CN114899241A - 一种具有低开启电压的氧化镓二极管 - Google Patents
一种具有低开启电压的氧化镓二极管 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114899241A CN114899241A CN202210369620.7A CN202210369620A CN114899241A CN 114899241 A CN114899241 A CN 114899241A CN 202210369620 A CN202210369620 A CN 202210369620A CN 114899241 A CN114899241 A CN 114899241A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gallium oxide
- layer
- diode
- openings
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 145
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 142
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 128
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
- H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有低开启电压的氧化镓二极管，涉及新一代信息技术。针对现有技术中肖特基势垒和PN结各自存在的特性问题提出本方案。主要在于氧化镓漂移层远离n型衬底的端面设有电流阻挡层；电流阻挡层隔绝氧化镓接触层与氧化镓漂移层的接触；电流阻挡层设有多个第一开口，氧化镓漂移层通过多个第一开口与氧化镓沟道层电性连接；嵌入端与氧化镓接触层为欧姆接触。优点在于，同时规避了肖特基势垒二极管较大反向漏电流和PN结功率二极管正向开启电压较大的问题。使得二极管器件同时实现了低开启电压和低反向漏电流的效果，有效提高整流比。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种具有低开启电压的氧化镓二极管。
背景技术
整流是功率二极管的一个重要用途，理想的整流特性要求功率二极管同时具有低正向开启电压和低反向漏电流。传统功率二极管器件结构主要有肖特基势垒二极管和PN结二极管两类，其整流特性是依靠一个结势垒实现的，正向开启电压和反向漏电流之间天然存在矛盾。参见文献Farzana,E.,et al.,Influence of metal choice on(010)β-Ga2O3Schottky diode properties.Applied Physics Letters,2017.110(20).和文献Xiong,W.,et al.,Double-Barrierβ-Ga2O3 Schottky Barrier Diode With Low Turn-onVoltage and Leakage Current.IEEE Electron Device Letters,2021.42(3):p.430-433。
氧化镓肖特基势垒二极管的正向开启电压通常接近1V，通过选用低功函数金属可以降低该肖特基势垒的高度，但是往往带来较大的反向漏电流；而PN结功率二极管的结势垒通常较高，其反向漏电流较低但是正向开启电压往往更大。功率二极管的开启电压将带来额外的耗散功率，导致电路能效降低。反向漏电则导致额外的静态功耗，使整流比下降。肖特基功率二极管以及PN结功率二极管难以同时满足低开启电压，低反向漏电流，高整流比的应用需求，因此需要对器件结构进行优化设计。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有低开启电压的氧化镓二极管，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，包括：依次层叠设置的嵌入式阳极、介质层、氧化镓沟道层、氧化镓漂移层、n型衬底和阴极；所述嵌入式阳极的嵌入端贯穿所述介质层后，通过一氧化镓接触层与所述的氧化镓沟道层电性连接；
所述氧化镓漂移层远离n型衬底的端面设有电流阻挡层；所述电流阻挡层隔绝所述氧化镓接触层与氧化镓漂移层的接触；所述电流阻挡层设有多个第一开口，所述氧化镓漂移层通过所述多个第一开口与氧化镓沟道层电性连接；
所述嵌入端与氧化镓接触层为欧姆接触。
所述的嵌入端贯穿介质层后还继续贯穿氧化镓沟道层并延伸至电流阻挡层内；所述氧化镓接触层设置在嵌入端外侧和氧化镓沟道层之间，且位于介质层和电流阻挡层之间。
所述多个第一开口位于氧化镓沟道层下方，所述氧化镓漂移层远离n型衬底的端面延伸经过所述多个第一开口后与氧化镓沟道层下端面电性连接。
所述的氧化镓沟道层在相对所述多个第一开口的位置分别设有第二开口；所述氧化镓漂移层远离n型衬底的端面延伸经过所述多个第一开口和第二开口后与氧化镓沟道层的侧面电性连接。
所述第二开口贯穿氧化镓沟道层上下两端。
所述的氧化镓接触层设置在嵌入端正下方，以及位于电流阻挡层正上方，氧化镓接触层与所述多个第一开口完全错开，侧面被氧化镓沟道层完全包覆。
