一种垂直导通氮化镓功率二极管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种垂直导通氮化镓功率二极管及其制备方法，属于功率二极管技术领域，该垂直导通二极管包括衬底、以及依次生长在所述衬底上的成核层、超晶格应力缓冲层、GaN漂移层、掩膜层；所述衬底和所述GaN漂移层上还分别沉积有电学接触不同的第一电极和第二电极。本发明专利技术通过在垂直导通二极管中提供了超晶格应力缓冲层，该超晶格应力缓冲层可以实现衬底垂直导通及外延过程中GaN漂移层的应力调控，并且增加了场限环结构提高二极管的击穿电压。

A vertical conduction Gan power diode and its preparation method

The invention relates to a vertical conduction gallium nitride power diode and a preparation method thereof, belonging to the technical field of power diode. The vertical conduction diode comprises a substrate, a nucleation layer, a superlattice stress buffer layer, a GaN drift layer and a mask layer successively growing on the substrate; the substrate and the Gan drift layer are respectively deposited with first electrodes and Second electrode. The invention provides a superlattice stress buffer layer in the vertical conduction diode, which can realize the stress regulation of Gan drift layer in the process of substrate vertical conduction and epitaxy, and increases the field limiting ring structure to improve the breakdown voltage of the diode.

【技术实现步骤摘要】
一种垂直导通氮化镓功率二极管及其制备方法
本专利技术属于功率二极管领域，特别涉及一种垂直导通氮化镓功率二极管及其制备方法。
技术介绍
功率器件在电能转换和控制电路中扮演电学开关角色。目前传统硅基器件性能逐渐逼近其材料理论极限，难以满足现代功率系统日益增长的需求。以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料具有高的临界击穿电场可以在相同击穿电压时实现更低的电容及导通电阻，被公认为理想的下一代功率器件材料。GaN功率器件是《中国制造2025》中电力装备、新能源汽车、轨道交通等重点发展领域的支撑技术，既是国际发展前沿也符合我国重大战略需求。GaN功率器件主要分为横向和纵向导通两大技术路线。基于AlGaN/GaN异质结构(二维电子气沟道)的横向二极管及功率晶体管已经展现出优异的电学性能，并在2009年推出了常关型器件的商业化产品。然而，GaN横向器件能处理的极限功率在kW量级。而为了适用于更高功率等级，器件尺寸迅速增大，导致材料不能有效利用、电流提取困难及低可靠性。此外，氮化镓横向器件在关态时的高电场会导致电子被俘获在表面陷阱中产生电流崩塌效应，劣化器件性能及长期可靠性，尤其是在超高压应用场合。外延结构中通常存在高阻的缓冲层而限制了电流的垂直导通，业界基于准垂直结构实现了500-800V的功率二极管及三极管。然而，准垂直结构中存在电流拥堵现象且由于漏极仍然位于同一面增大了器件尺寸。2016年，利用转移衬底或者衬底通孔技术可以去除高阻缓冲层实现耐压大于500V的功率二极管，但是增加了器件工艺复杂性。2017年名古屋工业大学基于导电型缓冲层实现了击穿电压为369V、导通电阻为7.7mΩcm2的垂直型二极管。然而，硅基GaN垂直型功率器件相关报道还非常少且器件性能与材料极限尚有很大差距。一个主要原因是由于电场集中在金属电极和氮化镓材料界面处导致提前击穿，需要研发新型的终端结构对其进行改善。因此，需要一种具有低阻的缓冲层的功率二极管。
技术实现思路
本专利技术提供一种垂直导通氮化镓功率二极管，以解决现有的功率二极管中高阻的缓冲层限制了电流的垂直导通，并且应力不可调的技术问题。本专利技术通过下述技术方案实现：一种垂直导体二极管，包括衬底、以及依次生长在所述衬底上的成核层、超晶格应力缓冲层、GaN漂移层、掩膜层；所述衬底和所述GaN漂移层上还分别沉积有电学接触不同的第一电极和第二电极。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述超晶格应力缓冲层为AlN/GaN超晶格，所述AlN/GaN超晶格中掺杂有鍺元素或者硅元素。进一步地，为了更好地实现本专利技术，还包括多个场限环，所述掩膜层上刻蚀有贯穿所述掩膜层的多个第一凹槽，多个第一凹槽对称的设于所述第二电极的两侧，所述场限环沉积在所述第一凹槽中并伸出所述第一凹槽。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述第一凹槽切入所述GaN漂移层内。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述掩膜层中部刻蚀有贯穿所述掩膜层的第二凹槽，所述第二电极沉积在所述第二凹槽中。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述第一电极为欧姆电极，所述第二电极为肖特基电极。本专利技术还提供了一种垂直导通氮化镓功率二极管的制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1：提供衬底；S2：在所述衬底上生长成核层，生成所述成核层的方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；S3：在所述成核层上生长超晶格应力缓冲层，生长所述超晶格应力缓冲层的方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；S4：在所述超晶格应力缓冲层上沉积GaN形成GaN漂移层，沉积所述GaN漂移层的方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；S5：在所述GaN漂移层上沉积一层掩膜层，沉积所述掩膜层的方法为等离子体增强化学气相沉积法或原子层沉积法或物理气相沉积法或磁控溅射法；S6：采用光刻显影技术及湿法腐蚀在所述掩膜层上刻蚀出多个第一凹槽；S7：在所述第一凹槽中沉积场限环；S8：采用光刻显影技术及湿法腐蚀在所述掩膜层中部刻蚀出第二凹槽；S9：在所述第二凹槽沉积肖特基电极，并且在所述衬底的底部沉积欧姆电极。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述衬底为硅衬底或其他低成本导电衬底。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述成核层为AlN、AlGaN以及GaN中的一种或多种的组合。进一步地，为了更好地实现本专利技术，所述第一凹槽切入所述GaN漂移层内。本专利技术相较于现有技术具有以下有益效果：本专利技术在二极管中提供了增加了超晶格应力缓冲层，由于超晶格为两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构，每个周期为一对晶格，因此，利用拉曼应力特征谱表征缓冲层的掺杂状态对上层外延材料的应力状态的影响，通过调整超晶格中的两种晶格厚度比例能够实现高浓度掺杂及垂直导通，通过改变超晶格的周期对数，能够实现对GaN漂移层的应力调控。本专利技术中的从属权利要求还具有以下有益效果；1.在二极管上设置了场限环，能够提升器件的耐压性能。2.掩膜层也可以作为表面的钝化及场板结构，大幅提升器件性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术中垂直导通二极管的结构示意图；图2是本专利技术中垂直导通二极管的另一结构示意图；图3是本专利技术中超晶格应力缓冲层的结构示意图；图4是本专利技术中S1的结构示意图；图5是本专利技术中S2的结构示意图；图6是本专利技术中S3的结构示意图；图7是本专利技术中S4的结构示意图；图8是本专利技术中S5的结构示意图；图9是本专利技术中S6的结构示意图；图10是本专利技术中S7的结构示意图；图11是本专利技术中S8的结构示意图；图12是本专利技术中S9的结构示意图；图13是本专利技术中S6的另一结构示意图；图14是本专利技术中S7的另一结构示意图；图15是本专利技术中S8的另一结构示意图；图16是本专利技术中S9的另一结构示意图；图中：1-衬底；2-成核层；3-超晶格应力缓冲层；31-Al层；32-GaN层；4-GaN漂移层；5-掩膜层；51-第一凹槽；52-第二凹槽；6-场限环；7-第一电极；8-第二电极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。本专利技术公开了一种垂直导通氮化镓功率二极管，其具有以下两种实施方式：实施例1：如图1和图3所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：包括衬底、以及依次生长在所述衬底上的成核层、超晶格应力缓冲层、GaN漂移层、掩膜层；所述衬底和所述GaN漂移层上还分别沉积有电学接触不同的第一电极和第二电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：包括衬底、以及依次生长在所述衬底上的成核层、超晶格应力缓冲层、GaN漂移层、掩膜层；所述衬底和所述GaN漂移层上还分别沉积有电学接触不同的第一电极和第二电极。


2.根据权利要求1所述的一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：所述超晶格应力缓冲层为AlN/GaN超晶格，所述AlN/GaN超晶格中掺杂有鍺元素或者硅元素。


3.根据权利要求1所述的一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：还包括多个场限环，所述掩膜层上刻蚀有贯穿所述掩膜层的多个第一凹槽，多个第一凹槽设于所述第二电极的两侧，所述场限环沉积在所述第一凹槽中并伸出所述第一凹槽。


4.根据权利要求3所述的一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：所述第一凹槽切入所述GaN漂移层内部。


5.根据权利要求1所述的一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：所述掩膜层中部刻蚀有贯穿所述掩膜层的第二凹槽，所述第二电极沉积在所述第二凹槽中。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种垂直导通氮化镓功率二极管，其特征在于：所述第一电极为欧姆电极，所述第二电极为肖特基电极。


7.一种垂直导通氮化镓功率二极管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖金平，李柳暗，
申请(专利权)人：宁波铼微半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33