[发明专利]一种氮化鎵基异质结耐击穿肖特基二极管结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化鎵基异质结肖特基二极管结构，更具体地说是涉及一种氮化鎵基异质结的高电子迁移率耐击穿肖特基二极管半导体器件结构。

背景技术

碳化硅和氮化镓被誉为第三代半导体，它们将为半导体带来技术性的革命。之前，这些宽禁带半导体已被研发了数拾年，一直至2002年左右，英飞凌公司推出600V的肖特基二极管，宣布碳化硅正式开始提供有实用价值的产品。之后，栅控场效应碳化硅晶体管也开始投放市场，从事碳化硅功率器件有关的生产厂家也愈来愈多，就产品技术方面来看，当时期的碳化硅是比氮化镓成熟，然而氮化镓没有停下研发步伐，於2008年左右，一些公司如美国的IR，美国的Transform，日本的东芝也开始相继提供氮化镓功率器件的样品。之后，美国的EPC，日本的富士通，松下，Rohm，接着有ST，Onsemi和Ti等公司也相继推出他们的氮化鎵产品。在这些公司的推动下，整个氮化鎵功率器件的生态环境大为改善，从氮化镓的外延，工艺制作，封装，驱动集成电路和应用等方面都日趋成熟。一般认为，从现在的情况来看，击穿电压在1200伏或以下的宽禁带半导体器件市场，将会是GaN HEMT为主导，大于1200伏的则是碳化硅的天下。

氮化镓(GaN)是宽禁带半导体材料，比硅有更大的击穿电场特性和高的电子饱和漂移速度，总的来说，GaN是可以用来制造高频和高压大功率半导体器件的优良材料。

氮化镓(GaN)基异质结材料是延续了GaN材料的高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。AlGaN/GaN是GaN基异质结材料中的主要结构代表，其中AlGaN为宽禁带材料，GaN为窄带材料，两者形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧，是目前半导体材料和器件研究领域中的热点。

由于氮化镓(GaN)单晶衬底过于昂贵和不成熟，一般(GaN)基器件是不使用垂直结构，而是使用横向结构的。用氮化鎵(GaN)制造的高压横向器件的结构一般如图1所示，由于氮化镓的掺杂工艺未成熟，尤其是P型掺杂，不容易控制，一直至今，图1的结构仍未有商业化的产品，相比之下，用AlGaN/GaN半导体材料形式成异质结，从而形成高电子迁移率晶体管(HEMT)器件，其基本结构如图2所示，与其它半导体材料，如AlGaAs/GaAs相比，AlGaN/GaN材料制造出的HEMT器件有更好的电学性能，因为用於制造器件的纤锌矿结构GaN为III族氮化物的六方晶体结构，是一种带隙宽并具有强压电、铁电性的半导体材料，这晶体结构缺少反演对称性，呈现很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，压电系数比其它III-V族、II-VI族半导体材料大1个数量级以上，自发极化强度也很大，由于III族氮化物材料能隙相差悬殊，异质结构界面导带存在巨大能带偏移，形成深量子阱。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，III族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统。如典型的AlGaN/GaN异质结构，其AlGaN势垒层中压电极化强度为传统AlGaAs/GaAs异质结构中的5倍之多，高性能二维电子气具有极其重要的技术应用价值。AlGaN/GaN体系作为一典型的GaN基异质结构，在微波功率，高温电子器件和军事领域等具有极为重要的应用价值。

功率器件一般可以承受高的反偏置电压和大的正向导通电流，不同的功率器件有不同的规格，其所能承受的反偏置电压和正向电流是不同的。纵向功率器件在区域结构上可分为有源区和终端区，终端区一般是在外围紧接着有源区的边缘。横向功率器件没有终端区，只有有源区，有源区为电流从高电压电极流至低电压电极的流动区域，所以，当横向器件处于反偏置时，有源区(即从高电压电极至低电压电极之间的区域)需要用来承受从高电压电极至低电压电极之间的反偏置电压，有顾及此，横向器件在设计上除了减少导通电阻，减少寄生电容等等，还要兼顾击穿电压的要求，在反偏置时，从高电压电极至低电压电极之间需要形成耗尽区来承受反偏置的电压，要承受相当的反偏置电压便要相当宽度的耗尽区，在耗尽区域中，半导体材料间的电荷要平衡，在耗尽时要求几乎没有净电荷残留，否则耗尽区便无法扩展开来承受施加其上的反偏置的电压。