一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，相比于传统的Si半导体，以其3倍的禁带宽度、10倍的临界击穿电场、2倍的电子饱和速度而受到人们的广泛关注。特别是AlGaN/GaN异质结结构通过自发极化和压电极化产生高浓度、高迀移率的二维电子气(2DEG)，使得AlGaN/GaN功率器件具有导通电阻低、击穿电压高、工作频率高、工作温度高、器件体积小等优点。随着传统Si器件性能越来越接近其理论极限，GaN器件被认为是延续摩尔定律的选择，其在导通电阻、开关速度、散热、封装体积等方面，相比于传统Si器件将具有无可比拟的优势。
[0003]二极管在电力电子领域具有极其重要的地位。传统的AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD)的阳极肖特基金属直接淀积在AlGaN势皇层表面，导通时电子不仅需克服肖特基势皇，还需流经高阻的AlGaN势皇层，使得其开启电压较大。为降低AlGaN/GaN异质结二极管的开启电压与导通电阻，各种新型阳极结构的二极管不断出现，并取得了较大突破。文南犬 Wang Z, et al., “A novel hybrid-anode AlGaN/GaN field-effect rectifierwith low operat1n voltage[C]，” ICSICT, IEEE, 2010:1889-1891 报道了一种混合阳极结构，使得二极管的开启电压由凹槽栅的阈值电压决定，而不是阳极肖特基势皇。文南犬 Lee J G, et al., “Low turn-on voltage AlGaN/GaN-on-Si rectifier with gatedohmic anode [J], ” Electron Device Letters, IEEE, 2013, 34(2): 214-216 报道了一 种棚■控二极管，其导通电压仅为 0.37V。文献 Zhou C，et al., “AlGaN/GaN Dual-ChannelLateral Field-Effect Rectifier with Punchthrough Breakdown Immunity and LowOn-Resistance [J], ”Electron Device Letters, IEEE, 2010, 31 (I): 5-7 报道了一种具有Dual-Channel结构的二极管，相比于传统SBD导通电阻降低超过50%。文献Bahat-TreidelE, et al., ^Fast-switching GaN-based lateral power Schottky barrier d1deswith low onset voltage and strong reverse blocking [J]，，，Electron DeviceLetters, IEEE, 2012, 33(3):357-359报道了通过全刻蚀技术将AlGaN势皇层完全刻蚀，形成肖特基金属-2DEG接触以降低势皇高度，从而实现了开启电压仅为0.43V，并且击穿电压超过1000V的GaN-on-SiC 二极管。二极管的反向特性是其另一关键指标，通常Si衬底的GaN 二极管其漏电较大，耐压较低。较大的反向泄漏电流不仅造成较大的关态损耗，还会影响系统的稳定性。MIS栅结构的引入使得二极管的反向漏电大大降低。文献LenciS，et al., “Au-free AlGaN/GaN power d1de on 8-1n Si substrate with gated edgeterminat1n [J]，，，Electron Device Letters, IEEE, 2013，34 (8): 1035-1037 报道了 通过在凹槽内淀积电介质形成具有栅结终端结构的GaN-on-8in Si 二极管，其开启电压低于 0.5V，耐压超过 600V (01 μ A/mm)。文献 Bin Lu, et al., “Ultralow Leakage CurrentAlGaN/GaN Schottky D1des With 3-D Anode Structure[J], ”Transact1n on ElectronDevices, IEEE, 2013，60(10):3365-3370 报道了一种三维阳极结构的 GaN-on-Si 二极管，通过三维MIS栅结构抑制泄漏电流使其低至260pA/mm，耐压为127V。文献Qi Zhou, etal., “Over 1.1kV Breakdown Low Turn-on Voltage GaN-on-Si Power D1de withMIS-Gated Hybrid Anode [C], ” ISPSD, IEEE, 2015，369-372 报道了一种具有绝缘栅结构的GaN-on-Si混合阳极二极管，其开启电压为0.6V，且耐压超过I10V (010 μ A/mm)。
