比较，判断氧化镓材料是否击穿。本实施例通过将氧化镍层的最大电场与其临界击穿电场进行比较，判断氧化镍是否击穿，NiOX的临界击穿电场理论预测在5-6.5MV/cm，据此较难判断NiOX层的击穿情况。因此，以实验值5.4MV/cm作为NiOX临界击穿的标准。仿真中氧化铝的峰值电场始终低于其临界击穿电场，因此不考虑氧化铝层击穿。
2、双层结终端扩展优化
本实施例为基于实施例1中的单级结终端JET的扩展优化，即本实施例中的JET2相当于实施例1中的单级台阶终端JET。因此在本次仿真实验中，本实施例的所述双级台阶终端的第二级台阶JET2的参数与实施例1中设置一样，基于单级台阶JET的优化结构，即确定了L2＝20μm和DJTE2＝2.3×1013cm-2为JET2为最优参数，并进一步对JET1进行了优化。
见图10和11，L2＝L1＝20μm、DJTE2＝2.3×1013cm-2。图10为基于反向偏压6000V的E(C)、E(D)和E(H)与双层结终端扩展区面JET1电荷面密度的关系，图11为基于反向偏压6000V的EdL(NiO)、EdM(NiO)和EdR(NiO)与双层结终端扩展区面JET1电荷面密度的关系。据图10所示，当DJET1在4.1×1013cm-2和4.2×1013cm-2之间时，E(D)和E(H)接近最小值，说明DJET1的最佳适用范围为(4.1～4.2)×1013cm-2。但是，图11中所示，当DJET1在4.0×1013cm-2和4.1×1013cm-2之间时，EdL(NiO)、EdM(NiO)和EdR(NiO)为最小值。因此，为了保证Max{EdL(NiO)、EdM(NiO)和EdR(NiO)}不超过EC(NiO)以避免一氧化镍的过早崩溃，最终的最佳DJET1是4×1013cm-2。
见图12和图13，L2＝20μm、DJTE2＝2.3×1013cm-2、DJET1＝4×1013cm-2。图12为基于反向偏压6000V的E(C)、E(D)和E(H)与双层结终端扩展区JET1长度L1的关系；图13为基于反向偏压6000V的EdL(NiO)、EdM(NiO)和EdR(NiO)与双层结终端扩展区JET1长度L1的关系。由图12和13所示，随着L1至20μm的增加，E(H)和EdR(NiO)分别降低在EC(Ga2O3)和EC(NiO)以下，然后趋于稳定。E(C)，E(D)，EdL(NiO)和EdM(NiO)在L1>15μm及低于它们各自的临界电场时保持稳定性。
因此，双层结终端结构具有最佳参数L1＝L2＝20μm，DJTE1＝4×1013cm-2和DJTE2＝2.3×1013cm-2，击穿电压为6000V。
3、优化的双层结终端扩展的功率性能评
基于双层结终端扩展的击穿优化研究，评估优化的双结终端扩展结构对氧化镓功率潜力的开发能力，为此引入功率品质因数FOM作为评判标准。下列式(1)中BV表示击穿电压，Ron表示特征电阻。
设置氧化镓漂移层的电子迁移率为130cm2/V·s,氧化镍层自上导下的空穴迁移率分别设置为0.94cm2/V·s和0.12cm2/V·s。取L1＝L2＝20μm、DJET2＝2.3x1013cm-2、DJET2＝4.0x1013cm-2的优化参数，仿真的正向曲线如图14所示。击穿电压超过6000V，导通电阻等于8.37mΩ·cm2,计算的功率品质因数超过10GW/cm2
以上两个本实施例均是基于Sentaurus TCAD仿真平台利用刻蚀结终端扩展方案对p-NiOX/n-Ga2O3PiN异质结二极管的终端结构展开优化研究。结果表明，在实施例1中，单层结终端有4000的耐压，优化参数满足DJET＝2.3x1013cm-2，L＝20μm。在实施例2中双层结终端扩展的耐压6000V，优化参数分别为L1＝L2＝20μm、DJET2＝2.3x1013cm-2、DJET1＝4.0x1013cm-2。此外，为评估双层结终端扩展优化对氧化镓功率潜力的开发效果，进一步展开的特征电阻的仿真，并计算出高达10GW/cm2的功率品质因数，展现了刻蚀结终端扩展的p-NiOX/n-Ga2O3PiN异质结二极管的巨大潜力。这一结果将有利于制造更高性能的氧化镓功率器件，为高性能Ga2O3功率二极管的研发和制造提供新的优化策略和方向。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其进行各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区、Ga2O3漂移区、双层NiOX P型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述双层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层；其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有单级台阶结终端。
2.如权利要求1所述的氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：所述单级台阶结终端的单边台面宽度为L≥20µm，所述单级台阶结终端的台面密度DJET=(2.0~2.5)x1013cm-2。
3.如权利要求1所述的氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：所述单级台阶结终端的单边台面宽度为L=20µm，所述单级台阶结终端的台面密度DJET=2.3x1013cm-2。
4.如权利要求1、2或3所述的氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：所述Ga2O3衬底区的厚度为0.4μm、掺杂浓度为1×1019cm−3；所述Ga2O3漂移区的厚度为10μm、掺杂浓度为1.5×1016cm−3；第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的掺杂浓度为1×1018cm−3，第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的厚度为0.1µm、掺杂浓度为3.6×1019cm−3。
