纵向结构功率肖特基二极管器件的制作方法

1.本发明涉及一种纵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：

[0002]ⅲ族氮化物是典型的宽禁带半导体材料，其中的优秀代表gan在光电子学和电力电子学中具有广泛的应用，被认为是仅次于硅的最重要的半导体材料之一。目前，gan电力电子器件已广泛用于电力电子设备中。在所有电力电子器件类型中，肖特基势垒二极管(sbd)是功率转换系统中的基本组件，可以应用在例如开关电源，变频器，驱动器和其他电路中。本发明设计了一种特殊凹槽结构的gan sbd，探索实现低开启电压以及高耐压gan sbd的器件。
[0003]
对于gan功率sbd而言，耐压水平的高低是限制器件应用场景的一个关键因素，然而电场聚集在肖特基结边缘会产生过量的泄漏电流，可能会导致垂直sbd的提前击穿。研究者们也提出了一些结构和方法来使得电场更均匀的分布，抑制器件的提前击穿。例如阳极场板结构，氮离子或氟离子注入和p型结终端(jte)等。显然，在工艺实现可行的基础之上，如何有效降低器件表面电场是提高器件击穿电压的关键。
[0004]
本发明提出了一种利用反向pn结终端渐变深度凹槽结构gan垂直肖特基二极管，可以优化sbd器件中的电场分布，降低表面电场提高击穿电压。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种提高纵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。
[0006]
本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0007]
一种纵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：
[0008]
具有变面电场反转层的器件外延结构，所述变面电场反转层由反向pn结组成，形成从表面指向衬底的内建电场，该电场与器件反向耐压时电极电场方向相反；
[0009]
所述器件外延结构顶部设有深度渐变的阳极凹槽结构，阳极凹槽的底部在漂移层，还包括阳极电极，所述阳极电极覆盖所述阳极凹槽。
[0010]
优选的，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，底部位于漂移层。
[0011]
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。
[0012]
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50～5000nm。
[0013]
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、漂移层、表面反向pn结层。
[0014]
优选的，所述衬底层采用si衬底或蓝宝石衬底。
[0015]
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。
[0016]
优选的，所述缓冲层为gan，厚度在2μm以上。
[0017]
优选的，所述漂移层为gan层，厚度为5～100μm。
[0018]
优选的，所述表面反向pn结层的最顶层为n型gan层，下方连接p型gan层，各层厚度为20nm～100nm。
[0019]
本发明的结构适用于所有基于表面反向pn结的gan肖特基器件。
[0020]
本发明的机理主要是在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。场板覆盖范围是决定场板的作用的关键因素之一。本发明结合表面反向pn结和渐变深度的凹槽，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，越接近漂移层的场板，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。本发明充分利用了变面反转电场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
[0021]
图1是本发明阳极凹槽截面为倒三角形的结构原理图。
[0022]
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
[0023]
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。
[0024]
实施例1
[0025]
如图1所示，一种提高纵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：
[0026]
(1)si衬底层；
[0027]
(2)成核层，为25nm厚度的gan；
[0028]
(3)缓冲层，厚度是3μm的重掺杂1～8e18/cm3的n型gan层；
[0029]
(4)漂移层，厚度是10μm的轻掺杂1～5e17/cm3的n型gan层；；
[0030]
(5)表面反向pn结层，最顶层为n型gan层，下方连接p型gan层，各层厚度为50nm。
[0031]
(6)渐变深度阳极凹槽截面为倒三角形，最深深度为40nm；
[0032]
(7)覆盖的阳极电极为铂/金，厚度为20nm/300nm。其中覆盖漂移层的部分为肖特基金属层，其余为金属场板。
[0033]
实施例2
[0034]
如图2所示，一种提高纵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：
[0035]
(1)蓝宝石衬底层；
[0036]
(2)成核层，为25nm厚度的gan；
[0037]
(3)缓冲层，厚度是3μm的重掺杂1～8e18/cm3的n型gan层；
[0038]
(4)漂移层，厚度是10μm的轻掺杂1～5e17/cm3的n型gan层；
[0039]
(5)表面反向pn结层，最顶层为n型gan层，下方连接p型gan层，各层厚度为50nm。
[0040]
(6)渐变深度阳极凹槽截面为倒梯形，最深深度为40nm；
[0041]
(7)覆盖的阳极电极为铂/金，厚度为20nm/300nm。其中覆盖漂移层的部分为肖特基金属层，其余为金属场板。


技术特征：
1.一种纵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：具有变面电场反转层的器件外延结构，所述变面电场反转层由反向pn结组成，形成从表面指向衬底的内建电场，该电场与器件反向耐压时电极电场方向相反；所述器件外延结构顶部设有深度渐变的阳极凹槽结构，阳极凹槽的底部在漂移层，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所述的纵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，底部位于漂移层。3.根据权利要求2所述的纵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所述的纵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50～5000nm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的纵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、漂移层、表面反向pn结层。6.根据权利要求5所述的纵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所述的纵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所述的纵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2μm以上。9.根据权利要求5所述的纵向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述漂移层为gan层，厚度为5～100μm。10.根据权利要求5所述的纵向结构功率肖特基二极管器件，其特征在于：所述表面反向pn结层的最顶层为n型gan层，下方连接p型gan层，各层厚度为20nm～100nm。

技术总结
本发明公开了一种纵向结构功率肖特基二极管器件，其结构自下而上依次包括：具有变面电场反转层的器件外延结构，所述变面电场反转层由反向pn结组成，形成从表面指向衬底的内建电场，该电场与器件反向耐压时电极电场方向相反；所述器件外延结构顶部设有深度渐变的阳极凹槽结构，阳极凹槽的底部在漂移层，还包括阳极电极，所述阳极电极覆盖所述阳极凹槽。本发明采用深度渐变阳极金属结构，充分利用了变面反转电场特性和维持势垒阻挡层，实现最大程度的器件高耐压和低导通。的器件高耐压和低导通。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：2022/3/22