高耐压和低导通的横向结构功率肖特基二极管器件的制作方法

1.本发明涉及一种高耐压和低导通的横向结构功率肖特基二极管器件，属于半导体器件技术领域。


背景技术：

2.氮化镓(gan)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有大禁带宽度(3.4ev)、强击穿电场(3mv/cm)、高电子饱和漂移速度(3
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107cm/s)和良好化学稳定性等一系列材料性能优势，是研制高性能功率电子器件的热门材料。性能优异的gan肖特基功率器件，依赖于高质量材料外延技术，包括外延设备、外延机制、材料生长过程中的缺陷产生与抑制、原子表面结构再构等关键技术；还依赖于精细的器件结构设计，包括参杂结构设计、高耐压势垒材料与结构设计，表面修饰结构设计以及器件内电场调节设计等关键技术。
3.尽管各国学者在gan功率肖特基二极管课题上开展了大量的研究，但是目前，实现的器件耐压远低于材料的击穿场强极限，关键的问题就是器件外延结构还有不当设计，形成了电场集中的热点区域，限制了材料性能的发挥。对于横向结构的gan功率肖特基二极管，通常利用沟道中的二维电子气作为电流传输通道，电极与沟道的距离是影响器件性能的关键因素之一。本发明提出一种提高横向结构功率肖特基二极管反向耐压的器件阳极终端结构，具有渐变凹槽深度的阳极电极结构导致了倾斜的阳极电极侧壁，形成与二维电子气沟道距离渐变的阳极场板，有效分散阳极边缘的电场，降低阳极边缘的电场集中度，从而提高器件的反向耐压性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提高横向结构功率肖特基二极管反向耐压的器件，具有渐变凹槽深度的阳极电极结构导致了倾斜的阳极电极侧壁，形成渐进的阳极场板，有效分散阳极边缘的电场，降低阳极边缘的电场集中度，从而提高器件的反向耐压性能。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种高耐压和低导通的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于其结构自下而上依次包括：
7.具有渐变势垒的器件外延结构，在渐变势垒内形成从高到低指向衬底的极化电场；
8.所述器件外延结构顶部设有深度渐变的阳极凹槽结构，阳极凹槽的底部在沟道层，还包括阳极电极，所述阳极电极覆盖所述阳极凹槽。
9.优选的，所述深度凹槽的截面为倒三角形或倒梯形，顶部开始于器件外延结构表面，底部位于沟道层。
10.优选的，所述阳极电极的平面结构为圆形、矩形或梳状叉指形。
11.优选的，所述阳极电极为与gan形成肖特基接触的金属层，材料选自镍，银，金，铂，钯，铊，厚度为50nm～5000nm。
12.优选的，所述器件外延结构自下而上依次包括衬底层、成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，会产生二维电子气。
13.优选的，所述衬底层采用si衬底或蓝宝石衬底。
14.优选的，所述成核层为gan，厚度为20～50nm；或aln层和algan层的复合结构，aln层靠近衬底层，aln层厚度为50～200nm，algan层厚度为100～1000nm。
15.优选的，所述缓冲层为gan，厚度在3～10μm。
16.优选的，所述沟道层为i-gan层和aln层的复合结构，i-gan层靠近缓冲层，厚度为100nm～1000nm，aln厚度为1nm～2nm。
17.优选的，所述势垒层为渐变al组分势垒，势垒表面al组分为0％的gan，势垒底部为al组分100％的aln，厚度为20nm～50nm。
18.本发明适用于所有的基于高迁移率晶体管(hemt)结构的器件。
19.本发明的机理主要是有效分散阳极边缘电场，用以提高器件耐压。通常肖特基功率器件中，最强的电场集中在阳极边缘，通过电极场板，可有效分散电场，降低峰值电场强度。场板与沟道层的间距是决定场板的作用的关键因素之一。本发明结合渐变al组分势垒和渐变深度的凹槽，可以形成适当内部电场分散状态，尤其是渐变深度凹槽侧壁，等效形成有效间距渐变的场板，越接近沟道的场板，间距也越小，调制效果越强，从而产生所需要的内部电场调制。本发明充分利用了沟道的高电导特性和维持势垒阻挡层，将集中分布在阳极边缘的电场分散抵消或减弱，实现最大程度的器件高耐压和低导通。
附图说明
20.图1是本发明阳极凹槽截面为倒三角形的结构原理图。
21.图2是本发明阳极凹槽截面为倒梯形的结构原理图。
具体实施方式
22.以下是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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
23.实施例1
24.如图1所示，一种提高横向结构功率肖特基二极管反向耐压的器件阳极终端结构，其结构自下而上依次包括：
25.(1)si衬底层1；
26.(2)成核层2，为200nm厚度的aln以及800nm厚度的algan；
27.(3)缓冲层3，厚度在4μm的gan层；
28.(4)沟道层，为i-gan层4和aln层5的复合结构，i-gan层靠近缓冲层，厚度为200nm，aln厚度为1nm；
29.(5)势垒层，为al组分渐变algan层6和gan层7的复合结构，gan层在表面，algan层靠近沟道层，其中al组分为0％渐变到100％，厚度为27nm，gan层厚度为5nm。
30.(6)渐变深度阳极凹槽截面为倒三角形，最深深度为40nm，在沟道层内；
31.(7)覆盖的阳极电极8为铂/金，厚度为20nm/300nm。其中覆盖沟道层的部分为肖特基金属层，其余为金属场板。
32.实施例2
33.如图2所示，一种提高横向结构功率肖特基二极管反向耐压的器件阳极终端结构，其结构自下而上依次包括：
34.(1)蓝宝石衬底层1；
35.(2)成核层2，为200nm厚度的aln以及800nm厚度的algan；
36.(3)缓冲层3，厚度在4μm的gan层；
37.(4)沟道层，为i-gan层4和aln层5的复合结构，i-gan层靠近缓冲层，厚度为200nm，aln厚度为1nm；
38.(5)势垒层，为algan层6和gan层7的复合结构，algan层靠近沟道层，其中al组分为27％，厚度为27nm，gan层厚度为5nm。
39.(6)渐变深度阳极凹槽截面为倒梯形，最深深度为40nm；
40.(7)覆盖的阳极电极8为铂/金，厚度为20nm/300nm。其中覆盖沟道层的部分为肖特基金属层，其余为金属场板。


