一种GaN级联二极管

本发明属于功率半导体，具体是涉及一种gan级联二极管。

背景技术：

1、二极管器件在高频、高压电路领域具有巨大的应用市场，可用于有限幅、钳位以及整流需求的电路。同时，gan与algan异质结界面高密度二维电子气，是gan器件相比其它材料器件甚至gan垂直器件的优势之一。但是与垂直器件相比，传统横向器件具有功率密度较小、晶圆利用率较低等不足。横向绝缘栅mis栅控二极管既能克服肖特基二极管反向漏电大的缺点，也具有阈值电压可调范围大的优势。

技术实现思路

1、本发明基于gan二极管应用的需求，提出一种gan级联二极管。

2、为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

3、一种gan级联二极管，沿器件垂直方向包括自下而上依次层叠设置衬底1、上表面具有多个凹槽的缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及介质层6，器件表面形成多个凹槽结构；沿器件横向方向，器件两端表面分别是阴极9和阳极10，在所述阴极9和阳极之间设置2个及以上浮空栅金属fg；阴极9沿器件垂直方向贯穿介质层6，延伸到势垒层4中，下表面与势垒层4形成欧姆接触；其特征在于，浮空栅金属fg和阳极10位于凹槽结构内，浮空栅金属fg和阳极10靠近阴极一侧的底部和侧壁与介质层6接触，远离阴极5一侧的底部和侧壁穿过介质层6，与势垒层4形成欧姆接触。

4、进一步的，所述器件凹槽结构的侧壁与水平方向垂直。

5、进一步的，所述绝缘栅介质6采用氟离子注入。

6、进一步的，所述缓冲层2采用的材料为algan、gan中的一种或两种的组合，势垒层4采用的材料为algan、aln中的一种或两种的组合

7、本发明的工作原理为：级联二极管凹槽形状的沟道层3和势垒层4侧壁为非极性面或自发极化很弱，所以沟道层3和势垒层4异质结界面二维电子气浓度极低甚至无法形成，实现二极管关断，相比于gan肖特基二极管反向漏电降低明显。器件导通机理为当凹槽结构中的栅金属施加正向电压使得沟道层3或势垒层4内电子聚集获得导通。器件应用中外部电压只施加在器件阴极和阳极，浮空栅金属通过器件内部分压实现器件整体导通与关断。浮空栅金属和阳极靠近阴极一侧等效为深入器件内部的纵向场板，能有效调制器件体内电场分布，优化器件内部电场分布，增加器件耐压。

8、本发明的有益效果是，级联二极管等效为多个栅控二极管串联，只需很少数量串联便可达到hemt器件静电防护所需的电压要求，大大提高了芯片使用效率。等效纵向场板拓展了横向器件纵向维度的利用，提高晶圆利用率。实际工艺制备中刻蚀引入缺陷的区域远离器件导通路径，因此能有效减小材料缺陷对二维电子气迁移率的影响，改善器件正向导通和动态特性。

技术特征：

1.一种gan级联二极管，沿器件垂直方向包括自下而上依次层叠设置衬底(1)、上表面具有多个凹槽的缓冲层(2)、gan沟道层(3)、势垒层(4)以及介质层(6)，器件表面形成多个凹槽结构；沿器件横向方向，器件两端表面分别是阴极(9)和阳极(10)，在所述阴极9和阳极之间设置2个及以上浮空栅金属fg；阴极(9)沿器件垂直方向贯穿介质层(6)，延伸到势垒层(4)中，下表面与势垒层(4)形成欧姆接触；其特征在于，浮空栅金属fg和阳极(10)位于凹槽结构内，浮空栅金属fg和阳极(10)靠近阴极一侧的底部和侧壁与介质层(6)接触，远离阴极(5)一侧的底部和侧壁穿过介质层(6)，与势垒层(4)形成欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的一种gan级联二极管，其特征在于，所述器件凹槽结构的侧壁与水平方向垂直。

3.根据权利要求1所述的一种gan级联二极管，其特征在于，所述绝缘栅介质(6)采用氟离子注入。

4.根据权利要求1所述的一种gan级联二极管，其特征在于，所述缓冲层(2)采用的材料为algan、gan中的一种或两种的组合，势垒层(4)采用的材料为algan、aln中的一种或两种的组合。

技术总结
本发明属于功率半导体技术领域，具体是涉及一种GaN级联二极管。级联二极管等效为多个栅控二极管串联，只需很少数量串联便可达到HEMT器件静电防护所需的电压要求，大大提高了芯片使用效率。等效纵向场板拓展了横向器件纵向维度的利用，提高晶圆利用率。实际工艺制备中刻蚀引入缺陷的区域远离器件导通路径，因此能有效减小材料缺陷对二维电子气迁移率的影响，改善器件正向导通和动态特性。

技术研发人员：张鹏飞,魏雨夕,赵智家,罗小蓉,王俊楠,谢欣桐,邱金朋,沈竞宇,魏杰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16