CN106601827A - 一种快速恢复二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速恢复二极管，包括N+型氮化镓外延层和从下到上依次设置在N+型氮化镓外延层一侧上的N型氮化镓外延层、N‑型氮化镓基片层、P型氮化镓外延层、P+型氮化镓外延层和阳极层，所述N+型氮化镓外延层另一侧设置有阴极层。本发明中快速恢复二极管采用氮化镓材料制备而成，且其反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)都得到更加有效的控制，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别是，涉及一种快速恢复二极管及其制备方法。
背景技术
FRD(快速恢复二极管)是能够快速导通和截止的二极管，它通过与三端功率开关器件如绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等配合使用，以导通负载中的无功电流，缩短电容的充电时间，并抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压，大量应用于交直流变换器、脉冲宽度调制器等电力电子以及通信设备之中。目前制作FRD的主要材料依然是硅材料。氮化镓(GaN)材料具有高击穿电场，低正向压降以及高热导率等优点，是研制微电子器件，光电子器件的新型半导体材料，被誉为继第一代锗、硅半导体材料、第二代砷化镓、磷化铟化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。如何将其应用于FRD制造，获得反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)都能得到更加有效控制的FRD，是本领域一直研究的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快速恢复二极管，其采用氮化镓材料制备而成，且其反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)都得到更加有效的控制，具有良好的应用前景。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种快速恢复二极管，包括N+型氮化镓外延层和从下到上依次设置在N+型氮化镓外延层一侧上的N型氮化镓外延层、N-型氮化镓基片层、P型氮化镓外延层、P+型氮化镓外延层和阳极层，所述N+型氮化镓外延层另一侧设置有阴极层。
优选的，所述N+型氮化镓外延层的厚度为10～14nm，掺杂浓度为4×1018～6×1018cm-3。
优选的，所述N型氮化镓外延层厚度为80～120nm，掺杂浓度约为0.5×1018～1.5×1018cm-3。
优选的，所述N-型氮化镓基片层厚度为2～3um，本征载流子的浓度为4×1016～6×1016cm-3。
优选的，所述P型氮化镓外延层厚度为80～120nm，掺杂浓度为0.8×1018～1.2×1018cm-3。
优选的，所述P+型氮化镓外延层厚度为10～14nm，掺杂浓度为0.8×1018～1.2×1018cm-3。
优选的，所述阳极层为金属Ti/Au，Ti/Au沉积厚度为
优选的，所述阴极层为金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au沉积厚度为
一种快速恢复二极管的制备方法，包括：
S101.提供衬底；
S102.在衬底上生长N+型氮化镓外延层；
S103.在N+型氮化镓外延层上生长N型氮化镓外延层；
S104.在N型氮化镓外延层上生长N-型氮化镓基片层；
S105.在N-型氮化镓基片层上生长P型氮化镓外延层；
S106.在P型氮化镓外延层上生长P+型氮化镓外延层；
S107.在P+型氮化镓外延层上沉积阳极层；
S108.剥离衬底，在靠近衬底层一侧的N+型氮化镓外延层上沉积阴极层；900～1000℃下快速退火1min，即得所述快速恢复二极管。
进一步的，所述步骤S102～S106中，均采用金属有机物化学气相沉积法进行，所述步骤S102～S103中，反应室内通入有SiH4气源；所述步骤S105～S106中，反应室内通入有Cp2Mg气源。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明中快速恢复二极管采用氮化镓材料制备而成，且其反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)都得到更加有效的控制，具有良好的应用前景。本发明的快速恢复二极管施加反向电压时，由于氮化镓材料具有宽禁带(3.4eV)、高的电子迁移率，制造出的快速恢复二极管具有更高的反向击穿电压和更大的前向电流；另外由于(P+P)GaN/N-GaN/(NN+)GaN双缓变PN结结构的存在，更加地提高了其反向击穿电压，增强了耐压能力的同时，反向恢复时间也缩短，容易实现快速开关特性。
附图说明
图1为本发明中快速恢复二极管结构示意图；
图2为本发明中快速恢复二极管的制备方法流程图；
