一种PIN结垂直二极管及其制备方法技术

一种PIN结垂直二极管及其制备方法，包括衬底、GaN层、AlGaN层、阴极电极、P

【技术实现步骤摘要】
一种PIN结垂直二极管及其制备方法


[0001]本专利技术属于氮化镓功率器件
，具体涉及到一种PIN结垂直二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]GaN 材料具有优异的电学特性, 如大的禁带宽度 (3.4 eV)、高击穿场强 (3.3 MV/cm) 和高电子迁移率(600 cm2/(V
·
s))。在未来的功率系统中, GaN二极管具有极大的应用前景，可以应用在升压转换器、半桥逆变器、降压
‑
升压转换器和功率因数校正电路等等功率器件上。
[0003]传统的GaN上的二极管通常是用金属/2DEG之间产生的肖特基结来制造的，虽然具有制作简单，电流大的优点，此种方法依然是平面器件，此外方向耐压主要是施加在肖特基结上，导致肖特基结容易被击穿，并且反向耐压能力比较弱，这在应用中有很大的风险。
[0004]例如，中国专利申请号为CN201510715065.9公开了一种纵向导通型GaN基沟槽结势垒肖特基二极管及其制作方法，由下往上依次包括覆盖衬底底面的欧姆接触金属阴极；n型重掺杂GaN自支撑衬底；第一外延层：n型轻掺杂GaN层——电子漂移层；第二外延层：n型轻掺杂GaN台——n型垂直沟道层（台与台之间形成沟槽结构）；第三外延层：沟槽内的p型GaN层；覆盖p
‑
GaN层顶部的欧姆接触阳极合金层A；覆盖n
‑
GaN台顶部的肖特基接触阳极金属层B；器件隔离层；表面钝化层。
[0005]因此，本专利技术的目的是研发出一种PIN结垂直二极管及其制备方法，提高二极管的反向击穿能力。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服以上不足，本专利技术的目的是提供一种PIN结垂直二极管及其制备方法，是一种基于P
‑
GaN/AlGaN/GaN外延结构的PIN结垂直二极管，将p
‑
GaN层作为P型端口、AlGaN层/ GaN层界面生成的二纬电子气作为N型的端口、AlGaN层作为i层，然后将阴极电极在AlGaN层/ GaN层异质结上使用工艺与二纬电子气形成N型欧姆接触、将阳极电极在P
‑
GaN上形成P型欧姆接触，具有更高的反向击穿能力，制备方法简单，应用前景广泛。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种PIN结垂直二极管，包括衬底、GaN层、AlGaN层、阴极电极、P
‑
GaN层和阳极电极；所述PIN结垂直二极管包括2种结构，一种是阴极电极设置在内和阳极电极设置在外，另一种是阴极电极设置在外和阳极电极设置在内；其中，所述GaN层和AlGaN层之间存在二纬电子气，所述阴极电极在AlGaN层/ GaN层异质结上与二纬电子气形成N型欧姆接触，所述阳极电极在P
‑
GaN层上形成P型欧姆接触。
[0008]本专利技术所述PIN结垂直二极管，是一种基于P
‑
GaN/AlGaN/GaN外延结构的PIN结垂直二极管，将p
‑
GaN层作为P型端口、AlGaN层/GaN层界面生成的二纬电子气(AlGaN/GaN异质结构中压电极化和自发极化效应能够产生高浓度和高电子迁移率的二维电子气)作为N型
的端口、AlGaN层作为i层，然后将阴极电极在AlGaN层/ GaN层异质结上使用工艺与二纬电子气形成N型欧姆接触、将阳极电极在P
‑
GaN上形成P型欧姆接触，相比现有技术中GaN上的二极管通常采用金属/二纬电子气之间产生的肖特基结来制造、肖特基结容易被击穿并且反向耐压能力比较弱，这在应用中有很大的风险，由于GaN属于宽禁带半导体，具有更高的临界电场，因此，由GaN制作的PIN结二极管具有更高的反向击穿能力，特别是p
‑
GaN层和阴极（N型欧姆接触）之间的区域为漂移区，增加漂移区的宽度可以进一步增加击穿场强。此外，PIN结垂直二极管的开启电压决定PIN结的开启电压，通常大于1V，当与p
‑
GaN层欧姆接触的电极给正压，AlGaN层的势垒降低，P
‑
GaN层中空穴向GaN层/ AlGaN界面的二纬电子气扩散，二纬电子气中的电子向P
‑
GaN层中扩散，形成沟道电流。
[0009]进一步的，上述的PIN结垂直二极管，所述PIN结垂直二极管由下至上依次包括衬底、GaN层、AlGaN层、P
‑
GaN层、阳极电极，所述阴极电极设置在GaN层上并且位于GaN层外侧。
