[发明专利]基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法

说明书

本发明提出了一种基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法。该二极管的结构包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、JBS结构和阳极，JBS结构包括N‑漂移层、PN异质结和Ni纳米岛，其中，N‑漂移层上设有沟槽结构，位于沟槽内侧面和底部的P型金属氧化物与N‑漂移层构成PN异质结；Ni纳米岛位于沟槽的顶部，与N‑漂移层形成肖特基接触；PN异质结与肖特基接触相并联。本发明利用Ni薄膜在快速热退火下形成的自组装纳米岛代替光刻胶作为掩膜，省去了光刻的步骤，大大简化了制备工艺，不仅缩短了制备周期，而且节约了成本。

技术领域

本发明涉及超宽禁带半导体功率器件领域，具体涉及一种新型的基于自组装Ni纳米岛的JBS功率二极管及其制备方法。

背景技术

以金刚石、Ga₂O₃、AlN等材料为代表的超宽禁带半导体表现出远大于传统宽禁带半导体(GaN、SiC等)的禁带宽度，在功率器件、射频器件等领域有着广阔的应用前景。Ga₂O₃作为一种超宽禁带半导体，有着较大的禁带宽度(4.5-4.9eV)及高击穿场强(8MV/cm)；Baliga优值高于3000，是GaN与SiC的5到10倍左右；并且易于在10¹⁶cm^-3至10¹⁹cm^-3的浓度范围进行n型可控掺杂。Ga₂O₃有α、β、γ、ε、κ五个相，其中β-Ga₂O₃有着最好的热稳定性，并且通过熔融生长法易于制备高质量单晶。因此目前大部分Ga₂O₃功率器件相关研究都是基于β-Ga₂O₃的。

然而，Ga₂O₃在研究中仍面临诸多技术挑战。目前Ga₂O₃难以实现稳定的P型掺杂，因此相关研究主要集中于肖特基二极管(SBD)等单极性器件方面。尽管SBD相较于PN结有高开关速度和低正向压降的优势，然而其反向击穿电压相对较低，反向漏电流较为严重。相比而言，结势垒肖特基二极管(Junction-barrier Schottky diode，JBS)结构集合了SBD正向导通损耗低和PN结反向击穿电压高，关态损耗低等优点。

目前JBS结构通常的实现方案为：在衬底表面光刻形成图案，以光刻胶为掩膜对衬底进行刻蚀形成沟槽，在沟槽中生长P型材料，去除光刻胶后蒸镀金属，与衬底形成肖特基接触。P型材料于反向偏压时与N型衬底形成侧向PN结，夹断中间部分的电流，从而屏蔽较低势垒的肖特基结，获得比传统SBD更好的反向特性。在制备过程中也可以不进行衬底刻蚀，以光刻胶为掩膜直接生长P型材料，剥离光刻胶后再蒸镀金属。

JBS结构已在Ga₂O₃中得到实现(如Q.Yan,H.Gong,J.Zhang et al,Appl.Phys.Lett.118,122102(2021),2021年)，但衬底刻蚀，材料生长必然需要掩膜覆盖部分区域以形成JBS结构，而硬掩膜无法实现几微米尺寸的图案，因此需要光刻技术，以光刻胶作为掩膜，这导致制备工艺较为复杂，需进行光刻图案的设计，并进行几微米尺寸的光刻。以自组装纳米岛作为掩膜这一技术目前主要用于刻蚀GaN或Ga₂O₃纳米柱，但是还没有研究将自组装纳米岛这一技术应用于JBS制备当中。

发明内容

针对现有JBS结构制备方法中存在的缺陷，本发明利用Ni薄膜在快速热退火下可形成纳米级Ni颗粒这一特性，以自组装Ni纳米岛代替光刻胶作为掩膜，来制备JBS功率二极管结构，可省去光刻步骤。

本发明采用的技术方案如下：