[发明专利]基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，主要解决现有PN结二极管击穿电压低和额定功率低的问题。其自下而上包括阴极(1)、衬底(2)、n型外延层(3)、p型外延层(4)、阳极(5)，阳极的两侧与p型外延层上部的相交处设有钝化层(6)。其中，衬底采用n型高掺碳化硅，其掺杂浓度为10¹⁷‑10²⁰cm^‑3；n型外延层和p型外延层采用氮化铝材料，且n型外延层的掺杂浓度为10¹³‑10¹⁹cm^‑3，p型外延层的掺杂浓度为10¹³‑10¹⁹cm^‑3；该p型外延层两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区。本发明抑制了反向漏电，提高了器件的击穿电压。可用作大功率的电力电子器件。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种垂直结构的氮化铝PN结二极管，可用作大功率的电力电子器件。

背景技术

电力电子器件主要作为电力设备中的大功率电子器件的功率转换和控制，目前已经广泛应用于机械行业、冶金业、电力系统中，并扩展到汽车、家用电器、医疗设备和照明这一系列领域中。PN结二极管作为电力电子器件的核心之一，其基本特点就是高耐压耐流和大功率。如今，硅基PN结二极管占据了主流PN结二极管的消费市场。随着科技的快速发展，对电力电子器件提出了更高的耐压耐流和高功率的需求。为了满足需求对硅基PN结二极管进行了进一步的优化：对器件进行表面钝化、设计缓冲层和器件终端结构以抑制电流崩塌；将器件设计成垂直结构，使峰值电场和高电场区从表面转移到器件内部，以进一步提高击穿电压。这些措施使得硅基二极管在实现更高耐压耐流和高功率方面的性能已经接近硅基材料的理论极限，面对电力电子器件更高的耐压耐流和高功率的需求，这种硅基PN结二极管已经无法满足需求。属于超宽禁带半导体材料的氮化铝凭借其高达6.1eV的禁带宽度、较高的电子迁移率、高达12MV/cm的临界电场强度、数量级高达10⁴的巴利加优值、小的介电常数、高的电阻率和热导率为340W/(m*K)的优良特性，成为制备耐高压、高温电力电子器件的理想选择，在解决目前硅基PN结二极管在电力电子领域的困境拥有巨大的发展潜力。然而，目前关于氮化铝在电力电子器件的研究中并无氮化铝PN结二极管。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管及制备方法，以提高PN结二极管的额定功率和耐高压耐流，满足电力电子器件的实际需求。

本发明的技术方案是这样实现的：

1.一种基于碳化硅衬底的垂直氮化铝PN结二极管，自下而上包括：阴极、衬底、n型外延层、p型外延层、阳极，阳极两侧与p型外延层上部的相交处设有钝化层，其特征在于：

所述衬底采用n型高掺碳化硅，其掺杂浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3，以提高外延层的质量；

所述n型外延层和p型外延层采用氮化铝材料，其中n型外延层的掺杂浓度为10¹³-10¹⁹cm^-3，p型外延层的掺杂浓度为10¹³-10¹⁹cm^-3，以提高击穿电压；

所述p型外延层两侧设有阻碍载流子迁移的高阻区，以抑制反向漏电，提高器件的击穿电压。

进一步，阴极与衬底形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。

进一步，阳极与p型外延层形成欧姆接触，其金属材料为Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合。