其中，1为N+型氮化镓外延层、2为N型氮化镓外延层、3为N-型氮化镓基片层、4为P型氮化镓外延层、5为P+型氮化镓外延层、6为阳极层、7为阴极层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明中快速恢复二极管包括N+型氮化镓外延层1和从下到上依次设置在N+型氮化镓外延层1一侧上的N型氮化镓外延层2、N-型氮化镓基片层3、P型氮化镓外延层4、P+型氮化镓外延层5和阳极层6，N+型氮化镓外延层1另一侧设置有阴极层7。本发明中，位于N-型氮化镓基片层3上方的的掺杂浓度变化的P型氮化镓外延层4和P+型氮化镓外延层5，形成(P+P)GaN/(N-)GaN双缓变PN结；位于N-型氮化镓基片层3下方的掺杂浓度变化的N型氮化镓外延层2和N+型氮化镓外延层1，形成(N-)GaN/(NN+)GaN双缓变PN结，整体构成(P+P)GaN/(N-)GaN/(NN+)GaN双缓变PN结。此双缓变PN结在反向恢复时，(P+P)GaN/(N-)GaN结耗尽层快速向N-型氮化镓基片层3中心移动；(N-)GaN/(NN+)GaN结耗尽层慢速向N-型氮化镓基片层3中心移动，两个耗尽层边界发生重合时完成少数载流子抽取，反向恢复过程结束。这样，反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)都得到更加有效的控制。
进一步的，N+型氮化镓外延层1的厚度为10～14nm，掺杂浓度为4×1018～6×1018cm-3。N型氮化镓外延层2厚度为80～120nm，掺杂浓度约为0.5×1018～1.5×1018cm-3。N-型氮化镓基片层3厚度为2～3um，本征载流子的浓度为4×1016～6×1016cm-3。P型氮化镓外延层4厚度为80～120nm，掺杂浓度为0.8×1018～1.2×1018cm-3。P+型氮化镓外延层5厚度为10～14nm，掺杂浓度为0.8×1018～1.2×1018cm-3。阳极层6为金属Ti/Au，Ti/Au沉积厚度为阴极层7为金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au沉积厚度为
如图2所示，本发明还包括一种快速恢复二极管的制备方法，包括：
S101.提供衬底；
S102.在衬底上生长N+型氮化镓外延层；
S103.在N+型氮化镓外延层上生长N型氮化镓外延层；
S104.在N型氮化镓外延层上生长N-型氮化镓基片层；
S105.在N-型氮化镓基片层上生长P型氮化镓外延层；
S106.在P型氮化镓外延层上生长P+型氮化镓外延层；
S107.在P+型氮化镓外延层上沉积阳极层；
S108.剥离衬底，在靠近衬底层一侧的N+型氮化镓外延层上沉积阴极层；900～1000℃下快速退火1min，即得所述快速恢复二极管。
进一步的，所述步骤S102～S106中，均采用金属有机物化学气相沉积法进行，所述步骤S102～S103中，反应室内通入有SiH4气源；所述步骤S105～S106中，反应室内通入有Cp2Mg气源。
实施例1
制备快速恢复二极管S-1
S101.提供衬底，选择厚度约为200um蓝宝石衬底；
S102.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在衬底上生长N+型氮化镓外延层1；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以2.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以0.5L/min通入反应室，且向反应室内通入SiH4气源；获得厚度为10nm，掺杂浓度为6×1018cm-3的N+型氮化镓外延层1；
S103.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N+型氮化镓外延层1上生长N型氮化镓外延层2；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以2.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以0.5L/min通入反应室，改变反应室内SiH4气源浓度；获得厚度为80nm，掺杂浓度约为0.5×1018cm-3的N型氮化镓外延层2；
S104.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N型氮化镓外延层2上生长N-型氮化镓基片层3；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以2.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以0.5L/min通入反应室，关闭SiH4气源；获得厚度为2um，本征载流子的浓度为4×1016cm-3的N-型氮化镓基片层3；
S105.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N-型氮化镓基片层3上生长P型氮化镓外延层4；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以2.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以0.5L/min通入反应室，反应室内通入Cp2Mg气源；获得厚度为80nm，掺杂浓度为0.8×1018cm-3的P型氮化镓外延层4；
S106.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在P型氮化镓外延层4上生长P+型氮化镓外延层5；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以2.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以0.5L/min通入反应室，改变反应室内Cp2Mg气源浓度；获得厚度为10nm，掺杂浓度为0.8×1018的P+型氮化镓外延层5；
