[发明专利]场效应二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种基于能带工程的、低正向导通压降、低反向漏电流和高击穿电压的场效应二极管及其制造方法。 

背景技术

现代社会中，涉及高压供电、电力转换、工厂自动化和机动车能量分配管理等诸多领域的电力电子技术不断发展。功率半导体器件通常作为电路系统中的开关或整流器，是功率电子技术的的重要组成部分。功率器件决定了电路系统的消耗与效率，对节能降耗有非常重要的作用。近年来，具有高频、大功率密度、低功耗特性的GaN肖特基二极管以其优异的性能优势引起产业界的极大兴趣。 

GaN的禁带宽度较大，室温下可达3.4eV，并且还具有电子迁移率高、热导率高，耐高温高压等特点。即使在未掺杂的情况下，AlGaN/GaN异质结界面处也很容易形成密度在10¹³cm^-2以上的二维电子气(2DEG)。这是因为AlGaN/GaN结构中存在自发极化和压电极化，极化电场在AlGaN/GaN界面处的GaN层中诱导出高浓度、高迁移率的2DEG。GaN材料临界击穿电压比Si大近一个数量级，且其对应的肖特基二极管正向导通电阻比Si器件低近三个数量级，因此在要求高温、高转换速率、高电压的功率器件领域，GaN器件是Si器件的理想替代者。 

用于高压转换电路的二极管器件应具有以下的特点。肖特基二极管反向偏置时(即阴极比阳极的电压高时)，可以承受较高的电压，同时反向漏电流维持在较低的水平。当二极管正向偏置时，正向压降应尽可能的小，二极管正向导通电阻应越小越好，以降低导通损耗。另一方面，二极管中存储的少 数载流子电荷也应该越少越好，以减小从开到关时复合少子电荷所引起的开关损耗，从而提高效率。在二极管中，以上所描述的不同性能参数之间彼此制约。采用较低的肖特基势垒高度可以减小肖特基二极管的正向压降，增加其正向导通时的电流密度。但是这也增加了肖特基二极管的反向漏电流。而且，较低的势垒高度会使肖特基二极管在高温下的电学性能退化，如击穿电压变小。采用较高的肖特基势垒高度有助于降低反向漏电流，但是会导致正向压降(V_F)较大，使开态损耗增加。 

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新型的低正向导通压降、低反向漏电流和高击穿电压的场效应二极管及其制造方法。 

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于能带工程的、低正向导通压降、低反向漏电流和高击穿电压的场效应二极管及其制备方法，该场效应二极管依次包括：基片，成核层，缓冲层，背势垒层，沟道层，第一势垒层，第二势垒层，第二势垒层上形成有凹槽，阳极、阴极；阴极为欧姆接触电极，阳极为复合结构：由欧姆接触电极、以及位于所述凹槽中且与欧姆接触电极相短接的肖特基电极组成。其中第一势垒层与背势垒层有相近的组分含量，第二势垒层与第一势垒层的组分含量不同，第二势垒层晶格常数比第一势垒层的晶格常数小。 

场效应二极管的阳极包含欧姆金属、凹槽结构以及肖特基金属，阴极由欧姆金属形成。在凹槽区域，由于第一势垒层的组分与背势垒层的组分相近，它们与GaN沟道层之间的界面处形成的极化电荷密度相当，但带电符号相反，其作用相互抵消，因此GaN沟道层中不能够形成二维电子气(2DEG)，该凹槽区域形成耗尽的沟道。当该场效应二极管的阳极施加反偏电压时(即阳极相对阴极施加负偏电压)，由于凹槽区域的耗尽沟道对电流的截止作用，反偏 下阳极和阴极之间不能够进行导电，即二极管处于反向关断状态。而当该场效应二极管的阳极施加正偏电压时，凹槽区域的耗尽沟道在肖特基金属的正电压的作用下，沟道中的势垒降低，二维电子气逐渐恢复，形成电子导电通道，亦即该场效应二极管具备正向导通特性。 

本发明中将第二势垒层AlGaN的的Al组分设计成大于背势垒层和第一势垒层AlGaN的的Al组分，此第二势垒层和第一势垒层共同作用在其与GaN沟道层之间的界面处，产生的极化电荷密度要比背势垒层在其与GaN沟道层之间的界面处产生的极化电荷密度大，由此在第一势垒层/沟道层的界面处将产生高浓度的二维电子气(2DEG)，并降低该场效应二极管的正向导通电阻。 

综上所述，在该场效应二极管的阳极凹槽区域下GaN沟道层中的2DEG被耗尽形成截止沟道，使得该二极管在反偏电压下关断，而在凹槽以外的区域则形成高浓度的二维电子气，能够有效的降低二极管的正向导通电阻。 

本发明的场效应二极管具有以下几个优点：