一种具有弧形场板的氧化镓结型势垒肖特基二极管及其制备方法

本发明涉及半导体功率器件，具体涉及一种具有弧形场板的氧化镓结型势垒肖特基二极管及其制备方法。

背景技术：

1、氧化镓(ga2o3)作为新一代宽禁带半导体材料，因其优异的性质，得到了研究人员的广泛关注。ga2o3带隙为4.7～4.9ev，临界击穿电场高达8mv·cm-1，巴利加优值约为3400，分别是sic和gan的10倍和4倍。得益于较大的禁带宽度，高耐压是ga2o3作为功率器件最突出的特性。

2、目前对于ga2o3功率器件的研究集中在肖特基势垒二极管(sbd)、场效应晶体管(fet)、异质结二极管的结构设计和器件制备等方向。由于p型ga2o3难以制备，因此为了获得pn结在正反向电压作用下耗尽区变化来改善正向导通和反向截止特性，异质结二极管被提出用于ga2o3功率器件二极管中，同时场板的添加可以极大地改善电场拥挤的问题。

3、对于常规结构肖特基二极管来说，在施加较大的反向电压时，电场线集中效应往往是致命的，常规的场板结构也只能在一定程度上缓解电场集中，特别是矩形结构场板与电极接触的直角处往往是峰值电场产生的位置，不均匀的电场分布容易导致器件被击穿；同时器件外延层表面的电场相较于外延层内部要高，因此如何缓解高电场是提高器件耐压的必经之路。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供了一种具有弧形场板的氧化镓结型势垒肖特基二极管，能有效改善电极边缘的电场集中效应，提高反向击穿电压的同时降低了反向泄漏电流，并且正向导通电阻也较小，提高了二极管的功率品质因子。

2、为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种具有弧形场板的氧化镓结型势垒肖特基二极管，其由下向上依次包括：阴极金属、重掺杂ga2o3衬底、n型轻掺杂ga2o3外延层、p型nio环、外层的sio2电介质和阳极金属。

3、所述漂移层表面分布的p-nio环间隔均匀，横截面处长度l、厚度d、间隔w；所述p-nio环上表面与漂移层上表面齐平，由俯视图2(b)可知nio与ga2o3呈圆环状；

4、所述电介质sio2位于外延层顶部，俯视图呈圆环状环绕电极，横截面处电介质内侧经刻蚀形成弧形区域，特别是与阳极金属接触最内侧区域的电介质层较薄，外侧材料厚度逐渐增大，其中最内侧厚度增大较缓，因此内侧sio2与漂移层所呈角度θ较小；

5、具体地，所述阴极材料ti/au位于器件底层，厚度为30/200nm；

6、具体地，所述衬底为单晶衬底，衬底掺杂浓度为1×1019/cm-3，衬底厚度为300μm。

7、具体地，所述外延层为β相ga2o3，漂移层掺杂浓度为1×1016/cm-3，漂移层厚度为10μm。

8、具体地，所述nio掺杂浓度为5×1017//cm-3；所述横截面nio的长度l为8μm、厚度d为0.4μm、间隔w为4μm；

9、具体地，所述阳极金属ti/au与电介质边沿上下交错，长度s为2μm，弧形电极最大厚度h为0.8μm；所述电介质sio2长度为4μm。

10、进一步，通过使用tcad对器件仿真，对比常规场板肖特基二极管反向耐压特性，以及分析对比nio对器件内部电场分布的影响。

11、本发明还提供上述氧化镓结型势垒肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：

12、s1：选取衬底层，在所述衬底上表面制备漂移层；

13、s2：在所述衬底层的下表面制备阴极；

14、s3：在所述漂移层上刻蚀形成环形凹槽；

15、s4：在所述凹槽上生长nio材料，高度与凹槽齐平；

16、s5：在所述器件外层生长sio2材料；

17、s6：在所述器件上方对sio2进行蚀刻，形成弧形结构：

18、s7：在所属器件上方制备阳极金属ti/au；

19、本发明的结型势垒肖特基二极管，与氧化镓肖特基二极管的常规结构相比，其有益效果在于：

20、本发明的弧形场板氧化镓结型势垒肖特基二极管，使用sio2做电介质，对阳极边缘电介质采用弧形结构设计，得到了内侧有小倾角θ的弧形场板结构的氧化镓结型势垒肖特基二极管。这样一来，使得阳极边沿电场强度降低，不同于常规矩形场板，电场线在弧形场板中不会聚集到九十度拐角处，而是较为均匀地垂直于弧形排列在介电层中，有效缓解了电场集中效应，极大地提高了本发明肖特基二极管的反向击穿电压。同时，选择有着高击穿电场的sio2做介电层可以避免介电层过早击穿。

