CN107527952A - 一种Nano‑Fin栅结构的混合阳极二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，涉及一种Nano‑Fin栅结构的混合阳极二极管。本发明中栅极为Nano‑Fin状的结构，通过等间距或不等间距的方式刻蚀势垒层为插指状，实现栅槽下方和栅槽之间异质结内二维电子气浓度可调制的一种新技术。本发明的有益效果：实现了栅下二维电子气部分耗尽进而实现增强型沟道的目的，本发明所述方法二维电子气调控精度更高、器件性能更稳定，能够避免因为流片过程中诸如退火、栅介质生长工艺等高温过程对注入离子分布的影响；本发明所述二极管的开启电压、导通电阻、反向漏电等器件特性可通过改变FIN状结构的条数和FIN状结构的宽度来调节。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种Nano-Fin栅结构的混合阳极二极管。
背景技术
氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体材料，其化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。所有这些优良的性质，很好地弥补了前两代Si和GaAs等半导体材料本身固有的缺点，从而成为飞速发展的研究前沿。
作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基肖特基势垒二极管(SBD)功率器件具有耐高温、耐高压和导通电阻小等优良特性,在功率器件方面具有显著的优势。传统的GaN异质结肖特基二极管受肖特基接触势垒的影响其开启电压较大且其耐压能力取决于肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触。较大的开启电压会增加器件的正向工作损耗，因此开发一种具有低正向开启电压、高反向耐压的高性能GaN功率二极管对于实际应用具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种Nano-Fin状栅结构混合阳极二极管(如图1)，通过将栅槽刻蚀成FIN(鳍式)状的结构，部分耗尽栅槽下方的二维电子气，进而实现二维电子气沟道增强型的目的。该种技术可以通过改变FIN状刻蚀部分的宽度，间距以及深度实现对栅下二维电子气的精确调控，不仅能实现二极管的低开启电压的要求，同时对于利用刻蚀栅槽技术以制备增强型HEMT，该技术同样适用，即根据实际的需求来改变上述可控FIN结构的参数，以实现对HEMT阈值电压的精确调控。
本发明提出的一种Nano-Fin状栅结构混合阳极二极管工作原理为：源极、漏极与器件有源区表面形成欧姆接触作为电流输入、输出端口。在源极漏极之间，通过局部刻蚀AlGaN层制备Nano-Fin状栅结构(如图2)，并在此结构上制得器件栅极。此Nano-Fin状栅结构由多个保留的条状AlGaN层组成(9)，通过部分耗尽二维电子气的方式，以实现增强型AlGaN/GaN 器件。当栅极不加电压时，由于栅极下方局部2-DEG的局部很低，少部分电子可以通过，源极漏极之间看做不能导通，器件处于关断状态。当给栅极施加一足够高的正电压时，势垒降低，大量电子能够通过该势垒，源极漏极之间便能够导通，器件处于开启状态。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Nano-Fin结构混合阳极二极管，包括衬底1、衬底上方的异质结、栅极、源极和漏极 6，所述异质结由GaN层2与GaN层2上方的AlGaN层4形成，所述栅极位于异质结上方且与之形成肖特基接触，所述源极和漏极6分别位于AlGaN层4上表面两侧，且源极与AlGaN层形成欧姆接触；所述漏极6与栅极之间的AlGaN层4上表面具有钝化层7；其特征在于：所述栅极为通过局部刻蚀AlGaN层形成的Nano-Fins结构9，每一片Nano-Fin依次沿器件同时与水平面和垂直面垂直的第三维方向排列，所述Nano-Fins结构上淀积有与之形成肖特基接触的金属薄膜。
作为优选方式，Nano-Fin状栅槽平行于源极漏极连线方向。
作为优选方式，所述栅极与立体多槽栅结构之间***电介质层。
作为优选方式，所述电介质层为Al2O3、SiO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Sc2O3、LaLuO3、TiO2其中的一种或多种的复合。
