基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管器件，主要解决现有技术击穿电压较低，可靠性较差的问题。其自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、插入层(4)、势垒层(5)，势垒层(5)上方设有阳极(6)和阴极(7)，该阳极(6)与阴极(7)之间为钝化层(8)，钝化层(8)上淀积有浮空场板(9)，用于降低阳极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。本发明专利技术具有工艺简单、成品率高和可靠性好的优点，可作为大功率系统以及开关应用的基本器件。

AlGaN / GaN Schottky barrier diode based on floating field plate structure and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管及制作方法
本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，可作为大功率系统以及开关应用的基本器件。
技术介绍
功率半导体器件是电力电子技术的核心元件，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件就成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。而在功率器件研究中，高速、高压与低导通电阻之间存在着严重的制约关系，合理、有效地改进这种制约关系是提高器件整体性能的关键。随着微电子技术的发展，传统第一代Si半导体和第二代GaAs半导体功率器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。为了能进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻、提高击穿电压、降低整机体积、提高整机效率，以GaN为代表的宽禁带半导体材料，凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度，以及化学性能稳定、耐高温、抗辐射等优异的物理、化学性质，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。其中GaN基肖特基势垒二极管是一种重要的GaN基器件，它是多数载流子半导体器件，少数载流子电荷存储效应很弱。GaN不仅可利用体材料制作GaN肖特基势垒二极管，还可利用其异质结构制作高性能器件，即异质结AlGaN/GaN肖特基势垒二极管。AlGaN/GaN横向异质结肖特基势垒二极管具有高击穿电压、低开启电阻以及反向恢复时间较短等优异特性，容易实现大电流密度和功率密度，将其应用在功率转换方面能够大大提升系统电能转化效率、降低制备成本。但是由于异质结AlGaN/GaN肖特基二极管在反向偏置时，阳极下方电场在水平方向上不是均匀分布，即距离电极边缘越近，电场线分布越密集，使得阳极下方边缘处会出现电场的极大值，导致此处容易发生雪崩击穿，造成AlGaN/GaN肖特基二极管实际击穿电压和输出功率下降和反向漏电流的增大，降低了器件的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管及制作方法，以改善器件的击穿特性和可靠性，实现高输出功率。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一、器件结构一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，自下而上包括衬底、成核层、缓冲层、插入层、势垒层，势垒层上方设有阳极和阴极，该阳极与阴极之间为钝化层，其特征在于，钝化层上淀积有浮空场板，用于降低阳极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。进一步，其特征在于，衬底采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料。进一步，其特征在于：成核层采用AlN，厚度为30～90nm；缓冲层采用GaN，厚度为0.5～5um。进一步，其特征在于：插入层采用AlN,厚度为0.5～2nm；势垒层采用AlGaN,厚度为15～30nm；钝化层采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2等介质。二、一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对衬底表面进行消除悬挂键的预处理，将预处理后的衬底置于H2氛围的反应室在950℃的高温下进行热处理，再采用MOCVD工艺，在衬底上外延生长厚度为30～90nmAlN成核层；2)在AlN成核层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～5μm的本征GaN缓冲层，作为器件的工作区；3)在GaN缓冲层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～2nm的AlN插入层；4)在AlN插入层上采用MOCVD工艺淀积厚度为15～30nm的AlGaN势层；5)在AlGaN势垒层上制作掩膜，并采用磁控溅射工艺在该势垒层的上方沉积阴极金属，阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au等，再在830℃的高温下进行退火；在势垒层上方的另一侧上，再采用磁控溅射工艺沉积阳极金属，阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au等；6)将进行完上述步骤的外延片放入PECVD反应室内，进行钝化层沉积；7)在阴极与阳极之间的钝化层上，采用磁控溅射工艺沉积金属层，形成浮空场板；8)对阳极和阴极上的钝化层进行光刻、刻蚀，形成阳极接触孔和阴极接触孔。