S107.采用溅射沉积法在P+型氮化镓外延层5上沉积阳极层6；阳极层6为金属Ti/Au，Ti/Au沉积厚度为
S108.剥离衬底，采用溅射沉积法在靠近衬底层一侧的N+型氮化镓外延层1上沉积阴极层7；阴极层7为金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au沉积厚度为900℃下快速退火1min，即得快速恢复二极管S-1。
通过检测，快速恢复二极管S-1在反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)等控制上均优于现有硅材料制备的快速恢复二极管。
实施例2
制备快速恢复二极管S-2
S101.提供衬底，选择厚度约为200um蓝宝石衬底；
S102.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在衬底上生长N+型氮化镓外延层1；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3L/min，TMGa以20umol/min，N2以2.5L/min，H2以1L/min通入反应室，且向反应室内通入SiH4气源；获得厚度为12nm，掺杂浓度为5×1018cm-3的N+型氮化镓外延层1；
S103.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N+型氮化镓外延层1上生长N型氮化镓外延层2；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3L/min，TMGa以20umol/min，N2以2.5L/min，H2以1L/min通入反应室，改变反应室内SiH4气源浓度；获得厚度为100nm，掺杂浓度约为1×1018cm-3的N型氮化镓外延层2；
S104.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N型氮化镓外延层2上生长N-型氮化镓基片层3；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3L/min，TMGa以20umol/min，N2以2.5L/min，H2以1L/min通入反应室，关闭SiH4气源；获得厚度为2.5um，本征载流子的浓度为5×1016cm-3的N-型氮化镓基片层3；
S105.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N-型氮化镓基片层3上生长P型氮化镓外延层4；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3L/min，TMGa以20umol/min，N2以2.5L/min，H2以1L/min通入反应室，反应室内通入Cp2Mg气源；获得厚度为100nm，掺杂浓度为1×1018cm-3的P型氮化镓外延层4；
S106.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在P型氮化镓外延层4上生长P+型氮化镓外延层5；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3L/min，TMGa以20umol/min，N2以2.5L/min，H2以1L/min通入反应室，改变反应室内Cp2Mg气源浓度；获得厚度为12nm，掺杂浓度为1×1018cm-3的P+型氮化镓外延层5；
S107.采用溅射沉积法在P+型氮化镓外延层5上沉积阳极层6；阳极层6为金属Ti/Au，Ti/Au沉积厚度为
S108.剥离衬底，采用溅射沉积法在靠近衬底层一侧的N+型氮化镓外延层1上沉积阴极层7；阴极层7为金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au沉积厚度为900℃下快速退火1min，即得快速恢复二极管S-2。
通过检测，快速恢复二极管S-2在反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)等控制上均优于现有硅材料制备的快速恢复二极管。
实施例3
制备快速恢复二极管S-3
S101.提供衬底，选择厚度约为200um蓝宝石衬底；
S102.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在衬底上生长N+型氮化镓外延层1；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以1.5L/min通入反应室，且向反应室内通入SiH4气源；获得厚度为14nm，掺杂浓度为4×1018cm-3的N+型氮化镓外延层1；
S103.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N+型氮化镓外延层1上生长N型氮化镓外延层2；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以1.5L/min通入反应室，改变反应室内SiH4气源浓度；获得厚度为120nm，掺杂浓度约为0.5×1018cm-3的N型氮化镓外延层2；
