带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，主要解决现击穿电压和导通电流密度低的问题。其自下而上包括衬底、缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、多沟道层、GaN帽层和钝化层，该多沟道层和GaN帽层的两侧为阴极，中间为圆形槽状阳极，且阳极上端与槽口上表面有水平方向上的交叠，该GaN帽层的上部与阳极上端水平部分之间设有环状P型终端，该多沟道层包括n组沟道，每组由上AlGaN势垒层、AlN插入层和下GaN沟道层组成。本发明专利技术能缓解阳极附近电场集中现象，提高击穿电压，同时加强沟道对电子限制，提高电流密度，获得更好的功率特性，可用作电力系统的核心器件。件。件。

【技术实现步骤摘要】
带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管及制作方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，可用作电力系统的核心器件。

技术介绍

[0002]电力系统的核心部分是电力电子器件，提高电力电子器件在更复杂场合、更严苛环境下的适用性，是电力电子领域的主流发展趋势。Si材料作为第一代半导体材料，其相应的器件是目前电力电子市场的主流产品。随着半导体工艺技术的成熟，Si器件的性能已经趋近于材料的极限，已经无法满足社会对电能转换器件的需求。为了进一步提高器件性能，突破电力电子领域目前所面临的瓶颈，需要采用新的材料。
[0003]GaN作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有突出的优势。GaN的饱和电子漂移速度是Si的2倍，且GaN材料拥有更高的电子浓度、迁移率、击穿场强，因此基于GaN材料制备的功率器件在理论上具有更大的电流密度、更大的功率密度、更高的开关速度。常用Baliga优值来衡量半导体器件的功率特性，GaN材料的Baliga优值远远大于Si材料，因此GaN材料在功率器件制造方面具有更高的优势和潜能，有望成为硅的替代物。
[0004]基于AlGaN/GaN异质结结构的器件，因其具有高密度、高迁移率的二维电子气，近些年来被广泛研究，部分成果已经开始应用于市场。GaN基器件在衬底的选择上有蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底，以及自支撑衬底。从制造成本的角度考虑，硅衬底上的氮化镓具有更大的晶圆尺寸，器件制造效率更高，成本更低。除此之外，硅衬底上的氮化镓器件与其他已经成熟的Si基器件具有较好的兼容性，有望进一步减小制造成本。因此，在衬底的选择上，硅基氮化镓器件拥有更好的前景与更广泛的适用性。
[0005]现有的横向单沟道AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管，如图1所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、阳极，GaN层之上的AlGaN层两侧为阴极，AlGaN与GaN层形成异质结结构。该器件结合III
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V族氮化物材料极化特性，在传统肖特基势垒二极管的基础上，引入AlGaN/GaN异质结结构，利用二维电子气导电沟道，提高了电子迁移率，与同类硅器件相比具有更高击穿电压、更低开启电阻以及更短反向恢复时间特性，容易实现更大电流密度和功率密度，将其应用在功率转换方面能够大大提升系统电能转化效率、降低制备成本。但是随着应用需求的增加，这种常规单沟道异质结的横向二极管，由于采用单沟道结构，其输出电流密度有限，且可耐受的击穿电压低，无法满足电力电子设备上千伏击穿超高压的要求。
[0006]现有的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，如图2所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、多沟道层和GaN帽层。多沟道层自下而上由多组沟道组成，单组沟道自下而上由GaN沟道层和AlGaN势垒层组成。第一层沟道的GaN层向上到GaN帽层的两侧设有环状阴极和阳极，GaN帽层上部连接阴阳极的区域设有钝化层。该器件在AlGaN/GaN异质结单沟道功率二极管基础上，将单一沟道拓展为多沟道结构，虽说提高了器件输出的电流密度及可耐受电压。但器件在受到较大反向偏压的情况下，会在阳极金属与半导体接触肖特基界面发生电场集中
现象，产生电场尖峰，导致器件提前击穿。同时，由于器件沟道层中的电子有可能越过AlGaN层导带势垒导致器件电流密度降低，导通电阻增大。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于针对上述目前已有器件技术的不足，提供一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管及制作方法，以改善阳极金属电场集中的现象，提高在较大反向偏压情况下的击穿耐压，提升AlGaN层导带势垒，减小器件的正向导通电阻，进一步增加输出电流密度，满足更高电压应用的需求。
[0008]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0009]1.一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，其自下而上包括衬底1、缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层5，AlGaN势垒层5的上部依次为多沟道层6、GaN帽层7和钝化层10，多沟道层6和GaN帽层7的两侧为阴极11，中间为圆形槽状阳极9且阳极上端与槽口上表面有水平方向上的交叠，该多沟道层6包括n组沟道，2≤n≤10，每组沟道由上AlGaN势垒层63和下GaN沟道层61组成，其特征在于：
[0010]所述GaN沟道层3与AlGaN势垒层5之间设有厚度为0.5～2nm的AlN插入层4，以增大电流密度，减小导通电阻；
[0011]所述GaN帽层7的上部与阳极上端水平部分之间设有环状P型终端8，该终端采用P
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GaN或P
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NiO，厚度为100～500nm，以改善金属半导体肖特基接触电场尖峰现象，提高器件击穿电压；
[0012]所述多沟道层6每组沟道内的GaN沟道层61与AlGaN势垒层63之间设有厚度为0.5～2nm的AlN层62，以增大电流密度，减小导通电阻；
[0013]所述环状阴极金属11和圆形阳极金属9的区域均为凹槽结构。
