一种极化结和双阳极结构的肖特基二极管及制备方法和应用

本发明涉及微电子，特别是涉及一种极化结和双阳极结构的肖特基二极管及制备方法和应用。

背景技术：

1、功率器件指的是能够通过大电流并承受高耐压的半导体器件，在电路中主要起到能量转换、信号放大和开关控制的功能。氮化镓(gan)作为一种具有优秀物理和化学性质的第三代半导体，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、热导率高和临界击穿电场大等特点，并且在极端环境中表现出优秀的稳定性，是制备功率器件的理想材料。肖特基二极管(sbd)属于功率二极管的一种，以金属和半导体形成的肖特基势垒为基础，利用多数载流子导电，没有载流子的存贮现象，具有较高的开关速度和较小的开关损耗，适用于微波和高速领域。由于高迁移率和高浓度的二维电子气(2deg)，基于algan/gan异质结制备的横向肖特基二极管往往具有较低的开启电压和导通电阻，在整流电路、逆变器和5g通信等领域被广泛运用。然而目前的algan/gan肖特基二极管仍然存在开启电压高、导通电阻高和击穿电压低等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种高击穿电压和低开启电压的极化结和双阳极结构的肖特基二极管及其制备方法。

2、本发明至少采用如下技术方案：

3、本发明一方面提供一种极化结和双阳极结构的肖特基二极管，包括设置于衬底上的外延层以及电极；

4、所述外延层包括依次层叠的缓冲层、gan沟道层、algan势垒层和极化结；所述极化结由轻掺杂p-gan层和重掺杂p-gan层层叠而成，所述轻掺杂p-gan层与所述algan势垒层接触，所述外延层的两侧设置有阳极凹槽和阴极凹槽，所述凹槽沿外延层的表面延伸至algan势垒层中一定深度；

5、所述电极包括低功函数肖特基阳极、高功函数肖特基阳极、欧姆阳极和欧姆阴极，所述低功函数肖特基阳极和所述高功函数肖特基阳极设置于所述阳极凹槽中，与所述algan势垒层接触，所述欧姆阳极位于所述极化结上，所述高功函数肖特基阳极覆盖所述低功函数肖特基阳极，并延伸至所述欧姆阳极的表面；所述欧姆阴极设置于所述阴极凹槽中，与所述algan势垒层接触，所述高功函数肖特基阳极及所述欧姆阳极与所述欧姆阴极之间设置有钝化层，所述钝化层还位于所述极化结与所述欧姆阴极之间；

6、其中，所述低功函数肖特基阳极和所述势垒层接触的面积与所述低功函数肖特基阳极、所述高功函数肖特基阳极和所述势垒层接触的总面积之比在0.2至0.8之间。

7、优选地，所述低功函数肖特基阳极和所述势垒层接触的面积与所述低功函数肖特基阳极、所述高功函数肖特基阳极和所述势垒层接触的总面积之比为0.5。

8、优选地，所述重掺杂p-gan层的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1021cm-3，其厚度为10nm～50nm；所述轻掺杂的p-gan层的掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3，其厚度为5nm～30nm。

9、优选地，所述极化结的宽度为4μm～10μm；

10、所述低功函数肖特基阳极和所述高功函数肖特基阳极与势垒层接触区域的总宽度为4μm。

11、优选地，所述欧姆阴极的材料选用ti、al、w及mo中的一种；所述低功函数肖特基阳极的材料选用ti、al、w及mo中的一种；所述高功函数肖特基阳极和所述欧姆阳极的材料选用ni、pt、au及pd中的一种。

12、优选地，所述缓冲层为碳掺杂的高阻gan、aln、algan中的一种，其厚度为1μm～5μm；所述gan沟道层的厚度为0.1μm～1μm；所述algan势垒层的al组分为0.2～0.3，其厚度为10nm～60nm。

13、优选地，所述势垒层和所述gan沟道层之间设置有aln插入层，其厚度为1nm；

14、所述衬底为蓝宝石衬底、si衬底、sic衬底及gan单晶衬底中的一种。

15、优选地，所述钝化层选用sinx、al2o3、sio2、zro2及hfo2中的一种。

16、本发明一方面还提供一种极化结和双阳极结构的肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：

17、在衬底上依次生长缓冲层、gan沟道层、algan势垒层、轻掺杂p-gan层和重掺杂p-gan层，形成外延叠层；

18、定义有源区，刻蚀所述外延叠层至所述algan势垒层中一定深度，保留部分algan势垒层，形成阳极凹槽和阴极凹槽；

19、定义欧姆阴极区域，沉积欧姆接触金属层，形成欧姆阴极；

20、定义欧姆阳极区域，在重掺杂p-gan层上形成欧姆阳极；

21、定义低功函数肖特基阳极区域，在所述algan势垒层上形成低功函数肖特基阳极；

22、定义高功函数肖特基阳极区域，在所述algan势垒层上形成高功函数肖特基阳极，所述高功函数肖特基阳极覆盖所述低功函数肖特基阳极，并延伸至所述欧姆阳极的表面；

23、在所述阳极和所述阴极之间沉积钝化层，所述钝化层还覆盖于所述极化结与所述欧姆阴极之间；

24、其中，所述低功函数肖特基阳极和所述势垒层接触的面积与所述低功函数肖特基阳极、所述高功函数肖特基阳极和所述势垒层接触的总面积之比在0.2至0.8之间。

25、优选地，所述缓冲层在生长过程中掺入碳形成高阻gan缓冲层；

26、形成阳极凹槽和阴极凹槽的步骤中，使用低损伤icp工艺刻蚀所述外延层。

27、上述肖特基二极管在电子产品中的应用。

28、与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：

29、本发明通过极化结和双阳极的设置，使得器件的正向特性和反向特性之间取得了较好的平衡，极化结与algan势垒层以及gan沟道层形成gan/algan/gan双异质结，gan/algan异质结的界面产生二维空穴气(2dhg)，algan/gan异质结的界面产生2deg，高反向偏压下固定正负电荷通过互相补偿达成平衡，使沟道电场均匀分布，电场峰值从肖特基阳极边缘转移到极化结的边缘，避免了肖特基阳极位置的电场集中，减弱了双阳极带来的肖特基势垒高度降低对反向特性的不利影响；同时为了减小开启电压和导通电阻，通过双阳极的引入，低正向偏压下低功函数肖特基阳极首先开启，降低了器件的开启电压，偏压升高后高功函数肖特基阳极开启，双阳极一起参与导电，电流主要流入低功函数肖特基阳极，减小了导通电阻，减弱了极化结带来的2deg面浓度降低对正向特性的不利影响。双阳极结构中，低功函数肖特基阳极和algan势垒层接触的面积与低功函数肖特基阳极、高功函数肖特基阳极和algan势垒层接触的总面积之比在0.2至0.8之间，该面积的优化更进一步地平衡了正向特性和反向特性，尤其是低功函数肖特基阳极和高功函数肖特基阳极与algan势垒层的接触面积相等时，有效地提高了器件的击穿电压，同时降低了开启电压，减小了漏电流。

30、本发明对algan势垒层进行了部分刻蚀，使得电极深入至algan势垒层中，更好地接触到2deg，进一步降低了开启电压，且该设置工艺对沟道的影响较小。