[发明专利]一种GaN异质结功率二极管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，涉及GaN异质结功率二极管。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体的典型代表，氮化镓（GaN）具有很多优良的特性：高临界击穿电场（～3.5×10⁶V/cm）、高电子迁移率（～2000cm²/vs）、高的二维电子气（2DEG）浓度（～10¹³cm^-2）和良好的高温工作能力等。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管（HEMT）（或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET，以下统称为HEMT器件）在半导体领域已经得到应用，尤其是在射频/微波领域已经应用于无线通信、卫星通信等。另外，基于宽禁带GaN材料的该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高、效率高等特性，可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积、更低功耗和更恶劣工作环境的要求。

二极管在半导体领域占有极其重要的地位，近年来，基于GaN异质结材料的二极管也已经取得了较大发展。然而，传统的GaN异质结肖特基二极管受肖特基接触势垒的影响其开启电压较大且其耐压能力取决于肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触。较大的开启电压会增加器件的正向工作损耗，因此开发一种具有低正向开启电压、高反向耐压的GaN功率二极管对于实际应用具有重要意义。文献Jae-Gil Lee,et.al.,“Low Turn-on Voltage AlGaN/GaN-on-Si Rectifier With Gated Ohmic Anode”,IEEE Electron Device Letters,vol.34,no.2,Feb2013提出的凹槽结构具有0.37V的开启电压，远小于肖特基势垒二极管>1.0V的开启电压，但是在反向耐压方面该结构受传统肖特基接触反向漏电的限制。文献Silvia Lenci,et.al.,“Au-Free AlGaN/GaN Power Diode on8-in Si Substrate With Gated EdgeTermination”,IEEE Electron Device Letters,vol.34,no.8,Aug2013提出一种具有结终端的肖特基二极管。该结构利用结终端结构减小肖特基接触反向漏电，但器件正向导通电流受到肖特基接触载流能力的限制。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述传统GaN异质结功率二极管存在的问题，提出了一种具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗的新型GaN异质结二极管。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种GaN异质结功率二极管，包括衬底基片1、设置在衬底基片1上端面的GaN层2、设置在GaN层2上端面的AlMN层3，所述GaN层2和AlMN层3构成异质结，所述AlMN层3上端面的两侧分别设置有第一肖特基金属5和第二肖特基金属9，所述第一肖特基金属5和第二肖特基金属9之间设置有钝化层7，所述第一肖特基金属5与AlMN层3之间设置有第一欧姆接触层4，其特征在于，所述AlMN层3与第二肖特基金属9的接触面设置有凹槽8，所述凹槽8中靠近第一肖特基金属5的一侧设置有电介质6，另一侧设置第二欧姆接触层10。

本发明总的技术方案，基于刻蚀AlMN势垒层局部减薄AlMN势垒层的厚度从而降低异质结的二维电子气（2DEG）的浓度实现对二极管正向开启电压的调制从而获得较低的器件正向开启电压，并利用电介质引入到阳极结终端来降低反向漏电以提高器件反向耐压，形成基于结终端实现高耐压的GaN异质结横向二极管。该二极管具有极低的开启电压和高的耐压能力。需要指出的是当AlMN势垒层的厚度、AlMN势垒层Al的组分，或是异质结中插入了AlN层，或是AlMN势垒层中有掺杂以及掺杂的分布不同时，要实现同样低的正向开启电压所对应的凹槽的深度会有所不同

具体的，所述AlMN层3中M为Ga、In和Ga与In的混合物中的一种。

具体的，所述电介质6为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO和HfO₂中的一种。

具体的，所述凹槽8的深度为20nm。

本发明的有益效果为，具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗等优点，同时其制造工艺与传统GaN异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统GaN异质结HEMT器件的单片集成。