基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体器件领域，公开了一种基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管及其制备方法，该二极管包括：从下至上依次层叠设置的阴极、GaN衬底、GaN缓冲层、GaN漂移层和阳极；其中，所述GaN漂移层为线性缓变掺杂GaN漂移层。通过引入线性缓变掺杂漂移层结构使得肖特基接触区域附近净载流子浓度减少，有效抑制阳极金属与GaN接触面处的峰值电场，提高器件的击穿电压。在适合的漂移层厚度下，与传统的垂直结构肖特基二极管相比，本发明专利技术提出的二极管在保证较大正向输出特性的同时，具有较高的击穿电压。击穿电压。击穿电压。

【技术实现步骤摘要】
基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件领域，具体涉及一种基于线性缓变掺杂漂移层的GaN(氮化镓)肖特基二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于以硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的第一代和第二代半导体材料的局限性，以GaN材料为核心的第三代宽禁带半导体材料因为其优异的性能得到了飞速发展。GaN基功率二极管由于其高频特性和临界电场大的特点在功率开关应用中受到了广泛的关注。但是，传统的GaN功率二极管通过异质外延形成，例如，在蓝宝石衬底上生长GaN材料。因此会造成材料中大的位错密度(＞109cm
‑2)，这些位错形成电流泄漏的通道并且降低器件的击穿电压。随着GaN晶体生长技术的进步，位错密度小于106cm
‑2的GaN衬底步入商用，这使得同质外延生长GaN功率器件成为可能，同质外延生长GaN功率器件极大降低了位错密度，提高器件的性能。
[0003]GaN功率二极管包括GaN PN结二极管和GaN肖特基二极管(SBD)，因为GaN PN结二极管的开启电压V
on
大(＞3V)，所以在功率开关应用中会造成大的功率损耗，因此GaN肖特基二极管(SBD)可以有效降低功耗而被作为开关器件获得广泛关注。因为当金属电极与GaN的接触界面形成肖特基势垒时，就会得到较小的开启电压V
on
(＜1V)，并且作为多子器件，肖特基二极管没有反向恢复电荷，因此器件中的功率损耗被限制住。
[0004]虽然GaN肖特基二极管具有一定的优势，但是在器件的性能上仍存在明显的不足，GaN垂直肖特基二极管的击穿电压V
BD
和导通电阻R
ON
是一对矛盾的值，根据器件击穿的条件可知，由于电场的汇聚作用，击穿更容易发生在肖特基接触的边缘处，并且根据泊松方程推导出击穿电压的公式：导出击穿电压的公式：(其中，q为电荷量、N
D
、N
A
分别为施主掺杂浓度和受主掺杂浓度，ε0和ε
r
分别是真空介电常数和相对介电常数)可知，击穿电压V
BD
与临界电场E
C
和漂移层厚度t
DL
密切相关。漂移层净载流子浓度的增加会造成临界电场E
C
的降低，从而降低击穿电压V
BD
，即更大的净载流子浓度虽然会带来较小的导通电阻R
ON
，但同时会导致击穿更加容易发生。综上所述，降低导通电阻R
ON
需要较薄且高掺杂的漂移层，而提高击穿电压V
BD
则需要通过增加漂移层厚度以及降低漂移层掺杂浓度来实现。为减少这一矛盾给器件带来的影响，获得在不严重牺牲器件正向特性的同时明显提高击穿电压的性能，新的器件结构和深入的研究是非常有必要和有意义的。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管及其制备方法，通过引入线性缓变掺杂漂移层结构使得肖特基接触区域附近净载流子浓度减少，有效抑制阳极金属与GaN接触面处的峰值电场，提高器件的击穿电压。在适合的漂移层厚度下，与传统的垂直结构肖特基二极管相比，本专利技术提出的二极管在保证较大正向输出特性的同时，具有较高的击穿电压。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。
[0007](一)基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，包括：从下至上依次层叠设置的阴极、GaN衬底、GaN缓冲层、GaN漂移层和阳极；其中，所述GaN漂移层为线性缓变掺杂GaN漂移层。
[0008]优选的，所述线性缓变掺杂GaN漂移层中为Si原子掺杂，其掺杂浓度变化是从距离所述GaN衬底层最远处的最低浓度C1到距离所述GaN衬底层最近处的最高浓度C2线性变化。
[0009]进一步优选的，所述最低浓度C1≥1.0
×
10
16
cm
‑3；所述最高浓度C2≤2
×
10
18
cm
‑3。
[0010]优选的，所述GaN漂移层的厚度为2～30μm。
