混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管制造技术

一种混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管，包括衬底、外延层、电极及钝化介质绝缘层，所述电极的阴极电极是在外延层表面的阴极区域沉积金属并退火而形成的欧姆接触，所述电极的第一阳极电极是在外延层表面的第一阳极区域沉积低功函数金属层而形成的第一个肖特基接触，所述电极的第二阳极电极是在外延层表面的第二阳极区域先沉积极薄介质层、再沉积高功函数金属层而形成的第二个肖特基接触，所述的两个肖特基接触共同形成混合阳极电极结构。本实用新型专利技术采用低功函数金属电极和高功函数金属‑极薄介质电极的混合结构，分别作为GaN基肖特基二极管的第一阳极和第二阳极，能够在有效地降低器件开启电压的基础上，进一步减小器件反向漏电流，改善器件表面电场分布，提高反向击穿电压，从而提高器件工作性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及半导体分立电子器件领域，特别是涉及一种混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管。
技术介绍
功率电子器件是电子信息时代的重要支撑，几乎所有的电器电路中都需要功率电子器件。为降低能量传输转换过程损耗，开发低功耗、高可靠性的功率电子器件至关重要。当前，以Si技术为基础的功率电子器件发展非常成熟，能满足电压200V以下低压消费类产品。然而，Si基功率电子器件部分性能已接近材料理论极限，且随着电压增大、功率增强或者环境温度升高，器件的复杂性和成本迅速增加，可靠性变差。以SiC技术为基础的功率电子器件已有10年左右的历史，在大功率、大电流的轨道交通等领域有较大优势，但是受限于材料昂贵和技术垄断，SiC技术发展相对缓慢，目前不适合在消费类市场使用。以GaN技术为基础的器件刚刚起步，其性能可以媲美SiC基器件，且具有更大的低成本潜力。GaN是重要的第三代半导体材料，具有带隙宽、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、异质界面二维电子气（2DEG）浓度高等特点，能够大幅提升器件的工作性能，是制作高耐压、低正向压降和高频功率电子器件的理想新型材料。GaN基肖特基二极管结构简单、正向压降小，以多数载流子作为工作媒介，因此具有低功耗、高开关速率的特点，器件反向恢复时间几乎为零。特别地，以AlGaN/GaN异质结界面形成的2DEG作为导电沟道的GaN基肖特基二极管，可以具有更低的动态导通电阻和更大的功率输出，非常适合作为开关器件应用于整流电路、开关型稳压电路、逆变桥、功率因数校正等电器电路，具有广阔的应用前景。当前，GaN基肖特基二极管的广泛产业化和大规模应用仍面临着一系列技术问题的制约，包括降低器件动态导通电阻的技术，以及提高反向击穿电压的技术等。针对这些问题，国内外的科研人员开展了较深入的研究，以期实现低功耗、高效率、高可靠性和高稳定性的器件。常用的降低动态导通电阻的技术方法有：优化器件外延结构，从而提高2DEG浓度、减小阴阳电极间距、采用阳极凹槽结构等。不过，2DEG浓度提高的幅度有限，对外延技术的要求较高；电极间距不能无限减小，否则将引起大的漏电和容易击穿等可靠性问题；采用阳极凹槽结构使得势垒降低的同时会引起反向漏电的增大，导致器件容易被击穿。常用的提高反向击穿电压的技术方法有：利用高功函数金属作为阳极接触、在器件缓冲层掺Fe或掺C、增大阴阳电极间距、场板结构、浮空金属环结构、结型二极管结构以及超级结器件结构等。不过，大部分增强反向耐压特性的方法对降低正向开启电压的作用并不明显，甚至会引起动态导通电阻的增加。为了解决低动态导通电阻和高反向击穿电压之间的矛盾，香港科技大学陈万军等人设计了一种横向场效应整流器(L-FER)，阳极采用欧姆接触与肖特基接触的组合，并且通过肖特基接触下方F离子注入的方式，将开启电压降低到0.63V，同时击穿电压保持在390V，但是该方法对器件工艺制备技术要求较高，增加了制备工艺复杂度。日本古川电工公司(Furukawa)的S.Yoshida等人提出了一种高低功函数金属层混合电极的场效应肖特基二极管(FESBD)；中山大学刘扬教授等人将高低功函数金属层与凹槽结构相结合，实现了低开启电压，同时在一定程度上提高了反向击穿电压。不过上述方法受限于金属层功函数的大小（如常见功函数最高的金属Pt，也只有5.6eV左右），对提高反向耐压特性作用有限。因此，相关技术手段有待进一步完善。
技术实现思路
本技术的目的在于针对器件低动态导通电阻和高反向耐压特性之间的矛盾，提供一种混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管。本技术的技术方案是这样实现的：本技术所述的混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管，其特点是：包括衬底、外延层、电极及钝化介质绝缘层，其中所述外延层在外延方向上依次包括成核层、应力及位错缓冲层和电荷漂移层，所述成核层连接在衬底上，所述电极包括阴极电极、第一阳极电极和第二阳极电极，所述阴极电极是在外延层表面的阴极区域沉积金属并退火而形成的欧姆接触，所述第一阳极电极是在外延层表面的第一阳极区域沉积低功函数金属层而形成的由低功函数金属和半导体组成的第一个肖特基接触，所述第二阳极电极是在外延层表面的第二阳极区域先沉积极薄介质层、再沉积高功函数金属层而形成的由高功函数金属、极薄介质和半导体组成的第二个肖特基接触，所述的两个肖特基接触共同形成混合阳极电极结构，且所述第二阳极区域比第一阳极区域在空间位置上更接近阴极区域，所述钝化介质绝缘层覆盖在外延层的表面上且在电极对应的位置处开设有以便电极与外界电连接的窗口。其中，所述衬底为蓝宝石衬底、GaN单晶衬底、GaN-蓝宝石复合衬底、AlN单晶衬底、AlN-蓝宝石复合衬底或Si衬底。所述成核层包括但不限于GaN成核层、AlN成核层、AlGaN成核层中的一种或任意几种组合。