[发明专利]一种金属衬底的氮化镓肖特基整流器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体电子器件技术领域，涉及基于宽禁带化合物半导体材料的功率整流器件，具体为一种金属衬底的氮化镓肖特基整流器及其制备方法。

背景技术

功率电子器件，如功率整流器件和功率开关广泛应用于国民经济的各个领域，如开关电源、汽车电子、无线电通信、电机控制等。长期以来，人们一直使用硅基功率电子器件；然而，随着硅工艺的多年发展，受硅材料本身物理特性的限制，硅基功率电子器件性能已经逐渐接近其理论极限。想要再大幅度地提高器件性能，突破功率电子器件发展所面临的“硅极限”问题，就必须采用新型半导体材料来制备下一代功率电子器件。新兴宽禁带半导体材料，尤其是III族氮化物半导体和碳化硅，在材料基本特性上具有制作高性能功率电子器件的更大潜力。其中，氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体材料的典型代表，以其禁带宽度大(3.4eV)、击穿电压高(～3.3MV/cm)、和饱和电子漂移速度大(～2.8×10⁷cm/s)等多方面性能优势在国际上受到了广泛关注，相关III族氮化物半导体技术发展迅速。GaN基材料在高频、高温和大功率器件应用领域具有良好的前景，其针对功率电子器件应用的优值系数相比于硅(Si)材料或砷化镓(GaAs)基材料要高出1-2个数量级以上。

在多种基于宽禁带半导体材料的功率电子器件中，GaN肖特基整流器(SchottkyRectifier，或称为功率肖特基二极管)近年来逐渐成为国际研究热点。肖特基整流器是利用金属与半导体接触所形成的肖特基势垒对电流进行整流控制。其主要特点是具有较低的正向压降；另外它是多数载流子(电子)参与导电，这就比少数载流子器件，如：PN结二极管有快得多的反应速度，其频率响应仅为RC时间常数限制。因而，它是高频和快速开关应用的理想器件。受Si材料低禁带宽度等物理本征特性的限制，Si基肖特基整流器的最高耐压一般只能做到250V左右；更高电压的电源应用则需要使用Si PIN整流器；但是，受PN结区内少数载流子存贮效应的影响，PIN整流器的开关速度又要比肖特基整流器慢很多，这对高效电源系统的设计和实现是非常不利的。采用基于宽禁带半导体GaN的肖特基整流器恰恰可以解决以上矛盾。GaN具有比Si材料高出一个数量级的击穿电场和更好的耐高温能力。高击穿电场使GaN肖特基整流器可以采用较小厚度和更高掺杂浓度的电压阻断层，从而器件的串联电阻可以大大降低，使高功率应用成为可能。

GaN肖特基整流器可同时具有高击穿电压、低开启电阻和很小的反向恢复时间等优异特性。作为一种最基本的功率电子器件，将GaN肖特基整流器应用于功率转换电路或模块，可以很大程度地提高系统的电能转化效率，并大大简化电路的复杂度，降低系统制备成本。从功率半导体器件的发展趋势上可以预计：大功率GaN肖特基整流器(耐压＞300V，正向工作电流＞5A)的未来应用市场非常庞大，典型的关键应用包括：开关模式电源(SMPS)、高压连续导通模式功率因数校正电路(PFC)、电机驱动和高压乘法器等。

目前，人们已经可以在异质衬底，如蓝宝石、碳化硅或硅等，或同质衬底上外延生长和制备GaN肖特基整流器。其中，由于蓝宝石衬底价格较低和外延工艺相对成熟，蓝宝石衬底是人们外延生长GaN材料最为常用的衬底材料。随着近年来以GaN基白光发光二极管为代表产品的半导体照明产业的巨额投入，GaN器件技术和相应设备的生产水平得到了质的提升。目前，高标准生产型GaN外延设备一次可在多达50+片的2英寸蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，并且具有良好的均匀性和可重复性。以上发展形式从侧面上也有利地推动了GaN基功率电子器件的加速发展，使其性价比已经可以挑战硅基功率电子器件。

但是，GaN肖特基整流器作为一种典型的功率电子器件，往往需要在高电压和大电流的模式下工作，其正向导通时的电流密度一般要达到150A/cm²以上，而GaN发光二极管的工作电流密度只在30-50A/cm²之间，因此，GaN肖特基整流器在正常工作时器件内部就会产生很多的热量。这些热量必须能够被及时传导走，否则最终会导致器件烧毁。由于蓝宝石材料的导热率很低，约为0.35W/(cm.K)，在蓝宝石衬底上制作的大功率GaN肖特基整流器就更容易发生器件过热现象，严重制约器件性能，并给器件造成潜在的可靠性问题。因此，如何改善制备在蓝宝石衬底上GaN肖特基整流器的散热问题是发展这一新兴技术的关键。

发明内容