[0004]在上述传统技术方案中，虽然通过全刻蚀形成肖特基金属-2DEG接触可以实现较低的开启电压，但在反向阻断时，其较低的势皇高度却会导致较大的反向泄漏电流。尽管采用凹槽MIS栅结构可以显著降低二极管的反向漏电，但凹槽刻蚀不仅会降低沟道电子浓度，还因刻蚀损伤而造成迀移率的严重下降。根据Rch = Lgq-1 μθ-lnsh-l，其中Lg为凹槽刻蚀区域长度，μ e为电子迀移率，nsh为沟道电子浓度，凹槽栅会引入较大沟道电阻，从而造成器件正向性能的退化。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有低开启电压、低导通电阻与低反向漏电的栅控结构的GaN异质结功率二极管。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，如图1所示，包括衬底基片1、设置在衬底基片I上表面的GaN层2和设置在GaN层2上表面的AWN层3，所述GaN层2和AWN层3形成异质结；所述AUlN层3上层一侧具有欧姆接触区4 ;其特征在于，所述AUlN层3上层另一侧具有第一凹槽5，所述第一凹槽5贯穿AmN层3并嵌入GaN层2中，所述第一凹槽5填充有第一肖特基金属6 ;所述AlMN层3与第一肖特基金属6的连接处具有第二凹槽7，所述第二凹槽7的底部和与AlMN层3相连的侧壁具有介质层8，所述介质层8沿AlMN层3向靠近欧姆接触区4的方向延伸；所述第二凹槽7中填充有第二肖特基金属9，所述第二肖特基金属9向两侧延伸并完全覆盖在第一肖特基金属6的上表面和介质层8的上表面。
[0008]本发明总的技术方案，通过刻蚀生成第一凹槽5使得AlMN层3被完全刻蚀掉，在第一凹槽中形成肖特基金属与2DEG接触而获得较低的开启电压；基于部分刻蚀AlMN势皇层，形成第二凹槽，通过第二肖特基金属9、介质层8和AUlN层3形成MIS结构，通过MIS栅对沟道2DEG的调控而降低器件的关态漏电。
[0009]进一步的，所述AmN层3中M为Ga、In或Ga与In的混合物。
[0010]进一步的，所述介质层8为为5丨02、5丨3财、六1203、2抑2、1102和!1?)2中的一种或者几种形成的堆层结构。
[0011]本发明的有益效果为，
[0012]具有低开启电压、低导通电阻和低反向漏电流等优点，同时其制造工艺与传统GaN异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统GaN异质结HEMT器件的单片集成。
【附图说明】
[0013]图1为本发明具有栅控结构的GaN异质结功率二极管的结构示意图；
[0014]图2为本发明二极管的工艺流程中淀积欧姆接触示意图；
[0015]图3为本发明二极管的工艺流程中完全刻蚀AlGaN，形成第一凹槽示意图；
[0016]图4为本发明二极管的工艺流程中在第一凹槽内淀积第一肖特基金属示意图；
[0017]图5为本发明二极管的工艺流程中刻蚀AlGaN，形成第二凹槽示意图，刻蚀后剩余的AlGaN厚度为t ;
[0018]图6为本发明二极管的工艺流程中在第二凹槽内淀积电介质示意图；
[0019]图7为本发明二极管的工艺流程中在电介质上淀积第二肖特基金属示意图；
[0020]图8为本发明二极管的工艺流程中有源区钝化示意图；
[0021]图9为本发明二极管的正向1-V特性与t的关系图；
[0022]图10为本发明二极管的反向1-V特性与t的关系图；
[0023]图11为本发明二极管的开启电压及电流密度与t的关系图；
[0024]图12为本发明二极管，当t为6nm时器件的正反向I_V特性图；
[0025]图13为本发明二极管在-300V阳极电压下阳极附近电场分布图；
[0026]图14为本发明二极管在-300V阳极电压下阳极附近电势部分图；
[0027]图15为本发明二极管-300V阳极电压下阳极附近反向漏电流分布图；
[0028]图16为全刻蚀肖特基二极管结构示意图；
[0029]图17为具有结终端结构的凹槽肖特基二极管结构示意图；
[0030]图18为本发明二极管与图16、图17所述两种二