[0011]优选的，所述GaN衬底为重掺杂的n型GaN衬底；所述GaN缓冲层为重掺杂的n型GaN缓冲层。
[0012]进一步优选的，所述GaN衬底的掺杂浓度为2.0
×
10
18
cm
‑3；所述GaN缓冲层的掺杂浓度为2.0
×
10
16
cm
‑3～2.0
×
10
18
cm
‑3。
[0013]优选的，所述所述GaN衬底的厚度为300～400μm；所述GaN缓冲层的厚度为50～500nm。
[0014]优选的，所述GaN衬底与所述阴极的接触为欧姆接触。
[0015]优选的，所述GaN漂移层与所述阳极的接触为肖特基接触。
[0016]优选的，所述阳极的材料为Ni/Au/Ni、Ni/Au、Pt/Au或Mo/Au；所述阴极的材料为Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au。
[0017](二)基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1，制备GaN衬底；
[0019]步骤2，以所述GaN衬底为基础，从下至上依次层叠淀积GaN缓冲层、GaN漂移层；其中，所述GaN漂移层为线性缓变掺杂GaN漂移层；
[0020]步骤3，在所述GaN漂移层的上表面制作掩模，在所述掩模内沉积阳极金属形成阳极；
[0021]步骤4，在所述GaN衬底的下表面制作掩模，在所述掩模内沉积阴极金属形成阴极，完成GaN肖特基二极管的制作。
[0022]优选的，步骤3具体为：采用电子束蒸发或者磁控溅射工艺在所述GaN漂移层上表面的所述掩模内沉积阳极金属，而后进行剥离处理形成所述阳极。
[0023]优选的，步骤4具体为：采用电子束蒸发或者磁控溅射工艺在所述GaN衬底下表面的所述掩模内沉积阴极金属，而后在氮气环境中快速热退火形成所述阴极。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0025]本专利技术的新型垂直二极管通过引入线性缓变掺杂漂移层，线性缓变掺杂漂移层掺杂类型确定为n型线性缓变掺杂，其掺杂从与阳极接触的顶部处的一较轻掺杂浓度到底部处的一较重掺杂浓度线性变化，在漂移层的顶部进行低浓度掺杂，能够有效抑制肖特基接触结上的峰值电场，从而提高击穿电压；在漂移层的底端进行高浓度的掺杂，使得器件达到保持较低导通电阻的前提下显著提升了击穿电压。
附图说明
[0026]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。
[0027]图1为本专利技术实施例提供的一种具有线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管的截面结构图；
[0028本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，其特征在于，包括：从下至上依次层叠设置的阴极(5)、GaN衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN漂移层(3)和阳极(4)；其中，所述GaN漂移层(3)为线性缓变掺杂GaN漂移层。2.根据权利要求1所述的基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，其特征在于，所述线性缓变掺杂GaN漂移层中为Si原子掺杂，其掺杂浓度变化是从距离所述GaN衬底(1)层最远处的最低浓度C1到距离所述GaN衬底(1)层最近处的最高浓度C2线性变化。3.根据权利要求2所述的基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，其特征在于，所述最低浓度C1≥1.0
×
10
16
cm
‑3；所述最高浓度C2≤2
×
10
18
cm
‑3。4.根据权利要求1所述的基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，其特征在于，所述GaN漂移层(3)的厚度为2～30μm。5.根据权利要求1所述的基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，其特征在于，所述GaN衬底(1)为重掺杂的n型GaN衬底；所述GaN缓冲层(2)为重掺杂的n型GaN缓冲层。6.根据权利要求5所述的基于线性缓变掺杂漂移层的GaN肖特基二极管，其特征在于，所述GaN衬底(1)的掺杂浓度为2.0
×
10
18
cm
‑3；所述GaN缓冲层(2)的掺杂浓度为2.0
×
10
...

【专利技术属性】
技术研发人员：段小玲，李若晗，张进成，边照科，张涛，刘志宏，张苇杭，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：