极管的正反向I_V特性对比图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图，详细描述本发明的技术方案:
[0032]本发明提出一种具有栅控结构的高性能GaN异质结肖特基功率二极管，与常规的GaN异质结二极管肖特基金属直接淀积在AlMN表面不同，本发明中一部分肖特基金属淀积在完全刻蚀的凹槽中，形成肖特基金属-2DEG接触；另一部分肖特基金属淀积在部分刻蚀的凹槽中，且肖特基金属与凹槽间有一层电介质，形成凹槽MIS栅结构；该两部分肖特基金属共同作为本发明二极管的阳极。本发明通过完全刻蚀势皇层降低势皇高度，从而获得较低的开启电压。在反向电压下，凹槽MIS栅耗尽下方沟道2DEG降低反向漏电，并承担大量压降，避免肖特基结过早击穿。和普通的常关型凹槽MIS栅不同，该凹槽MIS栅为常开型，其凹槽较浅，因此刻蚀损伤低，其带来的沟道电阻影响较小，确保了该二极管较大的电流密度。故本发明提供的GaN异质结二极管具有开启电压低、导通电阻低和反向漏电小等优点，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
[0033]如图1所示，本发明的一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，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AlMN层3，所述GaN层2和AUlN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AmN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。
[0034]本发明的工作原理为:
[0035]当阳极施加的正向电压较低时，电子能量不足以越过肖特基势皇，不能形成电流通路；当阳极施加的正向电压大于开启电压后，电子具有足够高的能量越过肖特基势皇，成从阳极到阴极的电流通路，于是二极管开启；由于本二极管的阳极AlGaN势皇层被完全刻蚀形成肖特基金属-2DEG接触，正向导通时电子直接从阳极肖特基金属侧壁进入2DEG沟道，不需要越过高阻的势皇层，等效势皇高度降低，因此开启电压降低。当阳极施加的反向电压较低时，通过肖特基势皇即可实现反向阻断，当阳极施加的反向电压较大时，常开型凹槽MIS栅关断，其下方沟道2DEG浓度降低，反向泄漏电流降低，且沟道区域能承担大量压降，肖特基结两端承受的反向电压降低，使得器件的反向漏电进一步降低。
[0036]采用器件仿真软件Sentaurus对本发明所提出的结构进行了仿真分析。仿真中的关键参数如下:1、AlGaN势皇层厚度为25nm，Al组分为25% ;2、GaN缓冲层厚度为2.5 μπι;
3、肖特基金属功函数为4.8 ;4、电介质层为Hf02，其厚度为1nm ;5、阳极全刻蚀与部分刻蚀区域凹槽的长度均为0.5 μπι ;6、阴阳极之间的距离为Lac = 5 μπι。
[0037]凹槽MIS栅的深度是本发明需充分考虑的参数，当凹槽太深，则其下方沟道2DEG被耗尽、沟道关断，二极管的开启电压增加，并且带来较大的沟道电阻；若凹槽太浅，则栅对沟道的控能力不足，导致沟道内的2DEG不能被有效地耗尽，造成二极管的反向漏电增大。
[0038]凹槽MIS栅刻蚀后，剩余的AlGaN厚度t与器件正向1-V特性的关系如图9所示。当t较小时，2DEG耗尽、沟道关断，这时该二极管的开启电压实际上为MIS栅的阈值电压；当t较大时，栅下2DEG浓度足够高，这时该MIS栅为常开型，二极管正向开启电压取决于肖特基金属与2DEG接触形成的势皇高度。但t越大，器件在反向关断时栅对沟道的控制能力越弱，MIS栅下面的2DEG越难被耗尽致使二极管的反向漏电越大。图10是不同t下，二极管的反向1-V特性图。图11是二极管的开启电压与电流密度随t的变化图。本次仿真结果表明，t为6nm是较佳选择，器件同时具有优良的正向特性与反向特性，这时二极管的开启电压为0.55V，4V阳极电压下的电流密度为0.44A/mm，反向漏电流低于0.ΙμΑ/mm。图12是t为6nm时，本发明二极管正向与反向1-V特性。
[0039]图13是沿异质结界面附近电场分布图，MIS栅电介质还能起到场板作用，实现电场的重新分布，并有效地降低了电场峰值，避免二极管过早击穿。图14是阳极偏压-300V下阳极附近电势分布图，可以看到凹槽MIS栅耗尽了其下方的2DEG，沟道处于关断状态，并且栅区域承担了大量压降，使得肖特基结仅承受大约-2V的反偏电压，大大抑制了反向漏电。图15是阳极-300V下泄漏电流密度分布图，由于凹槽MIS栅关断了下方沟道，泄漏电流被抑制而被迫流经高阻的GaN缓冲层。
