[发明专利]一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管。

背景技术

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，相比于传统的Si半导体，以其3倍的禁带宽度、10倍的临界击穿电场、2倍的电子饱和速度而受到人们的广泛关注。特别是AlGaN/GaN异质结结构通过自发极化和压电极化产生高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，使得AlGaN/GaN功率器件具有导通电阻低、击穿电压高、工作频率高、工作温度高、器件体积小等优点。随着传统Si器件性能越来越接近其理论极限，GaN器件被认为是延续摩尔定律的选择，其在导通电阻、开关速度、散热、封装体积等方面，相比于传统Si器件将具有无可比拟的优势。

二极管在电力电子领域具有极其重要的地位。传统的AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD)的阳极肖特基金属直接淀积在AlGaN势垒层表面，导通时电子不仅需克服肖特基势垒，还需流经高阻的AlGaN势垒层，使得其开启电压较大。为降低AlGaN/GaN异质结二极管的开启电压与导通电阻，各种新型阳极结构的二极管不断出现，并取得了较大突破。文献WangZ,etal.,“Anovelhybrid-anodeAlGaN/GaNfield-effectrectifierwithlowoperationvoltage[C],”ICSICT,IEEE,2010:1889-1891报道了一种混合阳极结构，使得二极管的开启电压由凹槽栅的阈值电压决定，而不是阳极肖特基势垒。文献LeeJG,etal.,“Lowturn-onvoltageAlGaN/GaN-on-Sirectifierwithgatedohmicanode[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2013,34(2):214-216报道了一种栅控二极管，其导通电压仅为0.37V。文献ZhouC,etal.,“AlGaN/GaNDual-ChannelLateralField-EffectRectifierwithPunchthroughBreakdownImmunityandLowOn-Resistance[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2010,31(1):5-7报道了一种具有Dual-Channel结构的二极管，相比于传统SBD导通电阻降低超过50％。文献Bahat-TreidelE,etal.,“Fast-switchingGaN-basedlateralpowerSchottkybarrierdiodeswithlowonsetvoltageandstrongreverseblocking[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2012,33(3):357-359报道了通过全刻蚀技术将AlGaN势垒层完全刻蚀，形成肖特基金属-2DEG接触以降低势垒高度，从而实现了开启电压仅为0.43V，并且击穿电压超过1000V的GaN-on-SiC二极管。二极管的反向特性是其另一关键指标，通常Si衬底的GaN二极管其漏电较大，耐压较低。较大的反向泄漏电流不仅造成较大的关态损耗，还会影响系统的稳定性。MIS栅结构的引入使得二极管的反向漏电大大降低。文献LenciS,etal.,“Au-freeAlGaN/GaNpowerdiodeon8-inSisubstratewithgatededgetermination[J],”ElectronDeviceLetters,IEEE,2013,34(8):1035-1037报道了通过在凹槽内淀积电介质形成具有栅结终端结构的GaN-on-8inSi二极管，其开启电压低于0.5V，耐压超过600V(@1μA/mm)。文献BinLu,etal.,“UltralowLeakageCurrentAlGaN/GaNSchottkyDiodesWith3-DAnodeStructure[J],”TransactiononElectronDevices,IEEE,2013,60(10):3365-3370报道了一种三维阳极结构的GaN-on-Si二极管，通过三维MIS栅结构抑制泄漏电流使其低至260pA/mm，耐压为127V。文献QiZhou,etal.,“Over1.1kVBreakdownLowTurn-onVoltageGaN-on-SiPowerDiodewithMIS-GatedHybridAnode[C],”ISPSD,IEEE,2015,369-372报道了一种具有绝缘栅结构的GaN-on-Si混合阳极二极管,其开启电压为0.6V，且耐压超过1100V(@10μA/mm)。