S104.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N型氮化镓外延层2上生长N-型氮化镓基片层3；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以1.5L/min通入反应室，关闭SiH4气源；获得厚度为2um，本征载流子的浓度为4×1016cm-3的N-型氮化镓基片层3；
S105.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在N-型氮化镓基片层3上生长P型氮化镓外延层4；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以1.5L/min通入反应室，反应室内通入Cp2Mg气源；获得厚度为80nm，掺杂浓度为0.8×1018cm-3的P型氮化镓外延层4；
S106.通过金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)在P型氮化镓外延层4上生长P+型氮化镓外延层5；生长条件为：气压不低于1.0×10-4Pa，气温为300K条件下，NH3以3.5L/min，TMGa以25umol/min，N2以3L/min，H2以1.5L/min通入反应室，改变反应室内Cp2Mg气源浓度；获得厚度为14nm，掺杂浓度为0.8×1018的P+型氮化镓外延层5；
S107.采用溅射沉积法在P+型氮化镓外延层5上沉积阳极层6；阳极层6为金属Ti/Au，Ti/Au沉积厚度为
S108.剥离衬底，采用溅射沉积法在靠近衬底层一侧的N+型氮化镓外延层1上沉积阴极层7；阴极层7为金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au沉积厚度为1000℃下快速退火1min，即得快速恢复二极管S-3。
通过检测，快速恢复二极管S-3在反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)等控制上均优于现有硅材料制备的快速恢复二极管。
本发明中快速恢复二极管采用氮化镓材料制备而成，且其反向恢复时间(tRR)、电流(IRR)、软化因子(S)都得到更加有效的控制，具有良好的应用前景
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快速恢复二极管，其特征在于，包括N+型氮化镓外延层和从下到上依次设置在N+型氮化镓外延层一侧上的N型氮化镓外延层、N-型氮化镓基片层、P型氮化镓外延层、P+型氮化镓外延层和阳极层，所述N+型氮化镓外延层另一侧设置有阴极层。
2.如权利要去1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述N+型氮化镓外延层的厚度为10～14nm，掺杂浓度为4×1018～6×1018cm-3。
3.如权利要求1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述N型氮化镓外延层厚度为80～120nm，掺杂浓度约为0.5×1018～1.5×1018cm-3。
4.如权利要求1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述N-型氮化镓基片层厚度为2～3um，本征载流子的浓度为4×1016～6×1016cm-3。
5.如权利要求1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述P型氮化镓外延层厚度为80～120nm，掺杂浓度为0.8×1018～1.2×1018cm-3。
6.如权利要求1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述P+型氮化镓外延层厚度为10～14nm，掺杂浓度为0.8×1018～1.2×1018cm-3。
7.如权利要求1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述阳极层为金属Ti/Au，Ti/Au沉积厚度为
8.如权利要求1所述的快速恢复二极管，其特征在于，所述阴极层为金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au沉积厚度为
9.权利要求1-8任一项所述快速恢复二极管的制备方法，包括：
S101.提供衬底；
S102.在衬底上生长N+型氮化镓外延层；
S103.在N+型氮化镓外延层上生长N型氮化镓外延层；
S104.在N型氮化镓外延层上生长N-型氮化镓基片层；
S105.在N-型氮化镓基片层上生长P型氮化镓外延层；
S106.在P型氮化镓外延层上生长P+型氮化镓外延层；
S107.在P+型氮化镓外延层上沉积阳极层；
S108.剥离衬底，在靠近衬底层一侧的N+型氮化镓外延层上沉积阴极层；900～1000℃下快速退火1min，即得所述快速恢复二极管。
10.如权利要求10所述的快速恢复二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S102～S106中，均采用金属有机物化学气相沉积法进行，所述步骤S102～S103中，反应室内通入有SiH4气源；所述步骤S105～S106中，反应室内通入有Cp2Mg气源。
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