[发明专利]一种功率二极管器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种功率二极管器件及其制备方法。

背景技术

功率二极管器件要能够承受高电压，器件结构中就必须采用先进的终端结构设计。其结构如附图1所示，此终端结构的作用是削弱电极边缘的电场增强尖峰，使电场分布平坦化，避免器件过早击穿。因此，在高功率肖特基器件的设计过程中，在确定了电压阻断层的掺杂浓度和厚度后，肖特基电极周边的终端结构设计将决定器件能否承受所要求的高电压。

场限环（guard ring）是功率二极管器件最常用的终端结构，它的制备工艺对于硅基器件已经非常成熟，如附图2所示，通常通过几个操作步骤完成：

按设计生长具有合适掺杂浓度和厚度的N-/N+外延结构；

通过半导体微加工工艺在器件表面形成掩膜，进行选择性P型杂质离子注入；

去除掩膜，经过热退火后形成P型终端结构；

采用半导体微加工方法制作肖特基二极管的阳极和阴极。

场限环结构虽然效果很好并被大规模采用到硅基功率电子器件中，但是，这种结构却不能简单地被移植到GaN功率电子器件的工艺流程中。其主要的原因是：在GaN材料中通过离子注入方法进行P型掺杂并不成熟；具体来讲，当被加速的离子注入到单晶材料中时，高能离子将极大地破坏材料晶格的有序性，进而在注入区的材料中形成高密度的晶格缺陷。在传统的硅器件工艺中，只要通过热退火（一般温度在1100度左右）就可完全清除离子注入带来的晶格损伤；但是，由于宽禁带半导体GaN材料的特殊物性，只有采用超过1500度的热处理才有可能清除离子注入带来的晶格损伤。而1500度的热处理可使器件表面的GaN材料分解，使肖特基势垒降低，增加肖特基电极的反向漏电流和减小器件的反向耐压；同时，1500度以上的热处理对退火设备的要求也很高，导致器件制备成本大幅度攀升。

综上所述，传统的离子注入场限环工艺不能简单地照搬到功率二极管器件的制备工艺流程中。因此，如何在功率二极管器件中形成可靠的P型场限环终端结构是制备高功率肖特基器件的关键技术。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的是提供一种功率二极管器件及其制备方法，可以有效降低肖特基电极周边的电场强度，提高GaN肖特基器件的反向耐压能力。

为了解决上述难题，本发明采取的方案是一种功率二极管器件，它包括相层叠设置的衬底、缓冲层、外延层、ALN层、场限环、环形场板、形成肖特基结的金属层，所述场限环呈环形结构，所述ALN层为与所示场限环相对应的环形结构，所述外延层与阴极相电连，所述金属层与阳极相连。

优选地，所述环形场板上形成有多个呈环形的凹凸部，环形场板的凸部的最高点自该功率部件的内侧向外侧逐渐升高，环形场板的最低点自该功率部件的内侧向外侧逐渐升高，最靠近所述功率二极管器件中心的环形场板向外延层的投影位于最靠近中心的场限环内，所述金属层覆盖任一个环形场板的凹部。

优选地，所述衬底由包括但不局限于蓝宝石、碳化硅或硅中的一种或几种制成。

优选地，所述缓冲层由包括但不局限于GaN、AlN中的一种或几种制成。

优选地，所述环形场板由绝缘材料制成。

优选地，所述环形场板的任一个凹部向外延层的投影至少部分的与所述场限环相重合。

优选地，所述外延层包括层叠设置的第一GaN层以及第二GaN层，所述第一GaN层与缓冲层相邻，所述第二GaN层与ALN层相邻，所述第一GaN层为n++型GaN，所述第二GaN层为n-型GaN或i-GaN，所述场限环为P-GaN，所述阴极与所述第一GaN层相电连。

优选地，所述第一GaN层的厚度为0.1-10μm。

优选地，所述第二GaN层的厚度为1-20μm。

优选地，所述场限环的厚度为0.01-3μm。

优选地，所述ALN层的厚度为0.1-100nm。

一种功率二极管器件的制备方法，它包括以下步骤：

A）制备衬底与缓冲层，使用金属有机源化学气相沉积系统在缓冲层上外延生长形成GaN外延层；

B）在GaN外延层上生长ALN层；

C）在ALN层上生长P-GaN层；