GaN基JBS与超级结混合结构二极管及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN基JBS与超级结混合结构二极管及其制作方法，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)中增设有与厚度1～3μm，掺杂浓度为2×1017cm‑3～1×1018cm‑3，Al组分x为0.1～0.5的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，形成超级结结构；阳极(5)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。本发明专利技术显著提高了击穿电压，可用于功率器件。

【技术实现步骤摘要】
GaN基JBS与超级结混合结构二极管及其制作方法
本专利技术属于半导体
，特别涉及一种GaN基二极管器件结构及制作方法，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。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。现有GaN基二极管包括PIN二极管，SBD肖特基二极管和JBS二极管。其中：GaN基PIN二极管的剖面结构如图1所示，该PIN二极管的特点在于电子和空穴同时参与导电，其击穿电压高，反向泄漏电流小，但是开启电压较大。GaN基SBD肖特基二极管的剖面结构如图2所示。该SBD肖特基二极管由于只有一种载流子参与导电，反向恢复时间短，其导通电阻小，开启电压小，但是泄漏电流较大，且击穿电压小。GaN基JBS二极管结合了这两种二极管的优势，剖面结构如图3所示，该二极管虽说在能够承受更高的反向电压的同时拥有更快的反向恢复速度和更小的反向漏电，但是无法完全发挥其优势，不能达到预期的高击穿电压。
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GaN基JBS与超级结混合结构二极管及其制备方法，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GaN基JBS与超级结混合结构二极管，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外延层中增设有与该n型GaN外延层厚度相同的p型AlxGaN结构层，且p型AlxGaN结构层与n型GaN外延层相间分布，形成超级结结构。进一步，所述p型AlxGaN结构层中的Al组分x取值范围为0.1～0.5，掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3。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GaN基JBS与超级结混合结构二极管的制作方法，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，该AlxGaN结构层与n型GaN外延层之间形成超级结结构，且该AlxGaN结构层生长厚度与n型GaN外延层厚度相同，其中Al组分x的取值范围为0.1～0.5；5)在n型GaN外延层和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.本专利技术在n型GaN外延层中增设有p型AlxGaN结构层，且p型AlxGaN结构层与n型GaN外延层相间分布，形成超级结结构，使得在器件反向偏置时，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，显著提高击穿电压；此外，由于AlxGaN的禁带宽度相比GaN更大，进一步提高了击穿电压。2.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是现有GaN基PIN二极管剖面结构示意图；图2是现有GaN基SBD肖特基二极管剖面结构示意图；图3是现有GaN基JBS二极管的剖面结构示意图；图4是本专利技术器件的剖面结构示意图；图5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4，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。所述阴极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，掺杂浓度为2～5×1016cm-3，厚度为1～3μm。所述p型AlxGaN结构层4交替分布于n型GaN外延层3之间，Al组分x取值范围为0.1～0.5，掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3，厚度为1～3μm。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5，本专利技术制作GaN基JBS与超级结混合结构二极管的方法，给出如下三种实施例：实施例1，制作p型AlxGaN结构层厚度为1μm，Al组分为0.1的GaN基混合结构二极管。步骤1：对GaN衬底材料进行掺杂，如图5(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5(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5(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0.5μm，刻蚀间隔距离为0.1μm。步骤4：生长AlxGaN结构层，如图5(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，掺杂源为Cp2Mg，得到厚度为1μm，掺杂浓度为2×1017cm-3，Al组分x的取值为0.1的Mg掺杂p型AlxGaN结构层。步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基JBS与超级结混合结构二极管，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)中增设有与该n型GaN外延层厚度相同的p型AlxGaN结构层(4)，且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，形成超级结结构。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基JBS与超级结混合结构二极管，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)中增设有与该n型GaN外延层厚度相同的p型AlxGaN结构层(4)，且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，形成超级结结构。2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于p型AlxGaN结构层(4)中的Al组分x取值范围为0.1～0.5，掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1018cm-3。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。7.一种GaN基JBS与超级结混合结构二极管的制作方法...

【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