[发明专利]一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管

说明书

本发明属于半导体功率器件领域，特别涉及一种氮化镓横向MIS‑肖特基混合阳极二极管。本发明公开了一种基于具有变铝组分势垒层(Al_0～0.50GaN)异质结的混合阳极二极管，具体结构是在GaN层上方生长一层薄的变铝组分Al_0～0.50GaN层作为势垒层，AlGaN势垒层中Al摩尔分量从0％到50％渐变。薄的变铝组分AlGaN层能够减小肖特基阳极电极到二维电子气的距离，增加沟道二维电子气浓度，并消除AlGaN/GaN异质结处导带差，进而能够降低所提出器件的开启电压和导通压降。同时阳极部分的金属‑绝缘体‑半导体结构(MIS)能够有效降低器件反向漏电流，增加器件反向耐压。

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体的说是涉及一种基于具有变铝组分势垒层(Al_0～0.50GaN)异质结的氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管。

背景技术

氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm²/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～1013cm^-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。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)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

二极管在半导体领域占有极其重要的地位，近年来由于工艺和材料等的进步，基于氮化镓异质结材料的二极管已经取得了较大的发展。对于高效功率开关应用，开启电压和反向耐压是二极管的关键指标。传统的氮化镓异质结肖特基二极管(AlGaN/GaN SBD)，由于肖特基势垒和AlGaN/GaN异质结的存在使得器件开启电压通常大于1V，并且器件的漏电非常大，耐压值很低。为减小电力电子系统的功耗，提高系统效率，有必要减小二极管的开启电压以及器件的反向漏电。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述常规AlGaN/GaN SBD中存在的问题，提出了一种具有低开启电压、低导通压降、低反向漏电流、高反向耐压的新型氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管。

本发明的技术方案如下：

一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和AlGaN层3；所述AlGaN层3的Al摩尔组分从AlGaN层3底部到顶部逐渐增大，并与GaN层2形成异质结；在器件上层两端还具有阴极结构和MIS-肖特基混合阳极结构；所述阴极结构为在异质结上层形成欧姆接触的第一金属6；所述MIS-肖特基混合阳极结构包括金属-绝缘层-半导体结构和肖特基结构，所述肖特基结构为在异质结上层形成肖特基接触的第二金属7，所述金属-绝缘层-半导体结构包括一个刻蚀部分AlGaN层3的凹槽，凹槽底部和侧面覆盖一层绝缘介质5，绝缘介质5上方覆盖金属电极8，该金属电极8与第二金属7之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；在所述AlGaN层3上表面淀积SiN层4形成钝化层；在所述钝化层上生长有绝缘介质5，部分绝缘介质5沿SiN层4和金属电极8之间的侧面延伸至AlGaN层3上构成MIS结构的绝缘层；

进一步的，所述衬底1采用的材料为硅、蓝宝石，碳化硅和氮化镓中的一种。

进一步的，所述绝缘介质5采用的材料为HfO2、SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种或多种组合，其厚度在1nm到100nm之间。