[0040]本发明可优化的凹槽MIS栅参数除了凹槽深度外，还包括凹槽长度、肖特基金属功函数、电介质的厚度与介电常数等。
[0041]图16是传统的全刻蚀肖特基二极管，图17是一种带有结终端的凹槽肖特基二极管。图18是本发明二极管与图16、图17所述两种二极管的正反向1-V特性对比图。与图16所示结构的二极管相比，本发明二极管的开启电压与电流密度几乎与之相当，但反向泄漏电流下降约3个数量级；与图17所示结构的二极管相比，本发明二极管的反向泄漏电流几乎与之相当，但开启电压从1.0V下降到0.55V，且电流密度提高约40%。
[0042]上述Sentaurus仿真分析，验证了本发明所提出的二极管其工作机理的可行性；与传统结构相比，本发明所提出的二极管在开启电压、电流密度、反向漏电等方面性能改善明显。
[0043]本发明提供了一种可选制备工艺流程图，包括以下步骤:
[0044]第一步:制备衬底，实现器件隔离，具体为在衬底基片I上表面生成GaN层2，在GaN层2上表面生成AlGaN层3。
[0045]第二步:如图2，在AlGaN层3上层一侧淀积欧姆接触金属。
[0046]第三步:如图3，采用湿法或者干法刻蚀工艺，刻蚀AlGaN层3另一侧，直至AlGaN势皇层被完全刻蚀，形成第一凹槽5。
[0047]第四步:如图4，在第一凹槽5中淀积第一肖特基金属6。
[0048]第五步:如图5，采用湿法或者干法刻蚀工艺，刻蚀与第一肖特基金属6连接的AlGaN层3，形成第二凹槽7。
[0049]第六步:如图6，在第二凹槽7底部和与AlGaN3连接的侧壁淀积电介质Si02、Si3N4、A1203、Zr02、Τ?02或Hf02等以及介质层的图形化，形成介质层8。
[0050]第七步:如图7，在第二凹槽7中淀积第二肖特基金属9。
[0051]第八步:如图8，器件有源区钝化。
[0052]其中第四步和第七步淀积的肖特基金属相连共同构成二极管的阳极。
【主权项】
1.一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，包括衬底基片(I)、设置在衬底基片(I)上表面的GaN层⑵和设置在GaN层⑵上表面的AUlN层(3)，所述GaN层⑵和AUlN层⑶形成异质结；所述AUlN层(3)上层一侧具有欧姆接触区⑷；其特征在于，所述AlMN层⑶上层另一侧具有第一凹槽(5)，所述第一凹槽(5)贯穿AUlN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￠);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)的底部及其与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出)的上表面和介质层(8)的上表面。2.根据权利要求1所述的一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述AmN层(3)中M为Ga、In或Ga与In的混合物。3.根据权利要求1所述的一种具有栅控结构的GaN异质结功率二极管，其特征在于，所述介质层⑶为为Si02、Si3N4、A1203、Zr02、Τ?02和Hf02中的一种或者几种形成的堆层结构。
【专利摘要】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。本发明的二极管的阳极由两部分构成，一部分肖特基金属淀积在全刻蚀形成的凹槽中，形成肖特基金属-二维电子气(2DEG)接触；另一部分肖特基金属淀积部分刻蚀的凹槽中，该凹槽上还淀积了一层电介质，构成MIS结构。该MIS结构为常开型，保留了全刻蚀二极管其优良的正向特性；并且在反向电压下沟道关断，降低了器件的反向泄漏电流。本发明的有益效果为具有低开启电压、低反向漏电流等优点。本发明尤其适用于GaN异质结功率二极管。
【IPC分类】H01L29/739
【公开号】CN105140278
【申请号】CN201510456195
【发明人】周琦, 李建, 王泽恒, 施媛媛, 张安邦, 刘丽, 张波
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月30日