一种横向恒流二极管的制作方法

本发明属于半导体
技术领域：
，涉及一种横向恒流二极管。
背景技术：
：恒流二极管(Currentregulatingdiode，CRD)是一种两端口器件，工作时流过该器件的电流上升到一定程度后，趋于一个稳定的值，而不再受外部所加电压波动的影响。CRD主要用于定时电路、限流电路、恒定电流源、LED驱动电路等应用中。耗尽型场效应晶体管(D-modeFETs)由于具有灵活的夹断电压和非常高的动态输出阻抗特性(处于夹断状态时)，因此非常适合作为构造CRD的元件。从1960’s早期开始，研究者们主要采用硅基材料制作CRD器件。目前，CRD按照导电沟道方向可以分为横向导电沟道CRD(如图1所示)和垂直导电沟道CRD(如图2所示)。硅基两种导电沟道结构的CRD均有各自的优缺点，对比来看，垂直沟道的CRD电流均匀性较好、恒定电流较大、节省芯片面积，但是击穿电压较低；而横向沟道的CRD尽管存在电流均匀性较差、芯片面积较大的缺点，但是由于横向结构器件的电子流通路径通常接近器件表面，反过来又产生很多下述的优点：1沟道长度易于控制；2源极和栅极之间易于集成反馈电阻；3横向结构的CRD易于与其他元件集成(例如，LEDs)；4击穿电压相对较高。受各种因素的影响，基于硅材料制作的恒流二极管阻断电压大都在100V以下，恒定电流值大都低于30mA，而且两者之间存在很强的制约关系，另外器件恒流工作时温度稳定性较差。因此，在提高CRD的恒定电流同时，提高器件的击穿电压仍是研究者需要着力解决的重要问题之一。例如，申请号为CN201020158294.8的中国专利，公开了通过在水平沟道两侧衬底分别生长N型薄层的技术方案，制得了恒流性能好、恒定电流值大于50mA的恒流二极管。申请号为CN201310275984.X的中国专利，公开了的在N型阱区引入轻掺杂的P型区和重掺杂的P型区构成P型阱区的技术方案，提高了击穿电压并有效提高了横向恒流二极管的恒定电流。文献YitaoHe,MingQiao，etal.“AVerticalCurrentRegulatorDiodewithTrenchCathodeBasedonDoubleEpitaxialLayersforLEDLighting，”Proceedingsofthe27thInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&IC'sMay10-14,2015,KowloonShangri-La,HongKong报道了采用双层外延结构制备的垂直恒流二极管，不仅能有效提高击穿电压而且显著改善了CRD的恒流饱和特性。上述传统技术方案中，均是基于硅材料制作的CRD器件进行的改进。然而由于硅材料特性的限制，现有的基于硅材料制作的CRD的仍存在耐压不高、恒定电流小、温度稳定性较差等问题。氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，与硅材料相比，以其3倍于硅的禁带宽度、10倍于硅的临界击穿电场、2倍于硅的饱和电子速度、良好的高温稳定性而受到科研工作者的广泛关注。而基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMTs)是一种非常有前景的下一代FETs，该型器件具有高功率密度、良好的耐压能力和随着温度升高稳定的特性，这些优点有助于实现高性能的CRD。另外，AlGaN/GaNHFETs是横向的D-modeFETs，所以具备横向沟道CRD的绝大部分优良特性。技术实现要素：本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种横向恒流二极管。本发明中的CRD可以看作是由具有很短的栅极和源极接触的D-modemetal-oxide-semiconductor(金属-氧化物-半导体)FET组成。本发明的技术方案是：一种横向恒流二极管，包括从上至下层依次层叠设置的绝缘介质层5、MGaN层4、GaN层6和衬底7；所述GaN层6和MGaN层5形成异质结；所述MGaN层5上层的一端具有第一金属电极1，另一端具有第二金属电极3，第一金属电极1和第二金属电极3与MGaN层5之间均是欧姆接触；位于第一金属电极1和第二金属电极3之间并靠近第二金属电极3处，还具有凹槽绝缘电极结构，所述凹槽绝缘电极结构为由部分缘栅介质层4垂直向下嵌入MGaN层4上表面形成，所形成的凹槽底部和侧面具有第三金属电极2，第三金属电极2还沿水平方向向器件的两端延伸；所述第三金属电极2的一端延伸至与第二金属电极3接触，并覆盖第二金属电极3的上表面，第三金属电极2和第二金属电极3连接在一起作为器件的阴极，第一金属电极1作为器件的阳极。进一步的，所述凹槽绝缘电极结构的垂直深度为0～100nm。进一步的，所述第三金属电极2正下方的MGaN层4中注入有F离子。进一步的，第一金属电极1与MGaN层是肖特基接触。进一步的，所述MGaN层4中的M为Al或In。进一步的，所述绝缘栅介质层5所采用的材料为Al2O3、SiO2、Si3N4、AlN、MgO或Sc2O3。本发明的有益效果为，克服了传统的硅基CRD器件恒定电流与击穿电压强烈的矛盾关系，利用GaN材料高耐压的优良特性，在该型AlGaN/GaNCRD器件在实现较大恒定电流的同时，能够实现很宽的恒流区及很高的耐压，而且通过调节相关器件结构参数，使恒定电流大小在较大范围内变化。