一种GaN基横向电荷平衡功率二极管及其制备方法

本发明属于半导体集成电路与器件，具体是涉及一种gan基横向电荷平衡功率二极管及其制备方法。

背景技术：

1、gan作为一种第三代半导体材料，具有宽禁带、高电子迁移率、高临界击穿电场、高化学稳定性等优点，是一种极具发展潜力的功率半导体材料。击穿电压和导通电阻是功率器件的两个最重要的参数，二者存在固有的制约关系，即材料的一维极限。随着功率器件的发展，该一维极限开始限制了功率器件在高压领域的应用。因此，打破一维极限限制有助于进一步提高功率器件的性能。

2、电荷平衡器件（如超结器件、resurf器件等）是打破上述制约关系的有效技术手段，通过在器件结构中同时引入n型和p型半导体材料，在反偏作用下，pn结内部耗尽，使电场均匀分布于器件体内，从而提升了器件的耐压性能；同时，可通过增加n型区域的掺杂浓度，有效减小器件的导通电阻，最终实现大电流、大电压的功率器件的制备。

3、目前，关于gan的电荷平衡器件目前仍处在研究初期，gan电荷平衡器件主要包括横向结构和垂直结构两类。其中，横向结构的阳极和阴极通常位于器件表面或侧向区域，电流主要沿横向传输。相比垂直结构，横向结构更容易与平面工艺兼容，便于通过调节横向漂移区长度、p型区与n型区的相对位置以及掺杂浓度来优化器件的耐压和导通特性，因而在gan功率器件中具有较好的工艺实现性和结构可调性。

4、然而，现有横向gan电荷平衡结构多基于algan/gan极化效应形成超级异质结，例如在algan/gan电子沟道表面设置p-gan，利用p-gan内的空穴与algan/gan界面处二维电子气实现电荷平衡；或者在沟道底部进行mg的δ掺杂，与沟道电子形成电荷平衡。该类横向结构虽然能够在一定程度上改善电场分布，但其导电通道主要依赖二维电子气，受限于沟道电子浓度、界面散射及电荷平衡调节范围，仍存在导通电阻较大、正向输出电流受限等问题。

5、垂直结构通常沿外延层厚度方向承受反向电压，理论上有利于实现高耐压和大电流输出，也可通过超结等结构实现电荷平衡。但在gan材料体系中，垂直电荷平衡结构的制备通常依赖多次离子注入、多次外延、深沟槽刻蚀后二次外延回填或侧壁离子注入等工艺。上述工艺不仅流程复杂、成本较高，而且gan中的p型掺杂、离子注入激活及深沟槽回填质量控制难度较大，容易造成界面损伤、漏电流增大和耐压性能下降。

6、因此，仍需要针对横向gan功率器件提出一种改进的电荷平衡结构，在保留横向结构工艺兼容性和结构可调性的基础上，进一步改善横向漂移区内的电场分布，提高器件击穿电压，并降低导通电阻。本技术即针对现有横向gan电荷平衡器件存在的上述问题，在横向gan有源区内设置p-gan区与轻掺杂n--gan漂移区，使二者在反向偏置下相互耗尽，以实现体内电荷平衡和电场均化。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种gan基横向电荷平衡功率二极管及其制备方法，只需一次外延，工艺简单，成本低廉，且材料晶体质量高，有利于制备高性能器件，优化器件结构，可以实现n型区域高掺，器件的导通电阻小，解决了传统基于algan/gan的横向电荷平衡器件输出电流小的问题，为gan基电荷平衡器件在大电压、大功率的电力电子系统中的应用奠定了重要基础。

2、本发明所述的一种gan基横向电荷平衡功率二极管，包括异质衬底；所述异质衬底上端沿横向方向间隔设有上下平行的氮化硅，两层氮化硅中间设有二氧化硅，两层氮化硅横向错列排布构成弯曲通道；

3、所述弯曲通道内生长gan，所述gan生长具有核壳结构的外延层，该外延层的结构从内到外依次为p-gan区、n--gan漂移区，所述n--gan漂移区一端为n+-gan区；