所述应力及位错缓冲层包括但不限于非故意掺杂的GaN、InN、AlN、AlGaN中的一种或任意几种组合。所述电荷漂移层包括非故意掺杂GaN单质及n型掺杂的GaN单质或GaN基异质结；其中，GaN基异质结由沟道层和势垒层组成，能够为GaN基肖特基二极管提供一组或几组二维电子气；沟道层为高阻的GaN、AlGaN、AlN中的一种；势垒层为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN材料中的一种，且这些材料可以是非故意掺杂、n型掺杂，也可以是局部p型掺杂。所述阴极电极为Ti-Al合金、Ti-Al-Ti-Au合金、Ti-Al-Ni-Au合金、Ti-Al-Mo-Au合金或V-Al-Pt-Au合金。所述低功函数金属层为Ti、Al、V、Ti-Au合金中的一种。所述高功函数金属层为Ni、Pd、Pt、Ni-Au合金中的一种。所述极薄介质层为较薄的SiO2、SiNx、MgO、Al2O3介质中的一种，且极薄介质层的厚度为0.1nm-10nm。所述钝化介质绝缘层为较厚的SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、ZrO2介质中的一种，且钝化介质绝缘层的厚度为50nm-1μm。本技术所述的混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管的制备方法，其特点是包括以下步骤：a、利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）或氢化物气相外延（HVPE）技术，在合适的衬底上依次生长出用于组成外延层的成核层、应力及位错缓冲层和电荷漂移层；b、利用光刻掩膜技术和感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或化学反应刻蚀(RIE)或湿化学腐蚀技术，在外延层上完成GaN基肖特基二极管的分立隔离；c、利用光刻掩膜技术和ICP或RIE或湿化学腐蚀技术，对外延层的部分区域进行选择性加工，去除部分外延层而形成凹槽结构或脊型结构，且必要时采用快速退火或管式退火技术修复刻蚀损伤；d、采用光刻掩膜技术和电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射技术，在外延层表面的阴极区域沉积金属，并利用快速退火或管式退火技术形成欧姆接触；e、利用光刻掩膜技术和电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射技术，在外延层表面的第一阳极区域沉积低功函数金属，形成第一个肖特基接触；f、利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或原子层沉积（ALD）或电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射技术，在外延层表面沉积一层极薄介质，并通过光刻掩膜技术和ICP或RIE或湿化学腐蚀工艺去除不需要的部分，仅在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管，其特征在于：包括衬底（1）、外延层、电极及钝化介质绝缘层（8），其中所述外延层在外延方向上依次包括成核层（2）、应力及位错缓冲层（3）和电荷漂移层（4），所述成核层（2）连接在衬底（1）上，所述电极包括阴极电极（5）、第一阳极电极（6）和第二阳极电极（7），所述阴极电极（5）是在外延层表面的阴极区域沉积金属并退火而形成的欧姆接触，所述第一阳极电极（6）是在外延层表面的第一阳极区域沉积低功函数金属层而形成的由低功函数金属和半导体组成的第一个肖特基接触，所述第二阳极电极（7）是在外延层表面的第二阳极区域先沉积极薄介质层、再沉积高功函数金属层而形成的由高功函数金属、极薄介质和半导体组成的第二个肖特基接触，所述的两个肖特基接触共同形成混合阳极电极结构，且所述第二阳极区域比第一阳极区域在空间位置上更接近阴极区域，所述钝化介质绝缘层（8）覆盖在外延层的表面上且在电极对应的位置处开设有以便电极与外界电连接的窗口。

【技术特征摘要】
1.一种混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管，其特征在于：包括衬底（1）、外延层、电极及钝化介质绝缘层（8），其中所述外延层在外延方向上依次包括成核层（2）、应力及位错缓冲层（3）和电荷漂移层（4），所述成核层（2）连接在衬底（1）上，所述电极包括阴极电极（5）、第一阳极电极（6）和第二阳极电极（7），所述阴极电极（5）是在外延层表面的阴极区域沉积金属并退火而形成的欧姆接触，所述第一阳极电极（6）是在外延层表面的第一阳极区域沉积低功函数金属层而形成的由低功函数金属和半导体组成的第一个肖特基接触，所述第二阳极电极（7）是在外延层表面的第二阳极区域先沉积极薄介质层、再沉积高功函数金属层而形成的由高功函数金属、极薄介质和半导体组成的第二个肖特基接触，所述的两个肖特基接触共同形成混合阳极电极结构，且所述第二阳极区域比第一阳极区域在空间位置上更接近阴极区域，所述钝化介质绝缘层（8）覆盖在外延层的表面上且在电极对应的位置处开设有以便电极与外界电连接的窗口。2.根据权利要求1所述的混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述衬底（1）为蓝宝石衬底、GaN单晶衬底、GaN-蓝宝石复合衬底、AlN单晶衬底、AlN-蓝宝石复合衬底或Si衬底。3.根据权利要求1所述的混合阳极电极结构的GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述电荷漂移层（4）包括非故意掺杂GaN单质及n型掺杂的GaN单质或Ga...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宁炀，陈志涛，刘晓燕，赵维，贺龙飞，王君君，
申请(专利权)人：广东省半导体产业技术研究院，
类型：新型
国别省市：广东;44