5.一种氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：由下至上为阴极欧姆电极、Ga2O3衬底区、Ga2O3漂移区、双层NiOX P型结终端扩展区、阳极欧姆电极，还包括位于所述双层NiOX P型结终端扩展区和阳极欧姆电极上表面的钝化层；其中，所述双层NiOX P型结终端扩展区由下至上包括第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区和第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区，所述第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的宽度与所述阳极欧姆电极宽度一致，所述第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的超出所述阳极欧姆电极的部分设置有双级台阶结终端。
6.如权利要求5所述的氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：所述双级台阶结终端的第一级台阶的单边台面宽度为L1=20µm，台面密度为DJET1=4.0x1013cm-2；所述双级台阶结终端的第二级台阶的单边台面宽度为L2=20µm，台面密度为DJET2=2.3x1013cm-2。
7.如权利要求5或6所述的氧化镓pn异质结二极管，其特征在于：所述Ga2O3衬底区的厚度为0.4μm、掺杂浓度为1×1019cm−3；所述Ga2O3漂移区的厚度为10μm、掺杂浓度为1.5×1016cm−3；第一层轻掺杂NiOX P型结终端扩展区的掺杂浓度为1×1018cm−3，第二层重掺杂NiOX P型结终端扩展区的厚度为0.1µm、掺杂浓度为3.6×1019cm−3。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101834247A (zh) * | 2009-03-03 | 2010-09-15 | Lg伊诺特有限公司 | 发光器件、发光器件封装和包括发光器件封装的照明系统 |
| US20130062723A1 (en) * | 2011-09-11 | 2013-03-14 | Cree, Inc. | Schottky diode |
| CN109473354A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-03-15 | 华中科技大学 | 一种基于碳化硅的漂移阶跃恢复二极管的制备方法及产品 |
| CN110265486A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-20 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 氧化镓sbd终端结构及制备方法 |
| CN110809826A (zh) * | 2017-06-29 | 2020-02-18 | 三菱电机株式会社 | 氧化物半导体装置以及氧化物半导体装置的制造方法 |
| CN113871488A (zh) * | 2021-09-28 | 2021-12-31 | 西安电子科技大学 | 一种复合结构的垂直氧化镓异质结二极管及其制作方法 |
| CN113964040A (zh) * | 2021-09-13 | 2022-01-21 | 西安电子科技大学 | 一种原位pn结构氧化镓功率二极管及其制备方法 |
| CN113964182A (zh) * | 2021-09-13 | 2022-01-21 | 西安电子科技大学 | 一种异质pn低开启电压氧化镓功率二极管及其制备方法 |
-
2023
- 2023-04-03 CN CN202310346848.9A patent/CN116230743B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101834247A (zh) * | 2009-03-03 | 2010-09-15 | Lg伊诺特有限公司 | 发光器件、发光器件封装和包括发光器件封装的照明系统 |
| US20130062723A1 (en) * | 2011-09-11 | 2013-03-14 | Cree, Inc. | Schottky diode |
| CN110809826A (zh) * | 2017-06-29 | 2020-02-18 | 三菱电机株式会社 | 氧化物半导体装置以及氧化物半导体装置的制造方法 |
| CN109473354A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-03-15 | 华中科技大学 | 一种基于碳化硅的漂移阶跃恢复二极管的制备方法及产品 |
| CN110265486A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-20 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 氧化镓sbd终端结构及制备方法 |
| CN113964040A (zh) * | 2021-09-13 | 2022-01-21 | 西安电子科技大学 | 一种原位pn结构氧化镓功率二极管及其制备方法 |
| CN113964182A (zh) * | 2021-09-13 | 2022-01-21 | 西安电子科技大学 | 一种异质pn低开启电压氧化镓功率二极管及其制备方法 |
| CN113871488A (zh) * | 2021-09-28 | 2021-12-31 | 西安电子科技大学 | 一种复合结构的垂直氧化镓异质结二极管及其制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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