本发明的方案相较于传统技术(如申请号为201511003565.6的中国专利)的全刻蚀以及部分刻蚀方法实现增强型沟道的差别在于前者保留了二维电子气的源漏极连线方向的连续性，这样做的目的是将使得器件整体具有增强型沟道的同时，在栅极(阳极)施加正向电压时沟道的二维电子气比传统全刻蚀、部分刻蚀或通过离子注入实现增强型沟道的器件具备更快的恢复速度；相较于Zhou Q,Jin Y,Mou J,et al.“Over 1.1kV breakdownlow turn-on voltage GaN-on-Si power diode with MIS-Gated hybrid anode[C]”IEEE,International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC's.2015:369-372工艺设计的过程中本发明不需要通过精确控制部分刻蚀势垒层实现二维电子气的调控，所以本发明所述实现二维电子气调控的方法更简单。此外，本发明所述器件其刻蚀界面缺陷与Nano-Fin电流导通沟道分离，消除了刻蚀界面缺陷对二维电子气的散射作用，提高了器件Nano-Fin导电沟道中二维电子气迁移率，降低器件导通电阻；相较于离子注入实现二维电子气调控的方式，本发明所述方法二维电子气调控精度更高、器件性能更稳定，能够避免因为流片过程中诸如退火、栅介质生长工艺等高温过程对注入离子分布的影响；本发明所述二极管的开启电压、导通电阻、反向漏电等器件特性可通过改变FIN状结构的条数和FIN状结构的宽度来调节。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种Nano-Fin状栅结构混合阳极二极管，在实现器件增强型且具有较高耐压的前提下，该发明减小了AlGaN层的刻蚀面积，降低了材料损伤且 AlGaN层的连续性没有得到破坏，所以器件具有较大的电流密度，较高的电子迁移率和较低的导通电阻，同时，Nano-Fin状栅结构具有多根保留的条状AlGaN层(如图3)，可以通过控制保留AlGaN层的条数，宽度和深度精确调控栅下二维电子气(如图4)，实现低开启电压，阈值可调控。
附图说明
图1是本发明器件沿源极漏极连线方向横截面结构示意图；
图2是本发明源极漏极连线方向时的不包括欧姆金属的立体结构示意图；
图3是本发明所提Nano-Fin状栅结构混合阳极二极管的俯视图
图4是本发明结构中俯视角度下二维电子的分布图；
图5是本发明器件的立体结构示意图；
图6是本发明器件剖面结构示意图。
其中，1位衬底，2为GaN层，3为2-DEG，4为AlGaN层，5为Nano-Fin状栅槽，6 漏极，7为钝化层，8为肖特基金属。
具体实施方式
在发明内容部分已经对本发明进行了详细描述，在此不再赘述。
Claims (4)
1.一种Nano-Fin栅结构的混合阳极二极管，包括衬底(1)、衬底上方的异质结、栅极、源极和漏极(6)，所述异质结由GaN层(2)与GaN层(2)上方的AlGaN层(4)形成，所述栅极位于异质结上方且与之形成肖特基接触，所述源极和漏极(6)分别位于AlGaN层(4)上表面两侧，且源极与AlGaN层形成欧姆接触；所述漏极(6)与栅极之间的AlGaN层(4)上表面具有钝化层(7)；其特征在于：所述栅极为通过局部刻蚀AlGaN层形成的Nano-Fins结构(9)，每一片Nano-Fin依次沿器件同时与水平面和垂直面垂直的第三维方向排列，所述Nano-Fins结构上淀积有与之形成肖特基接触的金属薄膜(8)。
2.根据权利要求1所述的一种Nano-Fin栅结构的混合阳极二极管，其特征在于：所述金属薄膜(8)与源极欧姆短接。
3.根据权利要求2所述一种Nano-Fin栅结构的混合阳极二极管，其特征在于：所述栅极与异质结之间具有电介质层。
4.根据权利要求3所述的一种Nano-Fin栅结构的混合阳极二极管，其特征在于：所述电介质层采用的材料为Al2O3、SiO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Sc2O3、LaLuO3、TiO2其中的一种或多种的复合。
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