此外，该CRD响应速度快，动态性能好。同时，本发明的CRD能够与GaN基LED器件单片集成，大大降低系统体积。附图说明图1为硅基横向沟道CRD；图2为硅基垂直沟道CRD；图3为采用D-modeFET和电阻构造的一种简单的恒流源电路；图4为基于D-modeAlGaN/GaNMIS-HEMTCRD的原理图；图5中(a)为Al2O3氧化层厚度分别为0、5、10、20nm的CRD的正向I-V特性曲线，(b)为(a)的局部放大图；图6中(a)为AlGaN厚度分别为2、4、6nm的CRD的正向I-V特性曲线，(b)为(a)的局部放大图；图7中(a)为MOSFET区域中不同栅长及栅源长度的正向I-V特性曲线，(b)为(a)的局部放大图；具体实施方式下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：如图4所示，本发明的一种横向恒流二极管，包括从上至下层依次层叠设置的绝缘介质层5、MGaN层4、GaN层6和衬底7；所述GaN层6和MGaN层5形成异质结；所述MGaN层5上层的一端具有第一金属电极1，另一端具有第二金属电极3，第一金属电极1和第二金属电极3与MGaN层5之间均是欧姆接触；位于第一金属电极1和第二金属电极3之间并靠近第二金属电极3处，还具有凹槽绝缘电极结构，所述凹槽绝缘电极结构为由部分缘栅介质层4垂直向下嵌入MGaN层4上表面形成，所形成的凹槽底部和侧面具有第三金属电极2，第三金属电极2还沿水平方向向器件的两端延伸；所述第三金属电极2的一端延伸至与第二金属电极3接触，并覆盖第二金属电极3的上表面，第三金属电极2和第二金属电极3连接在一起作为器件的阴极，第一金属电极1作为器件的阳极。本发明的工作原理为：如图3是一种采用D-modeFET和栅源之间通过电阻连接的恒流二极管电路。初始时，电路中没有电流，Rs两端的电压是0V。这种情况下，如果我们在漏端加一很小的电压，就会有一电流ID流过电路。由于这个电流在Rs两端产生电压降，从而降低了栅源之间的电压VGS。VGS的值由公式(1)给出：VGS＝-IA×RS(1)随着漏极两端电压的增加，ID随之增加，当VGS达到一个足够负的值时，D-modeFET导电沟道就会夹断。此时，ID几乎不随着施加电压的变化而变化。漏极端所加电压超过一定值后，ID的值不在受施加电压的影响。此时，流过FET的恒定电流ID为：IDSS是当VGS＝0V时，D-modeFET的开态电流，VT是D-modeFET的阈值电压。RS是通过负反馈来调节ID的大小。把(1)式带入到(2)式得到RS的表达式为：基于上述电路的分析，设计了基于AlGaN/GaN异质结的横向CRD。从左到右，这个CRD由源极电阻、一个D-modeMIS-HEMT、漏极电阻组成。本发明的设计过程尤其体现了以下细节：1.原D-modeAlGaN/GaNHEMT的源极与栅极连接在一起作为CRD的阴极，欧姆接触的漏极作为CRD的阳极。2.在AlGaN表面淀积Al2O3作为钝化层，能进一步降低漏电，提高CRD器件的稳定性。3.可以根据实际的应用需求，通过调节原HEMT器件栅极的长度、AlGaN层的厚度、钝化层的厚度，来实现不同恒定电流大小的要求。4.可以通过改变凹槽栅刻蚀的深度，来实现不同的阈值电压，进而实现不同恒定电流的大小。采用器件仿真软件Sentaurus-SDevice对本发明所提出的结构进行初步仿真。在仿真中，所有的CRD宽度均为200um，阳极和阴极之间的距离固定为(LAC)为7um，阴极与D-modeMIS-HEMT距离为0或1um。栅极长度分别为1、1.5、2um，AlGaN层厚度分别为2、4、6nm，Al2O3钝化层厚度分别为0、5、10、20nm。仿真中各个CRD器件的详细参数如表1所示。仿真中直接使用Sentaurus软件中的与实际器件拟合度很高的极化模型，在Al2O3钝化层与AlGaN势垒层界面引入1013cm-2数量级的施主能级陷阱，在AlGaN与GaN缓冲层中引入1017cm-3数量级的深能级受主陷阱以表征体缺陷。表1.仿真中所用到的器件参数LGC/umLG/umTAlGaN/nmTAl2O3/nmCRD101220CRD201420CRD301620CRD401.5220CRD501.5420CRD601.5620CRD702220CRD802420CRD902620CRD1001.540CRD1101.545CRD1201.5410CRD130.51420图5所示为不同Al2O3钝化层厚度的CRD正向I-V特性曲线，随着钝化层厚度的增加，恒定电流变大，主要原因可能是由于钝化层的存在，能有效地抑制电流崩塌效应，使恒定电流增加，而且随这钝化层厚度的增加，抑制电流崩塌的效果越明显。图6所示为不同AlGaN势垒层厚度的CRD的正向I-V特性曲线，随着势垒层厚度的增加，恒定电流逐渐变大，最大恒定电流能够达到120mA，击穿电压能达到200V，远大于常规的硅基CRD器件。恒定电流变大的主要原因是随着AlGaN厚度的增加，在异质结处形成的2DEG电子浓度越大，使恒定电流逐渐变大。图7所示为器件栅极长度及栅源之间长度变化时，CRD的正向I-V特性曲线。随着栅极长度的增加，恒定电流逐渐变小，主要原因是栅极长度变宽时，当栅极电压足够负时，栅极下方沟道夹断的区域越大，从而使栅极下方沟道等效电阻越大，输出的恒定电流就越小。当前第1页1 2 3