基于横向外延过生长的GaN超级结二极管制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于横向外延过生长的GaN超级结二极管制作方法，主要解决现有技术不能达到预期击穿电压的问题。其自下而上包括阴极(1)、n型GaN衬底(2)、n型GaN外延层(3)和阳极(5)。其中在n型GaN外延层(3)中增设有Mg掺杂凹槽形p型AlxGaN结构层(4)，该p型AlxGaN结构层(4)与n型GaN外延层(3)在水平方向上相间分布，且该凹槽侧壁与n型GaN外延层(3)之间形成超级结结构，凹槽底部与n型GaN衬底(2)之间形成pn结结构，且该p型AlxGaN结构层(4)中Al组分x的取值范围为0.1～0.5。本发明专利技术显著提高了击穿电压，可用于作为功率器件。

【技术实现步骤摘要】
基于横向外延过生长的GaN超级结二极管制作方法
本专利技术属于半导体
，特别涉及一种GaN基二极管制作方法，可用于功率器件。
技术介绍
功率电子器件广泛用在各种应用中，功率器件在功率整流和功率开关领域起关键作用。而GaN基功率器件以其开关速度快，工作温度高，击穿电压大，以及开态电阻小的优点而广受关注。GaN自身特殊的材料特性，比如大禁带宽度，高击穿场强，高饱和速度，和高电子气密度造就了GaN基功率器件的优越性能。现今，尽管GaN基高电子迁移率晶体管已经取得了突破性进展，但是在本领域中对改进的电子系统和操作其的方法仍存在需求。GaN基功率器件其结构包括平面结构的GaN基功率器件和垂直结构的GaN基功率器件。相比于平面结构的GaN基功率器件，垂直结构的GaN基功率器件有着显著的优势：不需要通过牺牲芯片面积来获得较高的反向击穿电压，并且由于电场峰值远离器件表面，器件有很好的可靠性以及优良的稳定性。但是目前的这种垂直结构的GaN基二极管器件结构单一，击穿性能有限，不能达到更高的击穿电压。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的问题，提供一种基于横向外延过生长的GaN超级结二极管制作方法，以最大限度的提高器件的击穿电压。为实现上述目的，本专利技术的基于横向外延过生长的GaN超级结二极管，自下而上包括阴极、n型GaN衬底、n型GaN外延层和阳极，其特征在于：在n型GaN外延层(3)中增设有与凹槽形p型AlxGaN结构层(4)，该p型AlxGaN结构层(4)与n型GaN外延层(3)在水平方向上相间分布，且凹槽侧壁与n型GaN外延层(3)之间形成超级结结构，凹槽底部与n型GaN衬底(2)之间形成pn结结构。进一步，所述凹槽形p型AlxGaN结构层的横向厚度与纵向厚度相同，纵向厚度为n型GaN外延层厚度的一半，掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3，其中Al组分x的取值范围为0.1～0.5。进一步，所述阴极位于n型GaN衬底的背面，并与n型GaN衬底之间形成欧姆接触。进一步，所述n型GaN衬底的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200～400μm。进一步，所述n型GaN外延层的掺杂浓度为2～5×1016cm-3，厚度为1～3μm。进一步，所述阳极位于n型GaN外延层与p型AlxGaN结构层之上，且与n型GaN外延层之间形成肖特基接触，与p型AlxGaN结构层之间形成欧姆接触。为实现上述目的，本专利技术基于横向外延过生长的GaN超级结二极管，包括如下步骤：1)对厚度为200～400μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底；2)在n型GaN衬底层表面利用MOCVD设备外延生长GaN外延层，得到厚度为1～3μm，掺杂浓度为2～5×1016cm-3的Si掺杂n型GaN外延层；3)使用感应耦合等离子体ICPCl基刻蚀的方法刻蚀n型GaN外延层，形成多个凸起状的n型GaN外延层；4)在多个凸起状n型GaN外延层之间利用MOCVD设备外延生长p型Mg掺杂的AlxGaN结构层，其中掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3，Al组分x取值范围为0.1～0.5，生长时横向与纵向以相同的速度同时进行，当纵向生长厚度达到n型GaN外延层厚度的一半时，停止生长，形成凹槽形的p型AlxGaN结构层；5)在n型GaN外延层和凹槽形的p型AlxGaN结构层上沉积金属Pt/Au，制作阳极，该Pt/Au与n型GaN外延层之间形成肖特基接触，与p型AlxGaN结构层之间形成欧姆接触；6)在n型GaN衬底背面沉积金属Ti/Al/Pt/Au，制作阴极，该Ti/Al/Pt/Au与衬底之间形成欧姆接触，完成整个器件的制作。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术由于在n型GaN外延层中增设有p型AlxGaN结构层，有利于增加击穿电压；2.本专利技术将p型AlxGaN结构层设计成凹槽形，由于该凹槽侧壁与n型GaN外延层之间形成超级结结构，当器件反向偏置时，p型AlxGaN结构层与n型GaN外延层之间载流子互扩散增加，形成了较大的耗尽区，达到互相耗尽，电荷平衡，进而使得电场均匀分布，显著提高了击穿电压；同时由于该凹槽底部与n型GaN衬底之间形成pn结结构，当器件反偏时，耗尽区变大，进一步提高了击穿电压。3.本专利技术的工艺简单，可重复性高，可控性好。附图说明图1是本专利技术器件的剖面结构示意图；图2是本专利技术器件的制作工艺流程示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。