一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管制造技术

本发明专利技术提供了一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，属于功率器件技术领域。本发明专利技术通过在N型材料层两侧的外壁分别设置由高、低介电常数相接触形成的复合介质层以及在N型材料层的内部设置P型氮化镓区，从而使得阳极至阴极所形成纵向电场的分布受到影响，避免了传统JBS器件所存在纵向电场强度大幅下降的缺陷，同时也避免了结边缘电场集中效应而导致的器件耐压下降，防止了器件提前击穿，进而在保证小开启电压及较大导通电流的同时还实现高耐压。另外，本发明专利技术避免使用场环和金属场板结构，从而减小了芯片面积，降低了器件的成本，提高了器件的可靠性。

A junction barrier Schottky diode with composite dielectric layer structure

The invention provides a junction barrier Schottky diode with a composite dielectric layer structure, which belongs to the technical field of power devices. The present invention by high and low dielectric constant contact composite dielectric layer is formed and arranged in the P type gallium nitride type N material layer are respectively arranged on both sides of the outer wall of the N type material layer, so that the distribution of anode to cathode formed by the longitudinal electric field is affected, to avoid the traditional JBS device defects the vertical electric field strength decreased significantly, but also to avoid falling over the edge electric field concentration effect caused by the breakdown voltage of the device, the device to prevent premature breakdown, and in that small turn-on voltage and larger conduction current and realize high pressure. In addition, the invention avoids the use of field ring and metal field plate structure, thereby reducing the chip area, reducing the cost of the device, and improving the reliability of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管
本专利技术属于功率器件
，具体涉及一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管。
技术介绍
GaN功率器件因能实现高功率、高频率、高线性度、高效率等特点吸引着其在功率器件应用领域的快速发展。相比于以硅为代表的第一代半导体材料而言，以氮化镓为代表的第三代半导体材料的禁带宽度更宽、临界击穿电场更高、熔点较高、电子迁移率更大、极限工作温度更高，这也意味着GaN功率器件可以工作在更高的工作温度、更高的击穿电压和更快的开关频率下。众所周知，整流器在功率应用领域占有重要地位，而器件的漏电和耐压能力会决定器件的安全工作区。在功率整流器中应用最广泛的包括功率肖特基势垒二极管(SBD)、PN结二极管和结势垒二极管(JBS)，然而在实际应用中，这三者均存在不足，下文将对其逐一说明：图1为现有技术中传统二极管的结构示意图，由于GaN材料的宽禁带特性，PN结二极管的正向开启电压需达到约3V才能使其有效开启，而这一点会造成器件正向工作损耗的增加。