[0014]进一步，所述衬底1，采用Si或SiC或GaN材料，厚度为300～1200μm；所述缓冲层2，采用GaN材料，厚度为0.5～10μm；所述GaN帽层7，厚度为2～5nm；所述钝化层10，采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2单层介质，或者双层复合介质；
[0015]进一步，所述GaN沟道层3，厚度为100～500nm；所述下GaN沟道层61的厚度为20～100nm，AlN层62厚度为0.5～2nm，上AlGaN势垒层63的厚度为10～30nm。
[0016]2.一种带P型终端的基于AlGaN/GaN异质结二维电子气的多沟道功率二极管的制备方法，其特征在于，包括如下：
[0017]1)对衬底表面进行消除悬挂键的预处理，将预处理的衬底置于H2氛围的反应室在900～1000℃的高温下进行热处理，采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为0.5～10μm的GaN缓冲层；
[0018]2)在GaN缓冲层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为100～500nm的非故意掺杂GaN沟道层；
[0019]3)在GaN沟道层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为0.5～2nm的AlN插入层；
[0020]4)在AlN插入层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为15～30nm的AlGaN势垒层；
[0021]5)在AlGaN势垒层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺继续依次淀积
20～100nm厚的下GaN沟道层、0.5～2nm厚的AlN层、10～30nm厚的上AlGaN势垒层；以此三层结构持续累积，形成多沟道层；
[0022]6)在多沟道区域的最上层AlGaN势垒层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺生长GaN帽层，厚度为2～5nm；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，其自下而上包括衬底(1)、缓冲层(2)、GaN沟道层(3)、AlGaN势垒层(5)，AlGaN势垒层(5)的上部依次为多沟道层(6)、GaN帽层(7)和钝化层(10)，多沟道层(6)和GaN帽层(7)的两侧为阴极(11)，中间为圆形槽状阳极(9)且阳极上端与槽口上表面有水平方向上的交叠，该多沟道层(6)包括n组沟道，2≤n≤10，每组沟道由上AlGaN势垒层(63)和下GaN沟道层(61)组成，其特征在于：所述GaN沟道层(3)与AlGaN势垒层(5)之间设有厚度为0.5～2nm的AlN插入层(4)，以增大电流密度，减小导通电阻；所述GaN帽层(7)的上部与阳极上端水平部分之间设有环状P型终端(8)，该终端采用P
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GaN或P
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NiO，厚度为100～500nm，以改善金属半导体肖特基接触电场尖峰现象，提高器件击穿电压；所述多沟道层(6)每组沟道内的GaN沟道层(61)与AlGaN势垒层(63)之间设有厚度为0.5～2nm的AlN层(62)，以增大电流密度，减小导通电阻；所述环状阴极金属(11)和圆形阳极金属(9)的区域均为凹槽结构。2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述衬底(1)，采用Si或SiC或GaN材料，厚度为300～1200μm；所述缓冲层(2)，采用GaN材料，厚度为0.5～10μm；所述GaN帽层(7)，厚度为2～5nm；所述钝化层(10)，采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2单层介质，或者双层复合介质。3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述GaN沟道层(3)，厚度为100～500nm；所述下GaN沟道层(61)的厚度为20～100nm，AlN层(62)厚度为0.5～2nm，上AlGaN势垒层(63)的厚度为10～30nm。4.一种带P型终端的基于AlGaN/GaN异质结二维电子气的多沟道功率二极管的制备方法，其特征在于，包括如下：1)对衬底表面进行消除悬挂键的预处理，将预处理的衬底置于H2氛围的反应室在900～1000℃的高温下进行热处理，采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为0.5～10μm的GaN缓冲层；2)在GaN缓冲层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为100～500nm的非故意掺杂GaN沟道层；3)在GaN沟道层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为0.5～2nm的AlN插入层；4)在AlN插入层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺淀积厚度为15～30nm的AlGaN势垒层；5)在AlGaN势垒层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺继续依次淀积20～100nm厚的下GaN沟道层、0.5～2nm厚的AlN层、10～30nm厚的上AlGaN势垒层；以此三层结构持续累积，形成多沟道层；6)在多沟道区域的最上层AlGaN势垒层上采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD工艺生长GaN帽层，厚度为2～5nm；7)在GaN帽层的上方制作环形区域掩膜，并采用反应离子蚀刻RIE或者电感耦合等离子
体ICP工艺进行刻蚀，刻蚀凹槽的深度为从GaN帽层到多沟道区域第一层GaN沟道层的深度；8)将刻蚀之后的样品放入电子束蒸发台或溅射台，淀积金属，形成阴极；9)将淀积完金属的样品放入退火炉中，在高温下进行退火，使阴极金属与接触界面形成欧姆接触；10)在GaN帽层的上方制作圆形区域掩膜，并采用反应离子蚀刻RIE或者电感耦合等离子体ICP工艺进行刻蚀，刻蚀凹槽的深度为从GaN帽层到GaN沟道层的深度；11)在GaN帽层的上方制作环形区域掩膜，该环形区域正好包围在10)中圆形区域的一周，将制作掩膜之后的样品放入金属有机物化学气相淀积MOCVD或电感耦合等离子体化学气相沉积ICP
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CVD反应腔内，进行P型...

【专利技术属性】
技术研发人员：周弘，刘亦琛，苏春旭，张进成，刘志宏，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：