21、其次，本发明提出了一种制备弧形场板结构的方法，即采用可变温度光刻胶回流技术，基于厚光刻胶随温度发生形变，实现不同厚度的电介质的蚀刻，得到弧形结构；

22、另外，漂移层表面p-nio环与n-ga2o3形成耗尽区，将原本位于外延层表面较高的空间电场下拉至nio和ga2o3之间的空间电荷区，使得空间电场均匀分布在ga2o3外延层内部，降低了表面缺陷或陷阱产生较大泄漏电流而使器件失效的可能性；ga2o3与阳极存在肖特基接触，还和nio形成pn结，降低了泄漏电流，而且对器件正向导通电压von和导通电阻ron影响较小。

技术特征：

1.一种具有弧形场板的氧化镓结型势垒肖特基二极管，其由下向上依次包括：阴极金属、重掺杂ga2o3衬底、n型轻掺杂ga2o3外延层、p型nio环、sio2电介质和阳极金属；其特征在于：所述电介质sio2位于二极管顶部阳极金属外圈，环形sio2内侧通过刻蚀形成弧形结构场板；所述阳极金属由ti/au组成，边沿延伸至sio2上方，所述阳极金属边沿呈圆弧状，用于缓解电场线的边缘集中效应；p型nio位于漂移层表面，呈圆环状结构，横截面长度为l，厚度为d，宽度为w，其顶部与漂移层表面平齐，与ga2o3形成耗尽区。

2.根据权利要求1所述结构，其特征在于，所述阳极金属ti/au边缘呈弧形结构，且金属上方与电介质层表面齐平。

3.根据权利要求1所述结构，其特征在于所述阳极金属弧形边沿长度为s，其中，1μm＜s＜3μm；厚度为h，其中，0.4μm＜h＜1.2μm。

4.根据权利要求1所述结构，其特征在于p型nio外圈边沿与阳极金属边沿对齐，掺杂浓度为1017/cm-3量级。

5.根据权利要求1所述结构，其特征在于所述sio2电介质材料位于器件顶部，宽度为p，其中，3μm＜p＜5μm。

6.一种制备权利要求1所述结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：所述(1)中采用mist-cvd技术生长n型轻掺杂ga2o3外延层，实现如下：

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于：所述(6)中使用具有可变温度光刻胶回流技术的厚光刻胶层作为蚀刻掩模，通过icp干法蚀刻去除阳极区域中的sio2，实现弧形结构，实现如下：

技术总结
本发明公开了一种具有弧形场板的氧化镓结型势垒肖特基二极管及其制备方法，其由下向上依次包括：阴极金属、重掺杂Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;衬底、n型轻掺杂Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;漂移层、p型NiO环、SiO<subgt;2</subgt;电介质和阳极金属；SiO<subgt;2</subgt;电介质位于二极管顶部阳极金属外圈，与阳极金属齐平，环形SiO2内侧利用热回流技术，通过干法刻蚀形成弧形结构的场板，用于缓解电场线的边缘集中效应；所述阳极金属由Ti/Au组成；p型NiO沉积在漂移层表面，呈圆环状结构，横截面长度、厚度和间隔分别为L、D和W，与Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;形成耗尽区；采用Mist‑CVD生长轻掺杂漂移层。本发明通过将弧形场板和异质PN结相结合，缓解了电极边缘拥挤电场和漂移层表面较高的电场，降低了泄漏电流，提高击穿电压，进而提高器件的功率品质因子。

技术研发人员：宁平凡,李东义,姜勇,牛萍娟
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15