技术特征：
1.一种高耐压和低导通的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于其结构自下而上依次包括：具有渐变势垒的器件外延结构，在渐变势垒内形成从高到低指向衬底的极化电场；所述器件外延结构顶部设有深度渐变的阳极凹槽结构，阳极凹槽的底部在沟道层，还包括阳极电极，所述阳极电极覆盖所述阳极凹槽。2.根据权利要求1所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述阳极凹槽的截面为倒三角形或倒梯形，顶部开始于器件外延结构表面，底部位于沟道层。3.根据权利要求2所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述阳极电极的平面结构为圆形、矩形或梳状叉指形。4.根据权利要求2所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述阳极电极为与gan形成肖特基接触的金属层，材料选自镍，银，金，铂，钯，铊，厚度为50nm～5000nm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述器件外延结构自下而上依次包括衬底层、成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，在沟道层和势垒层界面处产生二维电子气。6.根据权利要求5所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述衬底层采用si衬底或蓝宝石衬底。7.根据权利要求5所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述成核层为gan，厚度为20～50nm；或aln层和algan层的复合结构，aln层靠近衬底层，aln层厚度为50～200nm，algan层厚度为100～1000nm。8.根据权利要求5所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述缓冲层为gan，厚度在3～10μm。9.根据权利要求5所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述沟道层为i-gan层和aln层的复合结构，i-gan层靠近缓冲层，厚度为100nm～1000nm，aln厚度为1nm～2nm。10.根据权利要求5所述的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述势垒层为渐变al组分势垒，势垒表面al组分为0％的gan，势垒底部为al组分100％的aln，厚度为20nm～50nm。

技术总结
本发明公开了一种高耐压和低导通的横向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于其结构自下而上依次包括：具有渐变势垒的器件外延结构，在渐变势垒内形成从高到低指向衬底的极化电场；所述器件外延结构顶部设有深度渐变的阳极凹槽结构，阳极凹槽的底部在沟道层，还包括阳极电极，所述阳极电极覆盖所述阳极凹槽。本发明充分利用了沟道的高电导特性和维持势垒阻挡层，将集中分布在阳极边缘的电场分散抵消或减弱，实现最大程度的器件高耐压和低导通。实现最大程度的器件高耐压和低导通。实现最大程度的器件高耐压和低导通。


技术研发人员：陈鹏 徐儒 潘传真 封建波 谢自立 修向前 陈敦军 赵红 张荣 郑有炓
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/3/8