[发明专利]一种氮化镓基肖特基二极管半导体器件及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化镓半导体器件，尤其涉及一种氮化镓基肖特基二极管半导体器件及制造方法。

背景技术

第三代半导体材料, 包括 CdS、ZnO、 SiC、GaN、金刚石等。这些半导体材料的禁带宽度都大于 2.2eV , 在电子器件方面，对 SiC 和 GaN 研究得相对比较成熟, 是目前世界半导体材料和器件研究领域中的热点。

氮化镓 (GaN) 禁带宽度是3.4eV, 宽禁带使 GaN 材料能够承受更高的工作温度，也使 GaN 材料有更大的击穿电场, 更大的击穿电场意味着器件能够承受更高的工作电压，可以提高器件的功率特性, GaN 也有高的电子饱和漂移速度和高的热导率, 总的来说，GaN 是可以用来制造高频，高压大功率半导体器件的优良材料。

氮化镓基异质结材料是氮化镓(GaN) 材料中的重要代表，其延续了 GaN 材料高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。A1GaN／GaN 是GaN基异质结材料中的主要结构代表, A1GaN／GaN异质结中，A1GaN为宽禁带材料，GaN为窄带材料，两者形成 I 型异质结，2DEG位于异质结界面的GaN一侧。

AlGaN／GaN 已经被大量地应用在光电和电子器件方面，这也是推动GaN 材料向高水平和低成本发展的动力之一, 光电子器件主要包括AlGaN／GaN 多量子阱结构的激光器和发光管; 电子器件主要聚焦在以 AlGaN／GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)结构作为 GaN 基器件的基础代表, 这结构具有良好的高频、高功率、耐高温以及抗辐射性能, 用这结构研制出的器件包括有AlGaN／GaN 异质结场效应晶体管(AlGaN／GaN HFETS)和 AlGaN／GaN 异质结肖特基二极管等。

在电力电子应用方面，自从Infineon公司在1999年投放场截止IGBT, 接下来几年，各主要生产IGBT的公司都相继推出类似的产品。从那时起, IGBT 在电学性能上得到了质的飞跃, 发展迅速并主导了中等功率范围的市场。随着功率器件 IGBT 技术的发展，IGBT的开关速度越来越快,在应用系统里,具有快速开关的 IGBT 需要求采用快速的二极管作为续流二极管。开关器件IGBT 每一次从开通至关断过程中，续流二极管会由导通状态变为截止状态。而这一过程要求二极管具有快又软的恢复特性。在应用过程中,希望系统的功耗小,可靠性高和较小的电磁噪声,这对 IGBT和FRD 都有很高要求,然而，在很长一段时间里，业界忽视了快速二极管的开发 ,因为 FRD 的性能跟不上,成​为限制整个系统的​效能, 雖然IGBT的性能很好，也无​法发挥出来，近来快速二极管的作用受到了高度的重视。快恢复二极管（简称FRD），主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、不间断电源（UPS）、交流电动机变频调速器等电子电路中。作为高频、大电流的续流二极管、高频整流二极管或阻尼二极管使用，是极有发展前途的电力、电子半导体器件。 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于pin结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区i，构成pin结构。基区的厚度和掺杂浓度决定了FRD的反向击穿电压值（耐压值）。

快恢复二极管主要的技术和性能（即电学参数）有（1）击穿电压，（2）正向压降和（3）开通关断特性等。快恢复二极管是一种双极性的器件

一般来说 , 双极性器件的正向压降是与反向恢复特性相互矛盾的，即改良了正向压降便会伤害了反向恢复特性 ，如增加了n- 扩展层的空穴电子对密度，正向压降会变好，但贮存了更多的电荷会使关断时最大反向恢复电流增大和反向恢复时间变长，从而使关断功耗增大。

最好的快速二极管是肖特基二极管，这是一种单载流子器件，没有少子贮存效应，可是用硅材料做肖特基二极管，因为硅材料的临界电场( critical field ) 比较低，只能做出有用的单芯片肖特基二极管的最高电压为200V， 对于600V 和1200V 的应用，若需用肖特基二极管，现在只能用碳化硅二极管，但碳化硅肖特基二极管的价钱很高，性价比不理想,在相当一段时间，价格很难有大幅度降低。

氮化镓外延层生长在硅单晶上的技术已很成熟，现时已有商用产品是用硅单晶衬底的，虽然目前用硅单晶衬底比用蓝宝石贵，但业界相信，随着愈来愈多使用硅单晶衬底做 GaN 基异质结的产品和研发，用硅单晶衬底制备出的外延层的成本会愈来愈平宜和质量会愈来愈好，将来应该是最有商业用途的。