[发明专利]一种纵向导通型GaN基沟槽结势垒肖特基二极管及其制作方法

说明书

本发明涉及半导体功率器件领域，具体涉及一种新型的纵向导通型GaN（氮化镓）基沟槽结势垒肖特基二极管及其制作方法。一种纵向导通型GaN基沟槽结势垒肖特基二极管，其中，由下往上依次包括覆盖衬底底面的欧姆接触金属阴极；n型重掺杂GaN自支撑衬底；第一外延层：n型轻掺杂GaN层——电子漂移层；第二外延层：n型轻掺杂GaN台——n型垂直沟道层（台与台之间形成沟槽结构）；第三外延层：沟槽内的p型GaN层；覆盖p‑GaN层顶部的欧姆接触阳极合金层A；覆盖n‑GaN台顶部的肖特基接触阳极金属层B；器件隔离层；表面钝化层。

技术领域

本发明涉及半导体功率器件领域，具体涉及一种新型的纵向导通型GaN（氮化镓）基沟槽结势垒肖特基二极管及其制作方法。

背景技术

功率半导体器件是电力电子系统中的核心元件，在能源的转换和控制领域中发挥着最核心的作用，市场需求量巨大。而通过对功率半导体器件的材料、结构、制造工艺进行改进、创新、优化，进而提升器件的性能，便可在增强系统功能的同时降低系统功耗，提高能源利用效率，从而达到“节能减排”的目的，亦顺应了当下“绿色环保”的时代主题。因此，新型功率半导体器件已然成为目前业界、学术界的研究重点，尤其是基于GaN（氮化镓）材料的新型功率整流器件。

一方面，作为第三代半导体材料，GaN有着许多优越的材料特性，比如：宽禁带宽度（3.45eV）、高击穿场强（3.3MV/cm）、高电子饱和漂移速度（2.7×10⁷cm/s）、高电子迁移率（AlGaN/GaN系统的迁移率可达2000cm²/(V·s)）、最高的高频或低频Baliga优值系数（BFOM）等，因此GaN比Si（硅）、GaAs（砷化镓）、SiC（碳化硅）等材料更适合被用于制造高功率、高频开关器件，而GaN基功率器件也有望获得更优越的性能优势。

另一方面，在各种各样的功率整流器件当中，肖特基二极管是一种颇为重要的单极型整流器件，其优势有二：第一，肖特基二极管在正偏下的肖特基势垒比普通的pn结二极管要低，故而正向开启电压和正向导通压降都比pn结二极管低，故而开启瞬间的动态损耗和静态导通损耗都比较低；第二，肖特基二极管是单极型器件，它在正向导通过程中几乎没有过剩少数载流子的注入和贮存，故而基本不存在由贮存电荷引起的反向恢复电流，其反向恢复时间仅仅受限于结电容和体串联电阻相联系的内部RC延迟时间常数，因此反向恢复时间极短（一般低于几个纳秒），关断过程极快，关断瞬间的动态损耗较小。所以，肖特基二极管可以大幅度地减少电力电子变换系统的动态损耗、导通损耗，因此非常适合被用于高频开关领域。

然而，对于传统的“金属——半导体肖特基接触结构”的肖特基二极管来说，肖特基势垒在反向偏压下会由于金属-半导体（MS）接触界面处的镜像力的作用而发生降低和减薄：反向偏压越高，肖特基势垒高度就下降得越多，势垒宽度也变得越薄，进而导致热电子发射电流和隧穿电流随之增加。该效应在宏观上将表现为反向漏电随反偏压的升高而明显增加，因而既降低了器件的反向耐压，又增加了器件的关态功耗，以致肖特基二极管的应用范围受到了严重的限制。所以，为了使器件能同时兼具较好的正反向特性，即在保持高开关速度、低动态损耗、低导通损耗、高输出功率密度的同时，实现低反向漏电、高反向耐压、低关态损耗，研发基于新结构的GaN基肖特基二极管势在必行。

根据导通类型的不同，目前新型GaN基肖特基二极管的研发工作主要分为两大技术路线：一，基于GaN自支撑衬底的纵向导通型肖特基二极管；二，基于Si衬底、依靠外延层中AlGaN/GaN异质结界面处的高浓度2DEG（二维电子气）进行导电的横向导通型肖特基二极管。虽然，GaN导电自支撑衬底难以制备，成本高昂，以致基于异质衬底的GaN外延生长技术和横向导通型器件起步较早，发展较成熟，但是与横向型器件相比，纵向导通型器件依然有着下列显著的优点：

首先，在GaN自支撑衬底上生长的GaN同质外延晶体质量高，缺陷密度小，能从根本上避免异质外延生长时所面临的困难，比如：由晶格失配和热失配造成的晶格缺陷。