[发明专利]一种垂直型氮化镓肖特基二极管器件及其制备方法

说明书

本发明了一种垂直型氮化镓肖特基二极管器件及其制备方法。所述器件包括阳极金属层、铝镓氮层、N型轻掺杂层、N型重掺杂层、缓冲层、衬底及阴极金属层。制备方法为：在衬底表面沉积一层缓冲层，在缓冲层上形成N型重掺杂层、N型轻掺杂层；刻蚀部分N型轻掺杂层，在N型轻掺杂层中刻蚀凹槽，并沉积铝镓氮层；继续沉积阳极金属层；在N型重掺杂层或衬底表面沉积阴极金属层。本发明提供的氮化镓肖特基二极管器件较现有的横向平面型和垂直型氮化镓肖特基二极管具有更强的抗击穿能力，该器件正向导通时，减少串联电阻进而减少发热，有利于防止热逃逸现象；当处于反向偏压条件下时，电场的峰值处于铝镓氮层中，增加器件反向耐压特性。

技术领域

本发明涉及一种基于异质结构的垂直型氮化镓肖特基二极管器件及其制备方法，属于半导体微电子器件及器件工艺技术领域。

背景技术

半导体功率器件是完成电能高效转换、控制和调节的核心元素。如今半导体功率器件广泛应用从传统的工业控制到个人计算机、消费类电子产品，智能汽车，新能源系统、轨道交通、智能电网等等多个领域。在过去的60年当中，硅基功率半导体器件一直承担着这一任务，并取得了长足的进步。然而，如今硅基功率器件已经几乎达到了其材料理论值的上限。另一方面，电力能源转换系统的高效化，开关频率的高速化，尺寸的小型化又对功率器件性能提出了新的要求。氮化镓具有宽的直接带隙、强的原子键、高的导热率、良好的化学稳定性，较强的抗辐照能力等性质，在光电子器件、高压器件、高功率器件和高频微波器件方面有着广阔的前景。因此氮化镓材料与器件的研究和应用便成为目前全球功率半导体器件研究的前沿和热点之一[1]。

在众多的功率器件当中，功率二极管是基础而又十分重要的一种器件形式。它在电能转换系统中有多种应用场景，既可以当做整流二极管来使用，也可以当做快速恢复二极管来使用。前者通常应用于50-60Hz的电网频率，要求器件可以承担高电压大电流[2]；后者可以应用于开关器件的续流二极管，或者高频变压器后端的输出整流管，要求可以支撑几百kHz甚至更高的开关频率，要求器件开关损耗低[3]。

肖特基二极管是功率二极管中的一种，它利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。目前，氮化镓基肖特基二极管的研究主要围绕两种类型类型展开：一种是基于AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管，是一种横向表面器件[4,5]，另一种是基于金属-氮化镓的肖特基二极管[6,7]。

前者基于AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管的工作原理是在器件表面分别形成肖特基接触区以及欧姆接触区，并利用AlGaN/GaN之间的二维电子气(2-DEG)作为沟道进行导电；后者基于氮化镓材料的肖特基二极管同样是在样品的同侧或两侧形成肖特基接触区以及欧姆接触区。以金属-n型半导体形成的肖特基二极管为例，在正向偏置条件下，金属半导体之间的势垒下降，电子由半导体向金属方向移动，形成正向电流。

上述两种肖特基二极管具有开关频率高和导通电压低等优点，但也存在反向击穿电压较低及反向漏电流偏大的缺点。在反向偏置条件下，基于AlGaN/GaN异质结的平面型肖特基二极管其电场的分布具有以下两个特点：(1)表面的铝镓氮材料之中存在较大的电场；(2)铝镓氮层中的电场是不均匀分布的，在边缘处存在极大的尖峰值[8]。而当该尖峰值达到氮化镓的临界击穿场强时，该器件即发生击穿。而基于金属-氮化镓的肖特基二极管在反向偏压条件下的电场峰值出现在金属-氮化镓界面上，即器件表面，从而容易受到表面态等因素的影响。

[1]H.Amano et al.,The 2018GaN power electronics roadmap,(inEnglish),J.Phys.D-Appl.Phys.,Review vol.51,no.16,p.48,Apr 2018,Art no.163001.