一种GaN基肖特基二极管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种GaN基肖特基二极管及其制备方法，属于半导体器件技术领域。GaN基肖特基二极管包括衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、p‑GaN帽层、绝缘介质、电极以及钝化层。所述电极中阴极是在势垒层上沉积低功函数金属并退火而形成的欧姆接触，所述电极中阳极指金属‑绝缘层‑半导体（MIS）栅控结构中的高功函数金属与后沉积的低功函数金属共同组成的混合阳极结构。本发明专利技术基于高功函数金属/绝缘介质/p‑GaN的MIS栅控结构与高功函数金属/低功函数金属的混合阳极结构，不仅能够有效减小并调控器件的正向开启电压，降低导通电阻，而且可进一步改善器件的反向漏电，提高反向击穿电压。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基肖特基二极管及其制备方法
本专利技术涉及一种GaN基肖特基二极管及其制备方法，属于半导体器件

技术介绍
第三代半导体GaN材料具有宽带隙、高击穿场强、高饱和电子漂移速度以及高浓度异质结二维电子气等优异的特性，是制备高功率、高击穿电压以及高频率电力电子器件的优选结构，在无线通信、电力系统、探测等领域具有重要的应用前景。近年来，基于GaN异质结的二极管器件取得较大进步，可被广泛应用于整流电路、逆变桥、开关型稳压电路等结构中。如何降低二极管的正向开启电压，同时不影响其反向漏电流，是高功率开关应用研究的关键所在。常用于减小二极管开启电压的手段是通过选用低功函数金属来降低肖特基接触势垒来实现。然而，在有效降低二极管开启电压的同时，因肖特基势垒的下降，反向状态下二极管对电流的截止作用变差，反向漏电增加。针对GaN异质结基二极管降低开启电压和提高反向击穿电压，国内外研究人员已经提出多种改善方案。日本古川电工公司的Yoshida等提出一种高低功函数金属层混合电极的二极管结构，并有效降低了器件的开启电压。香港科技大学Chen等设计出一种横向场效应整流器，阳极采用肖特基金属与欧姆金属的混合结构，并同时在肖特基金属下方进行氟离子注入，实现开启电压的降低与反向击穿电压的保持。中山大学Liu等则是将高低功函数金属层与凹槽结构相结合，实现开启电压的降低与反向击穿电压的相对提升。然而，氟离子注入技术会在势垒层中引入氟离子，进而导致器件具有严重的工作可靠性问题；相应势垒层减薄的凹槽技术不仅存在刻蚀深度以及刻蚀均匀性要求高的问题，同时会引入低界面态介质制备的问题，工艺技术相对复杂。因此，开发一种具有低正向开启电压，高反向击穿电压的GaN异质结基二极管对于实际应用具有重要意义。
技术实现思路
鉴于上述技术问题，本专利技术提出一种GaN基肖特基二极管及其制备方法，具有低开启电压、低导通电阻与高反向击穿电压的特点。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种GaN基肖特基二极管，包括衬底1、缓冲层2、沟道层3、势垒层4、p-GaN帽层5、绝缘介质6、第一阳极金属7、第二阳极金属8、阴极金属9和钝化层10；所述肖特基二极管的结构自下而上依次包括衬底1、缓冲层2、沟道层3、势垒层4、p-GaN帽层5，所述势垒层4的上方具有基于p-GaN的MIS栅控结构、混合阳极结构和阴极结构，所述基于p-GaN的MIS栅控结构包含p-GaN帽层5、绝缘介质6与第一阳极金属7，所述混合阳极结构包含第一阳极金属7和第二阳极金属8，第一阳极金属7为高功函数金属，位于绝缘介质6上部，与p-GaN帽层5三者间形成MIS栅控结构，第二阳极金属8为低功函数金属，一部分覆盖于第一阳极金属7上形成场板结构，另一部分覆盖于势垒层4上形成欧姆接触，所述阴极金属9是在势垒层4上沉积金属退火而形成的欧姆接触，所述钝化层10覆盖于势垒层4的表面上且在电极对应的位置处开设有窗口。所述衬底1为SiC、Si、蓝宝石、金刚石和GaN自支撑衬底中的任一种；所述缓冲层2为AlN、AlGaN、GaN材料中的一种或多种组成的单层或多层结构；所述沟道层(3)为GaN、AlN、AlGaN中的一种；所述势垒层4为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的一种。所述绝缘介质6为HfO2、ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3、AlON的一种或多种组合，总厚度为1～100nm。所述低功函数金属为Ti、Al、Ti-Au合金中的一种；所述高功函数金属为W、Ni、Pt、TiN中的一种。所述阴极金属9为Ti-Al合金、Ti-Al-Ti-Au合金、Ti-Al-Ni-Au合金、Ti-Al-Mo-Au合金中的一种。所述钝化层10为SiO2、Si3N4、Al2O3介质中的一种或几种。一种GaN基肖特基二极管的制备方法，包括如下具体步骤：1)在衬底1的上方利用外延生长方法依次生长缓冲层2、沟道层3、势垒层4和p-GaN外延层；2)在所述p-GaN外延层的上方定义p-GaN帽层5的掩模，随后通过刻蚀方法形成p-GaN帽层5；3)在所述势垒层4和p-GaN帽层5的上方生长绝缘介质6；4)在所述绝缘介质6的上方定义第一阳极金属7的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积高功函数金属，剥离工艺形成第一阳极金属7，进而形成第一阳极金属7、绝缘介质6与p-GaN帽层5的MIS栅控结构；5)在所述绝缘介质6的上方定义第二阳极金属8与阴极金属9的开孔掩模，通过刻蚀方法刻蚀绝缘介质6形成开孔；6)在所述势垒层4的上方定义第二阳极金属8的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积低功函数金属，剥离工艺形成第二阳极金属8，进而形成第一阳极金属7和第二阳极金属8的混合阳极结构；7)在所述势垒层4的上方定义阴极金属9的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积阴极金属9，剥离工艺形成阴极金属9，并通过退火工艺形成欧姆接触；8)在所述势垒层4的上方制作有源区掩模，随后采用刻蚀或离子注入方式进行隔离，形成有源区；9)在所述势垒层4、第二阳极金属8和阴极金属9的上方沉积钝化层10；10)在所述第二阳极金属8与阴极金属9的上方定义互联开孔区掩模，通过干法刻蚀和湿法刻蚀方法刻蚀钝化层10形成互联开孔。步骤1)中所述外延生长方法包括金属有机物化学气相沉积、分子束外延和氢化物气相外延。所述步骤2)中所述掩模的制作方式为光学光刻或电子束直写方式。步骤3)中所述绝缘介质的生长方法包括低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和原子层沉积。本专利技术的有益效果如下：(1)正向偏压下，第一阳极金属、绝缘介质与p-GaN形成的MIS(金属-绝缘层-半导体)栅控结构可实现对沟道层中的二维电子气的开启，通过调节p-GaN的掺杂浓度可以实现正向开启电压的降低与调控；同时，器件中二维电子气沟道开启后，混合阳极结构可实现电流通过低功函数金属电极注入到沟道层，降低导通电阻。(2)反向偏压下，第一阳极金属、绝缘介质与p-GaN形成的MIS栅控结构可有效降低二极管的反向漏电流；同时，第二阳极金属形成的场板结构可以改善p-GaN区域处的电场分布，显著提升器件的反向击穿电压特性。(3)利用p-GaN结构实现对沟道层中二维电子气的开启与关断，相比于已报道的氟离子注入技术与凹槽技术更具工艺可控性，有效降低对势垒层的晶格损伤或界面态引入，改善器件工作可靠性。附图说明图1为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的结构示意图。图2(a)为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的外延生长步骤；图2(b)为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的p-GaN栅帽制备步骤；图2(c)为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的MIS栅控制备步骤；图2(d)为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的混合阳极制备步骤；图2(e)为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的阴极制备步骤；图2(f)为本专利技术提出的一种GaN基肖特基二极管的钝化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：包括衬底(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)、p-GaN帽层(5)、绝缘介质(6)、第一阳极金属(7)、第二阳极金属(8)、阴极金属(9)和钝化层(10)；所述肖特基二极管的结构自下而上依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)、p-GaN帽层(5)，所述势垒层(4)的上方具有基于p-GaN的MIS栅控结构、混合阳极结构和阴极结构，所述基于p-GaN的MIS栅控结构包含p-GaN帽层(5)、绝缘介质(6)与第一阳极金属(7)，所述混合阳极结构包含第一阳极金属(7)和第二阳极金属(8)，第一阳极金属(7)为高功函数金属，位于绝缘介质(6)上部，与p-GaN帽层(5)三者间形成MIS栅控结构，第二阳极金属(8)为低功函数金属，一部分覆盖于第一阳极金属(7)上形成场板结构，另一部分覆盖于势垒层(4)上形成欧姆接触，所述阴极金属(9)是在势垒层(4)上沉积金属退火而形成的欧姆接触，所述钝化层(10)覆盖于势垒层(4)的表面上且在电极对应的位置处开设有窗口。/n

