[发明专利]一种功率型GaN基肖特基二极管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种肖特基二极管及其制备方法，尤其涉及一种上下电极结构 的功率型GaN基肖特基二极管及其制备方法。

背景技术

肖特基二极管是一种利用金属和半导体接触的整流特性进行工作的多数载 流子器件。与PN结、p-i-n等二极管相比，具有开启电压低、反向恢复电流小、 开关速度快、功耗低等特点。发展至今，Si基器件已经接近理论极限。实现高 效、耐热、耐压和大功率特性，需要新一代的宽禁带半导体材料来支撑。

GaN属于宽禁带半导体材料，它具有优异的物理和化学性质，如禁带宽度大、 击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高及抗辐照性能强、热导率和 介电常数大，化学特性稳定等，特别适合制作高压、高温、高频、高功率、强 辐照环境下使用的半导体器件。具体而言，GaN的禁带宽度比Si材料大，本征 载流子浓度比Si低，由此决定了GaN基器件的极限工作温度比Si基器件高。 从热稳定性方面考虑，III-V族化合物的键能比Si材料大，在高温下有更高的 稳定性。同时，GaN材料的BFOM因子(Baliga Figure Of Merit，V_BR²/R_on)比 Si材料高，这意味着同等条件下GaN肖特基二极管比Si肖特基二极管具有更高 的击穿电压和更低的通态电阻。GaN基肖特基二极管得益于这些材料特性，在性 能方面表现越来越突出。

对于GaN材料生长，衬底材料选择是后期器件结构设计的关键。GaN自支撑 衬底是导电型同质外延衬底，是实现高性能器件的首选。但是目前GaN自支撑 衬底生长困难，成本高，而且尺寸小，不利于大规模的工业生产。其他常用的 异质外延衬底有蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅(Si)等材料。与GaN自支撑衬底 相比，蓝宝石和Si衬底价格低廉，而且Si晶圆的尺寸大，适合于大规模工业 生产。蓝宝石衬底的GaN材料生长比较成熟，具有与GaN纤锌矿结构相同的六 方对称结构，是目前应用比较广泛的衬底材料。但是，大尺寸的蓝宝石衬底成 本高，同时由于自身的导电性差，不能制作电极，因此器件一般只能通过制作 同向电极实现横向导电。

碳化硅(SiC)和硅(Si)衬底材料可以通过自身的掺杂改善其导电性，可 以直接在衬底上直接做电极。于是在碳化硅(SiC)和硅(Si)衬底上面生长的 GaN材料器件结构可以设计为上下电极的纵向导电结构。对于这种和衬底材料一 起做成上下电极结构的器件，由于衬底本身的导通损耗以及衬底和GaN外延层 之间用来缓解晶格失配的缓冲层的导通损耗，会使得器件自身的导通电阻增大， 影响器件性能。

从电流输运方向来划分，器件结构可分为同向电极的横向导电结构和上下 电极的纵向导电结构。

同向电极的横向导电结构肖特基二极管在正向导通时，电流沿着与器件外 延平面平行的方向从肖特基接触电极流向欧姆接触电极；在反向截止时，耗尽 区也在该方向承受反向电压。横向导电结构不便于实现多个器件单元的并联封 装，电流输运导通区域只在外延层上层平面，也不便于器件的散热。

上下电极的导电结构肖特基二极管的欧姆接触电极一般位于衬底底部，电 流沿上电极向下电极输运，耗尽层也在纵向承受反向电压。上下电极结构对比 横向导电结构器件，电流分布更加均匀，提高散热性能。此外，上下电极结构 便于实现多个器件单元的并联封装。

由此可见，与横向导电结构相比，上下电极结构容易实现大的电流特性， 在散热特性方面也有一定的优势，而且便于实现多个器件单元的并联。但是， 上下电极的导电结构器件的GaN自支撑衬底成本高，尺寸小，其他异质外延衬 底才是比较经济，便于大规模工业生产的方案。因此，如何解决异质外延衬底 上下电极导电器件中较高的导通电阻成为技术突破的难点。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种上下电极结构的GaN基肖 特基二极管及其制作方法，有效地降低了通过与导电衬底接触形成阴极所带来 的较高的导通电阻，改善了肖特基二极管的散热特性，降低了对散热设计要求。