所述阴极与n型衬底为欧姆接触。
所述电流阻挡层的材质为P型掺杂氧化物。
所述P型掺杂氧化物为P型掺杂氧化镓。
所述的P型掺杂氧化镓通过对氧化镓漂移层进行P型掺杂得到。
本发明所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其优点在于，同时规避了肖特基势垒二极管较大反向漏电流和PN结功率二极管正向开启电压较大的问题。使得二极管器件同时实现了低开启电压和低反向漏电流的效果，有效提高整流比。
附图说明
图1是本发明所述氧化镓二极管实施例一的结构示意图。
图2是实施例一所示结构的I-V特性仿真图。
图3是实施例一所示结构的氧化镓沟道层在不同掺杂浓度下的正向特性仿真图。
图4是实施例一所示结构的氧化镓沟道层在不同厚度下的正向特性仿真图。
图5是实施例一所示结构的介质层在不同厚度下的正向特性仿真图。
图6是本发明所述氧化镓二极管实施例二的结构示意图。
图7是本发明所述氧化镓二极管实施例三的结构示意图。
附图标记：
101-阴极、102-n型衬底、103-氧化镓漂移层、104-电流阻挡层、105-氧化镓接触层、106-氧化镓沟道层、107-介质层、108-嵌入式阳极、109-嵌入端。
具体实施方式
实施例一
本发明所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管其结构如图1所示，包括：依次层叠设置的嵌入式阳极108、介质层107、氧化镓沟道层106、氧化镓漂移层103、n型衬底102和阴极101。所述嵌入式阳极108的嵌入端109贯穿所述介质层107后，还继续贯穿氧化镓沟道层106并延伸至电流阻挡层104内，通过一氧化镓接触层105与所述的氧化镓沟道层106电性连接。所述氧化镓接触层105设置在嵌入端109外侧和氧化镓沟道层106之间，且位于介质层107和电流阻挡层104之间。所述氧化镓漂移层103远离n型衬底102的端面设有电流阻挡层104。所述电流阻挡层104隔绝所述氧化镓接触层105与氧化镓漂移层103的接触。所述电流阻挡层104设有多个第一开口，所述氧化镓漂移层103通过所述多个第一开口与氧化镓沟道层106电性连接。所述嵌入端109与氧化镓接触层105为欧姆接触。所述多个第一开口位于氧化镓沟道层106下方，所述氧化镓漂移层103远离n型衬底102的端面延伸经过所述多个第一开口后与氧化镓沟道层106下端面电性连接。所述阴极101与n型衬底102为欧姆接触。
其中电流阻挡层104的材质是p型掺杂氧化镓、其他p型金属氧化物。p型掺杂氧化镓可以是通过对氧化镓漂移层103进行P型掺杂而得到。其他P型金属氧化物可以是埋层的方式设置在氧化镓漂移层103之上得到。电流阻挡层104的作用是阻挡电流直接从嵌入式阳极108、氧化镓接触层105、氧化镓沟道层106垂直进入氧化镓漂移层103。在本发明中，二极管器件的正向电流走向如虚线所示，在电流阻挡层104上方形成电场变化，再从第一开口进入氧化镓漂移层103内。电流阻挡层104厚度范围可以比较大，例如为500nm至5μm也能实现。
在本实施例中，氧化镓沟道层106、氧化镓接触层105、氧化镓漂移层103和n型衬底102均为n型掺杂。所述氧化镓沟道层106的掺杂浓度为1×1014cm-3至1×1017cm-3，厚度为50nm至1μm。介质层107为单层或多层结构，厚度为10nm至100nm。氧化镓漂移层103为单晶结构，掺杂浓度为1×1014cm-3至1×1017cm-3，厚度为2μm至20μm。氧化镓接触层105为高掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3至1×1020cm-3，厚度与氧化镓沟道层106持平。
本实施例选取典型参数进行器件仿真：氧化镓沟道层106厚度400nm，掺杂浓度1×1015cm-3；氧化镓漂移层103厚度10μm，掺杂浓度1×1016cm-3；介质层107厚度50nm；电流阻挡层104厚度2μm，P型掺杂浓度3×1018cm-3。I-V特性如图2所示，其开启电压约为0.5V；发生反向击穿前，反向漏电流保持在μA/cm2量级，开关比高达107。
在本实施例所示结构的基础上进行其他参数的单一变化仿真：
1对氧化镓沟道层106不同掺杂浓度进行仿真，正向特性如图3所示。适当增加氧化镓沟道层106的掺杂浓度，可降低沟道耗尽宽度，实现正向开启电压的降低。
2对氧化镓沟道层106不同厚度进行仿真，正向特性如图4所示。调整氧化镓沟道层106厚度能有效调整器件开启电压大小。关断时沟道耗尽区宽度由掺杂浓度决定，当掺杂浓度不变时，沟道越厚，开启沟道所需施加的电场越小。
3对介质层107不同厚度进行仿真，正向特性如图5所示。较薄的介质层107同样使得正向开启电压降低。
本发明所述氧化镓二极管能实现低开启电压及低漏电流的工作原理在于，引入电流阻挡层104以及正负电极的欧姆接触。在未对阳极施加正偏压时，p型的电流阻挡层104可以使沟道全耗尽，器件关断。耗尽的氧化镓沟道层106在嵌入式阳极108施加正向电压时，正向的电场使沟道区的电子积累，产生导电沟道，器件导通。实现在比较低的正向电压下，产生从嵌入式阳极108依次通过氧化镓接触层105、氧化镓沟道层106、第一开口流向阴极101的电流。施加反向电压时，由于没有正向电场作用，沟道保持耗尽状态，等效电阻很高。此时嵌入端109与氧化镓接触层105的欧姆接触区到阴极101的垂直电流被电流阻挡层104阻断，同时通过氧化镓接触层105、氧化镓沟道层106及第一开口的电流通道又因为高阻的沟道而被阻断。嵌入式的嵌入式阳极108使得电流阻挡层104与氧化镓沟道层106的电势相近，反向电场施加在电流阻挡层104边界上，保证了反向电场的作用不会使沟道导通。从而确保了比较低的反向漏电流。