4、其中，n+-gan区与阴极金属接触形成欧姆接触；n--gan漂移区的另一端及p-gan区共同与阳极金属接触，形成肖特基接触。

5、进一步地，所述n--gan漂移区具有漂移区长度w1，所述n+-gan区具有长度w2，其中w1大于w2，所述p-gan区具有长度w3；所述w1用于调节器件的击穿电压和导通电阻，所述w2用于降低阴极欧姆接触电阻，所述w3用于调节p-gan区与n⁻-gan漂移区之间的电荷平衡关系及器件内部电场分布。

6、进一步地，所述n--gan漂移区的厚度为hn，所述p-gan区的厚度为hp，所述n--gan漂移区的掺杂浓度nd、厚度hn与所述p-gan区的掺杂浓度na、厚度hp满足nd×hn与na×hp近似相等，以使反向偏置下所述n--gan漂移区与所述p-gan区相互耗尽并均化漂移区电场分布。

7、本发明还提供了一种gan基横向电荷平衡功率二极管的制备方法，用于制备上述二极管，包括以下步骤：

8、(a)、在衬底上制备si3n4/sio2/ si3n4图形化模板，构筑深度hc大于开口宽度wc的弯曲通道，以形成足以使倾斜生长的穿透位错终止于通道侧壁的高深宽比的弯曲通道；使用金属有机化合物化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition，mocvd）在弯曲通道内进行gan 深宽比限制（aspect ratio trapping，art）外延生长；

9、(b)、生长核壳结构的gan外延层，从内到外依次为p-gan、n--gan和n+-gan层；

10、(c)、干法刻蚀，暴露出左侧p-gan区域和上方n--gan区域；

11、(d)、掩膜，蒸镀cr/au金属，与右侧n+-gan接触，形成阴极欧姆接触；

12、(e)、掩膜，蒸镀ni/au金属，与左侧p-gan、n--gan界面接触，形成肖特基接触。

13、进一步地，所述弯曲通道的开口的宽度wc小于10μm。

14、进一步地，所述弯曲通道深宽比小于0.5。

15、本发明所述的有益效果为：

16、（1）本发明所述二极管，通过在横向gan有源区内设置轻掺杂n--gan漂移区、纵向对应设置于其底部的p-gan区以及位于其一侧的重掺杂n+-gan区，器件的正向电流沿轻掺杂n--gan漂移区在阳极与阴极之间横向传输，在反向偏置状态下，底部的p-gan区与顶部的轻掺杂n--gan漂移区发生纵向相互耗尽；当二者的厚度和掺杂浓度满足电荷平衡关系时，能够调节整个横向漂移区内的空间电荷及电场分布，从而允许提高轻掺杂n--gan漂移区的掺杂浓度，并兼顾器件的击穿电压和导通电阻，使p-gan区与轻掺杂n--gan漂移区在反向偏置下形成电荷平衡，从而提高耐压并降低导通电阻；

17、（2）本发明通过art侧向外延的方法，使部分倾斜延伸的穿透位错终止于通道侧壁，有利于在异质衬底上生长低位错密度、高晶体质量的gan材料；在弯曲通道art侧向外延形成的gan有源区内，设置p-gan区、轻掺杂n--gan漂移区和重掺杂n+-gan区，其中p-gan区位于轻掺杂n--gan漂移区的底部或侧下方，在反向偏置时与轻掺杂n--gan漂移区相互耗尽，使漂移区电场分布更加均匀。该结构通过一次外延配合刻蚀形成，可调节p区和n区的尺寸、相对高度及掺杂浓度，以满足电荷平衡条件，进一步解决常规sbd中击穿电压与漂移区导通电阻相互制约的问题；

18、（3）本发明通过一次外延结合刻蚀实现，相比多次外延、离子注入或深沟槽回填等方式，工艺更简单，界面损伤更小，更适合gan材料体系，避免了传统结构工艺复杂，成本偏高，晶体质量较差的问题，打破了材料的一维极限限制，在相同的导通电阻下，有效提高了器件的击穿电压。