故此，在正向偏压相同的情况下，GaNPN二极管的电流值会远远小于GaNSBD和JBS结构。在高压应用中，功率电子需要较大的电流水平，为实现此目的，往往采用较大的PN结二极管器件面积来实现。然而，由于材料限制，大面积器件的产量仍然很低。2011年NomotoK等人在发表的文章《Over1.0kVGaNp-nJunctiondiodesonfree-standingGaNsubstrates》(《超过1000V的GaN基衬底GaNp-n结二极管》)中公开了一种通过在GaN基衬底上采用场板技术制作的GaNp-n结二极管，该二极管的击穿电压约为1000V，反向泄漏电流达到10-9A，但场板等结终端技术增加了工艺的复杂性，并且该p-n结二极管的击穿电压较小。图2为传统SBD的结构示意图，SBD相比PN结二极管极有更高的效率，并且具有较小的开启电压，通常在1V左右，故此，在正向偏压相同的情况下，SBD的电流更大。然而，SBD存在反向漏电流较大的缺陷，这是因为在反向电压较高时，肖特基势垒降低效应造成其反向漏电流的增加更为显著。因为这一点，SBD通常应用于低压、大电流高频整流领域。2015年TanakaN等人发表文章：《AverticalGaNSchottkybarrierdiodeonafree-standingGaNsubstratewithblockingvoltageof790V》(《击穿电压为790V的基于GaN衬底垂直GaN肖特基势垒二极管》)，其中公开了一种采用场板技术的GaNSBD，该技术的应用使其击穿电压达到790V，正向电流约为50A，但是仍然存在反向泄漏电流较大的缺陷，并且采用场板等结终端技术也增加了制作的难度。现有研究发现：GaNJBS能够同时具备PN结二极管和SBD的性能优势，图3为传统JBS的结构示意图，而这种高性能GaN功率整流器在实际应用中具有重要意义。理论上，当JBS正向偏置时，PN结空间电荷区宽度变窄，肖特基二极管在较低的电压下首先开启，而PN结无法开启，此时JBS的正向特性主要由肖特基二极管的特性决定。当JBS反偏时，PN结形成的耗尽区将会向N型区扩展，在一定反偏电压下，相邻的PN结耗尽区连通，并且耗尽层随着反向偏压的增加向衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外，避免了肖特基势垒降低效应，此时JBS的反向特性主要由PN二极管来决定，因而使反向漏电流大大减小。故而，JBS的正向特性类似SBD，只是电流密度因P型掺杂区而略小，JBS的反向特性则更倾向于PN二极管。故而，与SBD和PN结二极管相比，GaNJBS能够同时具备PN结二极管和SBD的性能优势，即既能同SBD一样具有小开启电压、大导通电流，又能同PN结二极管一样具有低漏电流、高击穿电压。然而，对传统GaNJBS而言，器件主要依靠P型掺杂区与N型材料层之间形成的PN结承受耐压，当器件内部峰值电场达到临界电场时，N型材料层内部的耗尽区宽度则决定了器件的击穿电压。故而，N型材料层的厚度达到一定值后，击穿时N型材料层的耗尽区宽度达到饱和，则器件的击穿电压也达到饱和，这将限制GaNJBS的耐高压应用；同时N型材料层内从阳极至阴极形成纵向电场的强度会随着远离P型掺杂区与N型材料层形成PN结界面而逐渐降低，由于器件击穿电压是上述纵向电场强度在阳极至阴极方向上的积分，而不断降低的纵向电场强度使得器件的击穿电压无法达到GaN材料极限，因而，无法充分发挥GaN基器件的高耐压优势。2017年KoehlerAD等人在文章《VerticalGaNJunctionBarrierSchottkyDiodes》(《垂直GaN结势垒肖特基二极管》)中采用JTE技术，其正向开启电压与常规SBD相当，约为0.5V，击穿电压为610V,反向泄漏电流较低，小于SBD，但相较PN结二极管的泄漏电流大，另外，该篇文章提出的GaNJBS的击穿电压较小，并且该结构尺寸很大，在材料制备、外延生长以及工艺制作方面都存在较大的困难。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种具有复合介质层结构结势垒肖特基二极管，本专利技术通过在N型材料层两侧的外壁分别设置由高、低介电常数相接触形成的复合介质层以及在N型材料层的内部设置P型氮化镓区，从而使得阳极至阴极所形成纵向电场的分布受到影响，避免了传统JBS器件所存在纵向电场强度大幅下降的缺陷，进而实现了器件的高耐压效果。