[0010]进一步的，上述的PIN结垂直二极管，所述PIN结垂直二极管由下至上依次包括衬底、GaN层、AlGaN层、阴极电极，所述P
‑
GaN层设置在AlGaN层上并且位于阴极电极外侧，所述阳极电极设置在P
‑
GaN层上。
[0011]进一步的，上述的PIN结垂直二极管，所述衬底为硅或者蓝宝石，其厚度为0
‑
1000μm。
[0012]进一步的，上述的PIN结垂直二极管，所述P
‑
GaN层采用镁离子掺杂，其中镁离子掺杂量大于1e
19
cm
‑3；所述P
‑
GaN层的厚度为50
‑
100nm。
[0013]进一步的，上述的PIN结垂直二极管，所述阴极电极采用低功函数金属，其厚度为20
‑
300nm；所述阳极电极采用高功函数金属，其厚度为20
‑
200nm。
[0014]优选的，所述阴极电极采用低功函数金属，例如Ti、Al等；所述阳极电极采用高功函数金属，例如Ni、Au、Pt、Pd、Ir、W等。
[0015]本专利技术还涉及所述PIN结垂直二极管的制备方法， 包括如下步骤：S1：将除了有缘区域外所有的AlGaN层/ P
‑
GaN层区域进行刻蚀；S2：将P
‑
GaN层的阴极区域进行刻蚀；S3：采用表面处理液对上述AlGaN层/ P
‑
GaN层刻蚀区域做表面处理；然后采用电子束蒸发或者磁控溅射方法，将低功函数金属沉积到AlGaN层表面制得阴极电极，然后采用快速热退火设备，在钝性气体中退火10
‑
60s，温度设置为500
‑
1000℃，使得阴极电极与二纬电子气形成N型欧姆接触；S4: 采用表面处理液对上述P
‑
GaN层刻蚀区域做表面处理；然后采用电子束蒸发或者磁控溅射方法，将高功函数金属沉积到P
‑
GaN层表面制得阳极电极，然后采用快速热退火设备，在气体中退火10
‑
600s，温度设置为500
‑
1000℃，使得阳极电极与P
‑
GaN层形成P型欧姆接触。
[0016]优选的，S1、S2中的刻蚀采用ICP或者RIE等设备，S3、S4中的表面处理液采用TMAH溶液，S3的钝性气体采用氮气或者氩气，S3的阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PIN结垂直二极管，其特征在于，包括衬底（1）、GaN层（2）、AlGaN层（3）、阴极电极（4）、P
‑
GaN层（5）和阳极电极（6）；所述PIN结垂直二极管包括2种结构，一种是阴极电极（4）设置在内和阳极电极（6）设置在外，另一种是阴极电极（4）设置在外和阳极电极（6）设置在内；其中，所述GaN层（2）和AlGaN层（3）之间存在二纬电子气，所述阴极电极（4）在AlGaN层（3）/ GaN层（2）异质结上与二纬电子气形成N型欧姆接触，所述阳极电极（6）在P
‑
GaN层（5）上形成P型欧姆接触。2.根据权利要求1所述PIN结垂直二极管，其特征在于，所述PIN结垂直二极管由下至上依次包括衬底（1）、GaN层（2）、AlGaN层（3）、P
‑
GaN层（5）、阳极电极（6），所述阴极电极（4）设置在GaN层（2）上并且位于GaN层（2）外侧。3.根据权利要求1所述PIN结垂直二极管，其特征在于，所述PIN结垂直二极管由下至上依次包括衬底（1）、GaN层（2）、AlGaN层（3）、阴极电极（4），所述P
‑
GaN层（5）设置在AlGaN层（3）上并且位于阴极电极（4）外侧，所述阳极电极（6）设置在P
‑
GaN层（5）上。4.根据权利要求1所述PIN结垂直二极管，其特征在于，所述衬底（1）为硅或者蓝宝石，其厚度为0
‑
1000μm。5.根据权利要求1所述PIN结垂直二极管，其特征在于，所述GaN层（2）的厚度为1
‑
5μm，所述AlGaN层（3）的厚度为5
‑
30 nm。6.根据权利要求1所述PIN结垂直二极管，其特征在于，所述P
‑
GaN层（5）采用镁离子掺杂，其中镁离子掺杂量大于1e
19
cm
‑3；所述P
‑
GaN层（5）的厚度为50
‑
100nm。7.根据权利要求1所述PIN结垂直二极管，其特征在于，所述阴极电极（4）采用低功函数金属，其厚度为20
‑
300nm；所述阳极电极（6）采用高功函数金属，其厚度为20
‑
200nm。8.根据权利要求1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩高斌，
申请(专利权)人：苏州旺顺源光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：