另外需要特别指出，虽然电流阻挡层104是P型掺杂，与相邻的其他n型掺杂的功能层必然会形成类似PN结的结构，但是与PN结二极管的原理有本质区别，在本发明中P-N之间并不经过电流。综上所述，电流阻挡层的作用主要在于阻断电流，或者说约束导电沟道的位置，使得受正向电场调制的沟道层为电流的关键通路。相对现有技术的氧化镓二极管，可以同时避免了肖特基势垒的较大反向漏电流以及PN结的较高开启电压问题。
实施例二
如图6所示，与实施例一主要区别在于，所述的氧化镓沟道层106在相对所述多个第一开口的位置分别设有第二开口。所述氧化镓漂移层103远离n型衬底102的端面延伸经过所述多个第一开口和第二开口后与氧化镓沟道层106的侧面电性连接。所述第二开口贯穿氧化镓沟道层106上下两端。其氧化镓沟道层106长度减小，但仍然保持被介质层107完全覆盖。氧化镓漂移层103与介质层107相接触。本实施例保证氧化镓漂移层103掺杂浓度大于氧化镓沟道层106掺杂浓度。氧化镓沟道层106长度减小时，嵌入端109的电场对沟道的作用效果逐渐增强，使沟道开启需要施加的正向偏压进一步降低。
实施例三
如图7所示，与实施例一主要区别在于，所述的氧化镓接触层105设置在嵌入端109正下方，以及位于电流阻挡层104正上方，氧化镓接触层105与所述多个第一开口完全错开，侧面被氧化镓沟道层106完全包覆。将嵌入端109嵌入的深度减小，且不与电流阻挡层104接触。本实施例结构相比实施例一及实施例二所示的嵌入式结构在工艺上的实现更为简单，且同样保证了较低的开启电压。
对于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)
1.一种具有低开启电压的氧化镓二极管，包括：依次层叠设置的嵌入式阳极(108)、介质层(107)、氧化镓沟道层(106)、氧化镓漂移层(103)、n型衬底(102)和阴极(101)；所述嵌入式阳极(108)的嵌入端(109)贯穿所述介质层(107)后，通过一氧化镓接触层(105)与所述的氧化镓沟道层(106)电性连接；
其特征在于，
所述氧化镓漂移层(103)远离n型衬底(102)的端面设有电流阻挡层(104)；所述电流阻挡层(104)隔绝所述氧化镓接触层(105)与氧化镓漂移层(103)的接触；所述电流阻挡层(104)设有多个第一开口，所述氧化镓漂移层(103)通过所述多个第一开口与氧化镓沟道层(106)电性连接；
所述嵌入端(109)与氧化镓接触层(105)为欧姆接触。
2.根据权利要求1所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述的嵌入端(109)贯穿介质层(107)后还继续贯穿氧化镓沟道层(106)并延伸至电流阻挡层(104)内；所述氧化镓接触层(105)设置在嵌入端(109)外侧和氧化镓沟道层(106)之间，且位于介质层(107)和电流阻挡层(104)之间。
3.根据权利要求2所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述多个第一开口位于氧化镓沟道层(106)下方，所述氧化镓漂移层(103)远离n型衬底(102)的端面延伸经过所述多个第一开口后与氧化镓沟道层(106)下端面电性连接。
4.根据权利要求2所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述的氧化镓沟道层(106)在相对所述多个第一开口的位置分别设有第二开口；所述氧化镓漂移层(103)远离n型衬底(102)的端面延伸经过所述多个第一开口和第二开口后与氧化镓沟道层(106)的侧面电性连接。
5.根据权利要求4所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述第二开口贯穿氧化镓沟道层(106)上下两端。
6.根据权利要求1所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述的氧化镓接触层(105)设置在嵌入端(109)正下方，以及位于电流阻挡层(104)正上方，氧化镓接触层(105)与所述多个第一开口完全错开，侧面被氧化镓沟道层(106)完全包覆。
7.根据权利要求1-6任一所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述阴极(101)与n型衬底(102)为欧姆接触。
8.根据权利要求7所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述电流阻挡层(104)的材质为P型掺杂氧化物。
9.根据权利要求8所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述P型掺杂氧化物为P型掺杂氧化镓。