【技术特征摘要】
1.一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：包括衬底(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)、p-GaN帽层(5)、绝缘介质(6)、第一阳极金属(7)、第二阳极金属(8)、阴极金属(9)和钝化层(10)；所述肖特基二极管的结构自下而上依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)、p-GaN帽层(5)，所述势垒层(4)的上方具有基于p-GaN的MIS栅控结构、混合阳极结构和阴极结构，所述基于p-GaN的MIS栅控结构包含p-GaN帽层(5)、绝缘介质(6)与第一阳极金属(7)，所述混合阳极结构包含第一阳极金属(7)和第二阳极金属(8)，第一阳极金属(7)为高功函数金属，位于绝缘介质(6)上部，与p-GaN帽层(5)三者间形成MIS栅控结构，第二阳极金属(8)为低功函数金属，一部分覆盖于第一阳极金属(7)上形成场板结构，另一部分覆盖于势垒层(4)上形成欧姆接触，所述阴极金属(9)是在势垒层(4)上沉积金属退火而形成的欧姆接触，所述钝化层(10)覆盖于势垒层(4)的表面上且在电极对应的位置处开设有窗口。


2.根据权利要求1所述的一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述衬底(1)为SiC、Si、蓝宝石、金刚石和GaN自支撑衬底中的任一种；所述缓冲层(2)为AlN、AlGaN、GaN材料中的一种或多种组成的单层或多层结构；所述沟道层(3)为GaN、AlN、AlGaN中的一种；所述势垒层(4)为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的一种。


3.根据权利要求1所述的一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述绝缘介质(6)为HfO2、ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3、AlON的一种或多种组合，总厚度为1～100nm。


4.根据权利要求1所述的一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述低功函数金属为Ti、Al、Ti-Au合金中的一种；所述高功函数金属为W、Ni、Pt、TiN中的一种。


5.根据权利要求1所述的一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述阴极金属(9)为Ti-Al合金、Ti-Al-Ti-Au合金、Ti-Al-Ni-Au合金、Ti-Al-Mo-Au合金中的一种。


6.根据权利要求1所述的一种GaN基肖特基二极管，其特征在于：所述钝化层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王登贵，周建军，陈韬，孔岑，孔月婵，陈堂胜，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32