参照图1，本专利技术器件包括：阴极1，n型GaN衬底2，n型GaN外延层3，p型AlxGaN结构层4和阳极5。其中：所述n型GaN衬底2，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200～400μm，阴极1位于n型GaN衬底2的背面，其采用Ti/Al/Pt/Au金属，且与n型GaN衬底之间形成欧姆接触。所述n型GaN外延层3位于n型GaN衬底2之上，其掺杂浓度为2～5×1016cm-3，厚度为1～3μm；p型AlxGaN结构层4与n型GaN外延层3在水平方向上相间分布，且该p型AlxGaN结构层4的横向厚度与纵向厚度相同，纵向厚度为n型GaN外延层厚度的一半，掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3，Al组分x的取值范围为0.1～0.5。所述阳极5位于n型GaN外延层3与p型AlxGaN结构层4之上，且与n型GaN外延层3之间形成肖特基接触，与p型AlxGaN结构层4之间形成欧姆接触。参照图2，本专利技术制作基于横向外延过生长的GaN超级结二极管的方法，给出如下三种实施例：实施例1，制作凹槽形p型AlxGaN结构层厚度为0.5μm，Al组分为0.1的GaN超级结二极管。步骤1：对GaN衬底材料进行掺杂，如图2(a)所示。对厚度为200μm的GaN衬底材料进行Si元素掺杂，设置SiH4的流量为5000sccm，得到掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN衬底。步骤2：生长GaN外延层，如图2(b)所示。在n型GaN衬底表面利用MOCVD设备外延生长GaN外延层，掺杂源为SiH4，设置SiH4的流量为50sccm，时间为70min，得到厚度为1μm，掺杂浓度为2×1016cm-3的Si掺杂n型GaN外延层。步骤3：刻蚀GaN外延层，如图2(c)所示。使用感应耦合等离子体ICPCl基刻蚀的方法刻蚀n型GaN外延层，形成多个凸起状n型GaN外延层，刻蚀厚度为1μm，刻蚀宽度为2μm，刻蚀间隔距离为1μm。步骤4：生长AlxGaN结构层，如图2(d)所示。利用MOCVD设备在凸起状n型GaN外延层之间外延生长AlxGaN结构层，且横向与纵向以相同的生长速度同时进行，掺杂源为Cp2Mg，得到厚度为0.5μm，掺杂浓度为2×1017cm-3，Al组分x的取值为0.1的Mg掺杂凹槽形p型AlxGaN结构层。步骤5：沉积金属，形成阳极，如图2(e)所示。在n型GaN外延层和p型AlxGaN结构层上利用电子束蒸发的方法沉积厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于横向外延过生长的GaN超级结二极管，自下而上包括阴极(1)、n型GaN衬底(2)、n型GaN外延层(3)和阳极(5)，其特征在于：在n型GaN外延层(3)中增设有与凹槽形p型AlxGaN结构层(4)，该p型AlxGaN结构层(4)与n型GaN外延层(3)在水平方向上相间分布，且凹槽侧壁与n型GaN外延层(3)之间形成超级结结构，凹槽底部与n型GaN衬底(2)之间形成pn结结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于横向外延过生长的GaN超级结二极管，自下而上包括阴极(1)、n型GaN衬底(2)、n型GaN外延层(3)和阳极(5)，其特征在于：在n型GaN外延层(3)中增设有与凹槽形p型AlxGaN结构层(4)，该p型AlxGaN结构层(4)与n型GaN外延层(3)在水平方向上相间分布，且凹槽侧壁与n型GaN外延层(3)之间形成超级结结构，凹槽底部与n型GaN衬底(2)之间形成pn结结构。2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于凹槽形p型AlxGaN结构层(4)的横向厚度与纵向厚度相同，纵向厚度为n型GaN外延层(3)厚度的一半，掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3，其中Al组分x的取值范围为0.1～0.5。3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于阴极(1)位于n型GaN衬底(2)的背面，并与n型GaN衬底(2)之间形成欧姆接触。4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于n型GaN衬底(2)的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200～400μm。5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于n型GaN外延层(3)的掺杂浓度为2～5×1016cm-3，厚度为1～3μm。6.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于阳极(5)位于n型GaN外延层(3)与p型AlxGaN结构层(4)之上，且与n型GaN外延层(3)之间形成肖特基接触，与p型AlxGaN结构层(4)之间形成欧姆接触。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张进成，宋豫秦，郝跃，党魁，张涛，边照科，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61