10.根据权利要求9所述一种具有低开启电压的氧化镓二极管，其特征在于，所述的P型掺杂氧化镓通过对氧化镓漂移层(103)进行P型掺杂得到。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210369620.7A CN114899241A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种具有低开启电压的氧化镓二极管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210369620.7A CN114899241A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种具有低开启电压的氧化镓二极管 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114899241A true CN114899241A (zh) | 2022-08-12 |
Family
ID=82716092
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210369620.7A Pending CN114899241A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种具有低开启电压的氧化镓二极管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114899241A (zh) |
-
2022
- 2022-04-08 CN CN202210369620.7A patent/CN114899241A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6693322B2 (en) | Semiconductor construction with buried island region and contact region | |
| US11081598B2 (en) | Trench MOS Schottky diode | |
| CN109075214A (zh) | 沟槽mos型肖特基二极管 | |
| CN103718297B (zh) | 超结肖特基pin二极管 | |
| US8853827B2 (en) | Silicon carbide bipolar junction transistor (BJT) having a surface electrode disposed on a surface passivation layer formed at a region between emitter contact and base contact | |
| KR20090031194A (ko) | 반도체 장치 | |
| US20080191305A1 (en) | Bipolar schottky diode and method | |
| KR20150078759A (ko) | 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 및 그의 제조 방법 | |
| CN116153991B (zh) | 一种双沟槽栅rc-igbt及其制备方法 | |
| KR20010006559A (ko) | 실리콘 카바이드 전계제어 바이폴라 스위치 | |
| WO2009042807A2 (en) | Adjustable field effect rectifier | |
| CN115579397A (zh) | 双级沟槽栅碳化硅mosfet及其制备方法 | |
| US11195922B2 (en) | Silicon carbide semiconductor device | |
| TW200945594A (en) | Integrated low leakage diode | |
| US20150255629A1 (en) | Semiconductor device | |
| CN102263139A (zh) | 一种改进的混合整流二极管结构 | |
| CN114899241A (zh) | 一种具有低开启电压的氧化镓二极管 | |
| CN110534582B (zh) | 一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法 | |
| CN102244106A (zh) | 一种肖特基二极管 | |
| CN111969053A (zh) | 低导通压降二极管器件及制备方法 | |
| CN112216746A (zh) | 碳化硅半导体器件 | |
| KR102593357B1 (ko) | 질화 갈륨 전력 장치 및 그 제조 방법 | |
| TW201926719A (zh) | 具有異質接面的垂直式功率電晶體 | |
| US20240072178A1 (en) | Diode and manufacturing method therefor, and semiconductor device | |
| CN117747673B (zh) | 功率二极管及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |