[发明专利]带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管及制作方法

说明书

本发明公开了一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，主要解决现击穿电压和导通电流密度低的问题。其自下而上包括衬底、缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、多沟道层、GaN帽层和钝化层，该多沟道层和GaN帽层的两侧为阴极，中间为圆形槽状阳极，且阳极上端与槽口上表面有水平方向上的交叠，该GaN帽层的上部与阳极上端水平部分之间设有环状P型终端，该多沟道层包括n组沟道，每组由上AlGaN势垒层、AlN插入层和下GaN沟道层组成。本发明能缓解阳极附近电场集中现象，提高击穿电压，同时加强沟道对电子限制，提高电流密度，获得更好的功率特性，可用作电力系统的核心器件。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种带P型终端的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，可用作电力系统的核心器件。

背景技术

电力系统的核心部分是电力电子器件，提高电力电子器件在更复杂场合、更严苛环境下的适用性，是电力电子领域的主流发展趋势。Si材料作为第一代半导体材料，其相应的器件是目前电力电子市场的主流产品。随着半导体工艺技术的成熟，Si器件的性能已经趋近于材料的极限，已经无法满足社会对电能转换器件的需求。为了进一步提高器件性能，突破电力电子领域目前所面临的瓶颈，需要采用新的材料。

GaN作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有突出的优势。GaN的饱和电子漂移速度是Si的2倍，且GaN材料拥有更高的电子浓度、迁移率、击穿场强，因此基于GaN材料制备的功率器件在理论上具有更大的电流密度、更大的功率密度、更高的开关速度。常用Baliga优值来衡量半导体器件的功率特性，GaN材料的Baliga优值远远大于Si材料，因此GaN材料在功率器件制造方面具有更高的优势和潜能，有望成为硅的替代物。

基于AlGaN/GaN异质结结构的器件，因其具有高密度、高迁移率的二维电子气，近些年来被广泛研究，部分成果已经开始应用于市场。GaN基器件在衬底的选择上有蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底，以及自支撑衬底。从制造成本的角度考虑，硅衬底上的氮化镓具有更大的晶圆尺寸，器件制造效率更高，成本更低。除此之外，硅衬底上的氮化镓器件与其他已经成熟的Si基器件具有较好的兼容性，有望进一步减小制造成本。因此，在衬底的选择上，硅基氮化镓器件拥有更好的前景与更广泛的适用性。

现有的横向单沟道AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管，如图1所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、阳极，GaN层之上的AlGaN层两侧为阴极，AlGaN与GaN层形成异质结结构。该器件结合III-V族氮化物材料极化特性，在传统肖特基势垒二极管的基础上，引入AlGaN/GaN异质结结构，利用二维电子气导电沟道，提高了电子迁移率，与同类硅器件相比具有更高击穿电压、更低开启电阻以及更短反向恢复时间特性，容易实现更大电流密度和功率密度，将其应用在功率转换方面能够大大提升系统电能转化效率、降低制备成本。但是随着应用需求的增加，这种常规单沟道异质结的横向二极管，由于采用单沟道结构，其输出电流密度有限，且可耐受的击穿电压低，无法满足电力电子设备上千伏击穿超高压的要求。

现有的AlGaN/GaN异质结多沟道功率二极管，如图2所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、多沟道层和GaN帽层。多沟道层自下而上由多组沟道组成，单组沟道自下而上由GaN沟道层和AlGaN势垒层组成。第一层沟道的GaN层向上到GaN帽层的两侧设有环状阴极和阳极，GaN帽层上部连接阴阳极的区域设有钝化层。该器件在AlGaN/GaN异质结单沟道功率二极管基础上，将单一沟道拓展为多沟道结构，虽说提高了器件输出的电流密度及可耐受电压。但器件在受到较大反向偏压的情况下，会在阳极金属与半导体接触肖特基界面发生电场集中现象，产生电场尖峰，导致器件提前击穿。同时，由于器件沟道层中的电子有可能越过AlGaN层导带势垒导致器件电流密度降低，导通电阻增大。

发明内容