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种具有复合介质层结构结势垒肖特基二极管，其特征在于，其元胞结构包括：自上而下依次设置的金属阳极、N型材料层、复合介质层和金属阴极；所述N型材料层的上层分别具有至少两个相互独立的P型掺杂区；所述N型材料层两侧外壁分别具有复合介质层，所述复合介质层是由至少两个相对介电常数不同的介质区域形成的复合结构，相邻介质区域至少形成一个复合界面，所述复合界面与金属阳极至金属阴极所形成纵向电场形成夹角，所述夹角的范围为(0，90°]；金属阳极设置于N型材料层、介质层及P型掺杂区的表面，其中：金属阳极与P型掺杂区表面形成欧姆接触，金属阳极与N型材料层形成肖特基接触；金属阴极设置于N型材料层和介质层的表面，其中：金属阴极与N型材料层形成肖特基接触。其中，本专利技术对P型掺杂区的掺杂形式不做限定，可以为高斯掺杂、均匀掺杂、极化掺杂等任何合适的掺杂形式。为更好实现本专利技术，本专利技术中复合介质层中各介质区域的相对介电常数的取值范围为1～500；假设形成复合界面的两个介质区域中靠近P型掺杂区的介质区域的相对介电常数和远离P型掺杂区的介质区域的相对介电常数依次为K1和K2；则二者满足如下条件：为更好实现本专利技术，本专利技术中P型掺杂区的厚度小于N型材料层的厚度。为更好实现本专利技术，复合介质层的相对介电常数大于P型掺杂区的相对介电常数。为更好实现本专利技术，本专利技术中N型材料层的掺杂浓度范围为5×1015～1×1018cm-3。为更好实现本专利技术，本专利技术中P型掺杂区的掺杂浓度范围为1×1017～1×1020cm-3。为了使得器件结面处的峰值电场被压低，而自阳极至阴极方向上远离结面处的纵向电场被提高，本专利技术复合介质层中自P型掺杂区至N型材料层的不同介质区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其元胞结构自上而下依次包括：金属阳极(1)、N型材料层(2)和金属阴极(4)，所述N型材料层(2)的上层分别具有至少两个相互独立的P型掺杂区(201)；其中，金属阳极(1)与P型掺杂区(201)表面形成欧姆接触，金属阳极(1)与金属阴极(4)均与N型材料层(2)形成肖特基接触，其特征在于，还包括设置在N型材料层(2)两侧外壁并与之相接触的复合介质层(3)，所述复合介质层(3)上表面覆盖有金属阳极(1)，复合介质层(3)下表面覆盖有金属阴极(4)；所述复合介质层(3)是由至少两个相对介电常数不同的介质区域形成的复合结构，相邻介质区域至少形成一个复合界面，所述复合界面与金属阳极(1)至金属阴极(4)形成的纵向电场之间夹角为(0，90°]。

【技术特征摘要】
1.一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其元胞结构自上而下依次包括：金属阳极(1)、N型材料层(2)和金属阴极(4)，所述N型材料层(2)的上层分别具有至少两个相互独立的P型掺杂区(201)；其中，金属阳极(1)与P型掺杂区(201)表面形成欧姆接触，金属阳极(1)与金属阴极(4)均与N型材料层(2)形成肖特基接触，其特征在于，还包括设置在N型材料层(2)两侧外壁并与之相接触的复合介质层(3)，所述复合介质层(3)上表面覆盖有金属阳极(1)，复合介质层(3)下表面覆盖有金属阴极(4)；所述复合介质层(3)是由至少两个相对介电常数不同的介质区域形成的复合结构，相邻介质区域至少形成一个复合界面，所述复合界面与金属阳极(1)至金属阴极(4)形成的纵向电场之间夹角为(0，90°]。2.根据权利要求1所述的一种复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其特征在于，在P型掺杂区(201)下方还具有至少一个横向分布在N型材料层(2)内部的P型氮化镓区(202)，所述P型氮化镓区(202)的厚度小于N型材料层(2)的厚度。3.根据权利要求1或2所述的一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其特征在于，N型材料层(2)的掺杂浓度范围为5×1015～1×1018cm-3。4.根据权利要求1或2所述的一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其特征在于，P型掺杂区(201)的掺杂浓度范围为1×1017～1×1020cm-3。5.根据权利要求2所述的一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其特征在于，P型氮化镓区(202)的掺杂浓度范围为1×1017～1×1020cm-3。6.根据权利要求1或2所述的一种具有复合介质层结构的结势垒肖特基二极管，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜江锋，辛奇，李振超，白智元，于奇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51