本专利技术器件由于在位于阳极与阴极间的钝化层上淀积浮空场板，因而与现有技术相比具有如下优点：1.使得阳极下方边沿电场峰值下降，高阻区面积进一步增大，击穿电压增大，实现了高输出功率；2.减小了漏电，提高了可靠性；3.工艺简单成品率高。附图说明图1是本专利技术基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管结构图。图2是本专利技术制作图1器件的制作流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。参照图1，本专利技术具有浮空场板的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管器件，自下而上依次包括：衬底1、成核层2、缓冲层3、插入层4和势垒层5，势垒层5上方的两侧为阳极6和阴极7，阳极6和阴极7之间为钝化层8，钝化层8上为浮空场板9。所述衬底1采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料；所述成核层2采用AlN，其厚度为30～90nm；所述缓冲层3采用GaN，其厚度为0.5～5μm；所述插入层4采用AlN，其厚度为0.5～2nm；所述势垒层5采用AlGaN，其厚度为15～30nm；所述钝化层8采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2等介质；所述阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au等金属层组合，所述阳极金属采用Ni/Au/Ni或Ni/Au或W/Au或Mo/Au等金属层组合；所述浮空场板采用Ni/Au/Ni或Ti/Au或Ti/Pt/Au等金属层组合，且第一层金属厚度为20～80nm，第二层金属厚度为50～300nm，第三层金属厚度为20～300nm；所述浮空场板与阴极和阳极的距离均不小于1um；所述场板降低了阳极下方边缘电场峰值，提高了击穿电压。参照图2，本专利技术制作基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，给出如下三种实施例：实施例1，制作以蓝宝石为衬底、浮空场板采用金属层组合Ni/Au/Ni，且厚度为20/50/20nm的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管。步骤1，对蓝宝石衬底表面进行消除悬挂键的预处理。1.1)将蓝宝石衬底放入HF酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗2min；1.2)将清洗后的蓝宝石衬底用氮气吹干。步骤2，外延AlN成核层。将预处理后的蓝宝石衬底放入金属有机物化学气相淀积MOCVD系统中，在腔室压力为10Torr、温度为900℃的条件下，向反应室同时通入流量为40μmol/min的Al源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，生长30nm厚的AlN成核层。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、插入层(4)、势垒层(5)，势垒层(5)上方设有阳极(6)和阴极(7)，该阳极(6)与阴极(7)之间为钝化层(8)，其特征在于，钝化层(8)上淀积有浮空场板(9)，用于降低阳极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管，自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、插入层(4)、势垒层(5)，势垒层(5)上方设有阳极(6)和阴极(7)，该阳极(6)与阴极(7)之间为钝化层(8)，其特征在于，钝化层(8)上淀积有浮空场板(9)，用于降低阳极下方边缘电场峰值，提高击穿电压。


2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，衬底(1)采用蓝宝石或Si或SiC或GaN体材料。


3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
成核层(2)采用AlN，厚度为30～90nm。
缓冲层(3)采用GaN，厚度为0.5～5μm。


4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
插入层(4)采用AlN,厚度为0.5～2nm；
势垒层(5)采用AlGaN,厚度为15～30nm。
钝化层(8)采用SiN或SiO2或Al2O3或HfO2介质。


5.一种基于浮空场板结构的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对衬底表面进行消除悬挂键的预处理，将预处理后的衬底置于H2氛围的反应室在950℃的高温下进行热处理，再采用MOCVD工艺，在衬底上外延生长厚度为30～90nmAlN成核层；
2)在AlN成核层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～5μm的本征GaN缓冲层；
3)在GaN缓冲层上采用MOCVD工艺淀积厚度为0.5～2nm的AlN插入层；
4)在AlN插入层上采用MOCVD工艺淀积厚度为15～30nm的AlGaN势垒层；
5)在AlGaN势垒层上制作掩膜，并采用磁控溅射工艺在该势垒层上方沉积阴极金属，阴极金属采用Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Mo/Au，再在8...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵胜雷，朱丹，张进成，张雅超，张苇杭，张燕妮，郝跃，
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