氮化物PN结肖特基二极管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化物PN结肖特基二极管，主要解决现有垂直型氮化物肖特基二极管击穿电压低的问题。其自下而上包括阴极(5)、衬底(1)、n

【技术实现步骤摘要】
氮化物PN结肖特基二极管及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种垂直结构氮化物PN结肖特基二极管，可用于微波整流和功率开关电路。

技术介绍

[0002]肖特基二极管是利用金属和半导体接触形成金属
‑
半导体结而制成的电子器件，具有低导通电压和高开关频率的特点。肖特基二极管器件分为横向结构和垂直结构，横向结构肖特基二极管击穿电压的提升需要增加阴极和阳极间距，会消耗更大的芯片面积。相比之下，垂直结构肖特基二极管仅需通过增加漂移层厚度，而不增加器件横向尺寸即可提高击穿特性。同时，垂直结构肖特基二极管依靠体材料导电，导电通道宽、电流密度大、不易受表面态影响、具有更好的动态特性。
[0003]III族氮化物材料由于其具有高的击穿场强和高的介电常数，在射频微波功率器件和高压功率开关器件中得到了广泛应用。基于GaN材料的垂直结构肖特基二极管凭借其优异的材料特性与结构特点受到了广泛的研究。
[0004]传统的垂直结构GaN肖特基二极管器件如图1所示，其自下而上包括阴极、衬底、传输层、漂移层和阳极。当该器件处于反向偏压状态时，漂移层中电场强度自上而下逐渐减小，漂移层上方靠近阳极部分存在极高的电场峰，导致器件击穿电压远低于理论值。针对传统的GaN垂直结构肖特基二极管击穿电压低，不能满足实际应用需求的问题，现有技术主要通过调整GaN漂移层材料的掺杂浓度、设计阳极场板终端结构、界面优化等方案来解决。
[0005]2021年，西安电子科技大学在申请号为CN202110658267的专利文件中公布了一种基于原位生长MIS结构的垂直GaN肖特基二极管及其制备方法，该器件对传统的垂直结构GaN肖特基二极管进行改进，即在传统垂直结构GaN肖特基二极管的漂移层与阳极之间插入原位生长的介质层，通过提高界面质量来减小漏电，从而提高击穿电压。但该方法仅改变了界面质量，并未提高漂移层自身的耐压能力，无法实现更高的击穿电压。
[0006]2020年，新加坡南洋理工大学在文章《Improved breakdown voltage in vertical GaN Schottky barrier diodes on free standing GaN with Mg
‑
compensated drift layer》中报道了一种改变漂移层掺杂的垂直结构肖特基二极管。该器件在传统的垂直结构GaN肖特基二极管的基础上，通过对漂移层进行Mg补偿掺杂制作出击穿电压为1480V的氮化镓肖特基二极管。但该方法使器件正向导通电阻急剧增加，且该方法未解决漂移层电场不均的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种垂直结构氮化物PN结肖特基二极管及制备方法，以提高漂移层的反向耐压能力和器件反向击穿电压，改善器件可靠性。
[0008]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0009]1、一种氮化物PN结肖特基二极管，自下而上，包括阴极、衬底、n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层和阳极，其特征在于：
[0010]所述n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层和阳极之间依次设置有Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构和Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构，两者依靠氮化物材料极化特性在垂直方向上形成PN结，以增加器件反向击穿电压；
[0011]所述Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构和Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构中氮化物材料与钪钇铝氮材料依次周期性生长，每层Sc
w
Y
y
Al
z
N厚度为3nm
‑
50nm，组分保持不变，该Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构的总厚度为936nm
‑
10μm，该Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构的总厚度为936nm
‑
11μm，其中0≤w≤0.35、0≤y≤0.25、0<z<1。
[0012]进一步，所述Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构中每个叠层内GaN层厚度为10nm
‑
50nm，Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构中，每个叠层内AlN层厚度为3nm
‑
5nm，通过控制每层中单层Sc
w
Y
y
Al
z
N、单层GaN、单层AlN的厚度，以调控器件正向导通电阻和反向击穿电压。
[0013]进一步，所述衬底采用n型GaN或n型AlN或n型SiC。
[0014]进一步，所述n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层的厚度为0.2μm
‑
5μm，掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3～5
×
10
20
cm
‑3，Al组分0≤x≤1。
[0015]进一步，所述阴极的金属材料为Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。
[0016]进一步，所述阳极的金属材料为Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合。
[0017]2.一种氮化物PN结肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0018]1)在衬底的上部，采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术淀积厚度为0.2μm
‑
5μm、掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3～5
×
10
20
cm
‑3的n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层；
[0019]2)采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术，在n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层上依次周期性生长厚度为10nm
‑
50nm的GaN单层与厚度为3nm
‑
50nm的Sc
w
Y
y
Al
z
N单层，构成总厚度为936nm
‑
10μm的Sc
w
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化物PN结肖特基二极管，自下而上，包括阴极(5)、衬底(1)、n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层(2)和阳极(6)，其特征在于：所述n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层(2)和阳极(6)之间依次设置有Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构(3)和Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构(4)，两者依靠氮化物材料极化特性在垂直方向上形成PN结，以增加器件反向击穿电压；所述Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构(3)和Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构(4)中氮化物材料与钪钇铝氮材料依次周期性生长，每层Sc
w
Y
y
Al
z
N厚度为3nm
‑
50nm，组分保持不变，该Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构(3)的总厚度为936nm
‑
10μm，该Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构(4)的总厚度为936nm
‑
11μm，其中0≤w≤0.35、0≤y≤0.25、0<z<1。2.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：Sc
w
Y
y
Al
z
N/GaN叠层结构(3)中每个叠层内GaN层厚度为10nm
‑
50nm，Sc
w
Y
y
Al
z
N/AlN叠层结构(4)中每个叠层内AlN层厚度为3nm
‑
5nm，通过控制每层中单层Sc
w
Y
y
Al
z
N、单层GaN、单层AlN的厚度，以调控器件正向导通电阻和反向击穿电压。3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述衬底(1)采用n型GaN或n型AlN或n型SiC。4.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述n
+
Al
x
Ga1‑
x
N传输层(2)的厚度为0.2μm
‑
5μm，掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3～5
×
10
20
cm
‑3，Al组分0≤x≤1。5.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述阴极(5)的金属材料为Ni、Ti、Al、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。所述阳极(6)的金属材料为Ni、Pt、Pd、Au、W中的任意一种或任意几种的组合。6.一种氮化物PN结肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在衬底(1)的上部，采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术淀积厚度为0.2μm
‑
5μm、掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3～5
×
10
20
cm
‑3的n
+
Al
x
Ga1‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛军帅，李泽辉，吴冠霖，袁金渊，郭壮，李祖懋，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：