CN215527733U - 一种纵向导通型GaN功率二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种纵向导通型GaN功率二极管。从下至上依次包括：覆盖二极管阴极的金属衬底、覆盖器件漂移区的欧姆电极‑二极管阴极、n型低载流子浓度区域‑器件漂移区、结型终端‑p型GaN区域、覆盖p型GaN区域的介质层、与器件漂移区形成肖特基接触的电极‑二极管阳极。本实用新型提供的一种纵向导通型GaN功率二极管，采用选择区域外延p型GaN终端结构，能够缓解反向偏压下的电场集中效应，有效提高器件击穿电压，同时采用价格便宜的异质衬底来实现纵向导通型结构，大大降低了器件的制作成本。

Description

一种纵向导通型GaN功率二极管

技术领域

本实用新型属于半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种纵向导通型GaN功率二极管。

背景技术

GaN基功率二极管主要包括pn二极管和肖特基二极管。pn二极管在正向偏压下存在电导调制效应，因此具有较小的导通电阻；在反向偏压下漏电流较小，具有较大的击穿电压。但pn二极管的开启电压较大(＞3V)，并且由于有少数载流子的注入，其开关速度较慢。而肖特基二极管具有较小的开启电压(＜1V)，开关速度快，被广泛应用于电源和驱动电路等领域。

GaN肖特基二极管主要包含两种器件结构，分别为准纵向导通结构和纵向导通结构。外延生长GaN的衬底材料主要有同质衬底和异质衬底，一般异质衬底材料包括蓝宝石、Si以及SiC等。

异质衬底价格便宜、能够做大尺寸晶圆，更有利于实现商业化GaN电子器件。但在异质衬底上外延GaN，由于晶格失配和热失配等问题，GaN晶体质量受到限制，进而影响器件性能，因此异质衬底主要应用于中低压领域。而异质衬底在纵向方向上一般难以实现导电，因此通常将肖特基二极管的阳极和阴极制作在器件的同一侧，这种器件结构即为准纵向导通结构。但实现这种结构需要深侧壁刻蚀工艺，将刻蚀器件的漂移区，露出漂移区下方的n⁺区，再蒸镀欧姆金属电极。除此之外，准纵向导通结构还存在着电流分布不均匀、器件占用面积大的缺点。

而采用自支撑衬底，GaN外延层晶体质量高，能够实现纵向导通结构，即器件阳极和阴极分别位于衬底的两侧。这种结构具有电流分布均匀，器件占用面积小，散热性能好，工艺简单等优点，更有利于提高器件性能，但是GaN自支撑衬底价格十分昂贵，晶圆尺寸小，这限制了在商业GaN纵向导通电子器件方面的推广。另外，当向肖特基二极管施加反向偏压时，在电极边缘下方会出现电场集中效应，此处电场远高于肖特基结表面处电场，导致器件提前击穿。

实用新型内容

本实用新型为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种纵向导通型GaN功率二极管，有效提高了器件的击穿电压。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种纵向导通型GaN功率二极管，从下至上依次包括：覆盖二极管阴极的金属衬底、覆盖器件漂移区的欧姆电极-二极管阴极、n型低载流子浓度区域-器件漂移区、结型终端-p型GaN区域、覆盖p型GaN区域的介质层、与器件漂移区形成肖特基接触的电极-二极管阳极。

在其中一个实施例中，所述的器件漂移区的厚度为1μm～50μm，载流子浓度为1×10¹⁴cm^-3～5×10¹⁷cm^-3。

在其中一个实施例中，所述的器件漂移区为位错密度低的非故意掺杂GaN外延层、Si掺杂外延层、As掺杂外延层的任一种。

在其中一个实施例中，所述的结型终端-p型GaN区域的厚度为0.1μm～10μm。

在其中一个实施例中，所述的结型终端-p型GaN区域，空穴浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

在其中一个实施例中，所述的介质层的厚度为10nm～500nm。

在其中一个实施例中，所述的介质层的材料为Al₂O₃、SiN、SiO₂中的任一种。

在其中一个实施例中，所述的金属衬底的材料为Cu或Ni，厚度为40μm～100μm。

在其中一个实施例中，所述的二极管阴极的材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金、或Ti/Al/Ti/TiN合金中的任一种。

在其中一个实施例中，所述的二极管阳极的材料为金属Ni、Au、Pt、Pd、Ir、Mo、Al、Ti、TiN、Ta、TaN、ZrN、VN、NbN中的一种或其堆叠结构。

与现有技术相比，有益效果是：本实用新型提供的一种纵向导通型GaN功率二极管，采用选择区域外延p型GaN终端结构，能够缓解反向偏压下的电场集中效应，有效提高器件击穿电压；同时采用价格便宜的异质衬底来实现纵向导通型结构，大大降低了器件的制作成本。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

附图标记：1、金属衬底；2、二极管阴极；3、器件漂移区；4、p型GaN区域；5、介质层；6、二极管阳极。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，一种纵向导通型GaN功率二极管，从下至上依次包括：覆盖二极管阴极2的金属衬底1、覆盖器件漂移区3的欧姆电极-二极管阴极2、n型低载流子浓度区域-器件漂移区3、结型终端-p型GaN区域4、覆盖p型GaN区域4的介质层5、与器件漂移区3形成肖特基接触的电极-二极管阳极6。

在其中一个实施例中，器件漂移区3的厚度为1μm～50μm，载流子浓度为1×10¹⁴cm^-3～5×10¹⁷cm^-3。器件漂移区3为位错密度低的非故意掺杂GaN外延层、Si掺杂外延层、As掺杂外延层的任一种。

在其中一个实施例中，结型终端-p型GaN区域4的厚度为0.1μm～10μm，结型终端-p型GaN区域4，空穴浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

在其中一个实施例中，介质层5的厚度为10nm～500nm，介质层5的材料为Al₂O₃、SiN、SiO₂中的任一种。

在其中一个实施例中，金属衬底1的材料为Cu或Ni，厚度为40μm～100μm。

在其中一个实施例中，二极管阴极2的材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金、或Ti/Al/Ti/TiN合金中的任一种。

在其中一个实施例中，二极管阳极6的材料为金属Ni、Au、Pt、Pd、Ir、Mo、Al、Ti、TiN、Ta、TaN、ZrN、VN、NbN中的一种。

本实用新型提供的一种纵向导通型GaN功率二极管的制备方法包括以下步骤：

步骤1.1外延结构

在衬底上外延n型导电的器件漂移区3。

步骤1.2.器件隔离

S21.在n型导电的器件漂移区3上涂覆光刻胶，曝光显影后露出需要刻蚀的区域；

S22.通过ICP刻蚀未被光刻胶覆盖的区域；

S23.使用丙酮去除光刻胶。

步骤1.3制备掩膜层

S31.在器件漂移区3上沉积SiO₂作为掩膜层；

S32.在SiO₂掩膜层上涂覆光刻胶，曝光显影后露出需要外延生长p型区域位置；

S33.使用缓冲氢氟酸溶液选择性刻蚀未被光刻胶覆盖的掩膜层。

步骤1.4外延生长p型GaN

S41.将步骤1.3制备的器件放入MOCVD腔室中外延生长p型GaN，形成p型GaN区域4；

S42.使用缓冲氢氟酸溶液去除SiO₂掩膜层。

步骤1.5生长介质层5

S51.将步骤1.4制备的器件放入腔室中生长介质层5；

S52.在介质层5上涂覆光刻胶，曝光显影后露出需要去除介质层5的区域；

S53.使用缓冲氢氟酸溶液选择性刻蚀未被光刻胶覆盖的介质层5；

S54.使用丙酮去除光刻胶。

步骤1.6衬底剥离

S61.通过键合层，将步骤5制备的器件键合到临时衬底上；

S62.通过衬底剥离技术，将衬底从步骤S1.5制备的器件上剥离。

步骤1.7蒸镀阴极金属

S71.在步骤S1.6制备的器件的背面蒸镀Ti/Al/Ni/Au形成欧姆接触，作为二极管阴极2；

S72.在欧姆接触电极上电镀金属Ni，形成金属衬底1。

步骤1.8蒸镀阳极金属

S81.去除键合层和临时衬底；

S82.在步骤1.7制备的器件上涂覆光刻胶，曝光显影后蒸镀Ni/Au，与器件漂移区3和p型GaN区域4形成肖特基接触，剥离后形成二极管阳极6；

S83.工艺流程完成，最终器件结构如图1所示。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，从下至上依次包括：覆盖二极管阴极(2)的金属衬底(1)、覆盖器件漂移区(3)的欧姆电极-二极管阴极(2)、n型低载流子浓度区域-器件漂移区(3)、结型终端-p型GaN区域(4)、覆盖p型GaN区域(4)的介质层(5)、与器件漂移区(3)形成肖特基接触的电极-二极管阳极(6)。

2.根据权利要求1所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的器件漂移区(3)的厚度为1μm～50μm，载流子浓度为1×10¹⁴cm^-3～5×10¹⁷cm^-3。

3.根据权利要求2所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的器件漂移区(3)为位错密度低的非故意掺杂GaN外延层、Si掺杂外延层、As掺杂外延层的任一种。

4.根据权利要求1所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的结型终端-p型GaN区域(4)的厚度为0.1μm～10μm。

5.根据权利要求4所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的结型终端-p型GaN区域(4)，空穴浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

6.根据权利要求1所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的介质层(5)的厚度为10nm～500nm。

7.根据权利要求6所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的介质层(5)的材料为Al₂O₃、SiN、SiO₂中的任一种。

8.根据权利要求1所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的金属衬底(1)的材料为Cu或Ni，厚度为40μm～100μm。

9.根据权利要求1至8任一项所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的二极管阴极(2)的材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金、或Ti/Al/Ti/TiN合金中的任一种。

10.根据权利要求9所述的纵向导通型GaN功率二极管，其特征在于，所述的二极管阳极(6)的材料为金属Ni、Au、Pt、Pd、Ir、Mo、Al、Ti、TiN、Ta、TaN、ZrN、VN、NbN中的一种或其堆叠结构。

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