[发明专利]大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及其制备方法，主要解决目前GaN准垂直pn结二极管输出功率无法满足更高功率需求的问题。其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)和n型GaN层(3)，n型GaN层(3)的上部设有p型GaN层(4)和阴极(5)，p型GaN层(4)的上部设有阳极(6)，该阴极和阳极采用环形叉指结构，即阳极是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。本发明降低了电场的边缘效应，并通过多层环形互连提高了GaN准垂直二极管输出功率密度，可用于微波整流、功率开关电路。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，尤其是涉及GaN pn结二极管器件，可用于微波整流、功率开关电路。

技术背景

以Si、GaAs等传统半导体材料为基础的器件由于受到材料本身属性的限制，在功率和耐击穿电压等器件指标上很难再有进一步的提高。近年来以Ⅲ族氮化物为代表的新一代宽禁带半导体材料发展迅猛，具有宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率和化学性质稳定的优点，在毫米波、亚毫米波大功率电子器件领域极具发展潜力。GaN材料作为宽禁带半导体材料的典型代表，非常适合制备高温、抗辐射、高工作频率和大功率器件，在航空航天、雷达、通信等领域得到了广泛应用，目前基于GaN的二极管器件的研究是目前国际上的热点之一。

通常，GaN的二极管器件分为横向器件和垂直器件以及准垂直器件。其中：

GaN横向二极管器件，由于受限于电流拥挤，难以获得高输出电流，且作为平面器件，器件特性很容易受到表面态的影响，产生电流崩塌等负面效应。

GaN垂直二极管器件，能克服GaN横向二极管器件的上述问题：首先，由于采用的是垂直漂移层结构耐压，GaN材料的临界击穿场强很高，具有很高的击穿电压；其次，由于导电在内部而不是表面，避免了表面态的影响，器件动态特性很好，同时由于导电通道在很厚的外延层，没有电流拥挤的限制。但是，垂直二极管器件需要在GaN自支撑衬底的外延片上制备，成本较高。

GaN准垂直pn结二极管器件，如图1所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、n型GaN层、p型GaN层，n型GaN层上设有阴极，p型GaN层上设有阳极。这种结构可以在非GaN自支撑衬底上生长，例如蓝宝石或硅，与GaN自支撑衬底上制造的昂贵的垂直二极管相比，能够降低生产成本。但是，由于目前准垂直结构pn结二极管的常规环形金属电极具有边缘效应，电流密度从阳极边缘到中心随距离增大而指数衰减，电流集中在阳极金属的边缘，导致阳极金属的大部分区域对输出电流贡献很小，即增大器件的特征导通电阻，限制了器件的输出功率，使阳极的大部分区域被浪费了，降低了器件的输出电流密度，难以满足二极管器件在功率开关电路中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述GaN准垂直pn结二极管器件的不足，提出一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及其制备方法，以提高阳极金属的面积利用率，增大器件输出电流密度，扩展器件的输出功率，满足二极管器件在功率开关电路中的应用。

实现本发明目的的技术方案如下：

1.大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管，自下而上包括：衬底、缓冲层和n型GaN层，n型GaN层的上部设有p型GaN层和阴极，p型GaN层的上部设有阳极，其特征在于，阴极和阳极采用环形叉指结构，即阳极是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。

进一步，所述的衬底为蓝宝石、SiC、Si和金刚石中的一种。

进一步，所述的缓冲层为GaN、AlN、AlGaN和InGaN中的一种。进一步，所述的阴极采用厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au。