[发明专利]一种氮化镓异质结横向整流器

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种氮化镓异质结横向整流器件。

背景技术

电力电子技术是现代科学、工业和国防的重要支撑技术，其中功率半导体器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力，功率半导体器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用。其中，以功率MOS场效应管(MOSFET)和绝缘栅晶体管(IGBT)为代表的新型功率半导体器件占据了主导地位，在4C电子产品、工业控制、国防装备等领域发挥着重要作用。然而，以硅材料为基础的功率MOSFET器件越来越显示出其不足和局限性。宽禁带半导体材料具有更优的材料特性，有望解决当今功率半导体器件发展所面临的“硅极限”问题。

氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×10⁶V/cm)、高电子迁移率(～2000cm²/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～10¹³cm^-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

宽禁带半导体电力电子器件具有非常广泛的军用和民用价值，如坦克、舰艇、飞机、火炮等军事设备的功率电子系统领域、以及民用电力电子设备、家用电器、列车牵引设备、高压直流输电设备，也正在应用到PC、混合动力车辆、电动汽车，太阳能发电等系统。在这些新型电力电子系统中，GaN电力电子器件是最核心的关键技术之一，可大大降低电能的消耗，因此也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。

近年来，由于工艺和材料的进步，基于氮化镓异质结材料的整流器件取得了巨大的进步，使其在半导体技术领域占有极其重要的地位。对于整流器而言，开启电压与反向耐压能力是其关键指标。然而，受肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触势垒的影响，传统的GaN异质结肖特基二极管的开启电压较大，较大的开启电压会增加器件的正向工作时的损耗；同时，器件的耐压能力也取决于肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触，从而器件的耐压能力与漏电特性也表现的不够理想。目前人们已经提出了多种技术来实现出氮化镓异质结整流器的低开启电压和高耐压。但是都或多或少的存在一些问题，无法同时实现低正向开启电压、低导通功耗及高反向耐压。因此开发一种具有低正向开启电压、低导通功耗及高反向耐压的GaN基整流器对于实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的就是，针对传统氮化镓异质结整流器存在的问题，提出了一种具有低导通电阻、高反向耐压和低功耗等优点的新型氮化镓异质结横向整流器。

本发明的技术方案是：一种氮化镓异质结横向整流器，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和SiN层4，所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述器件两端分别具有混合阳极结构和欧姆阴极结构，所述混合阳极结构具有复合绝缘栅极结构和欧姆阳极结构，所述欧姆阳极结构和欧姆阴极结构以器件的垂直中线呈对称分布；所述欧姆阳极结构与部分刻蚀的AlGaN层3接触形成阳极欧姆接触电极6；所述欧姆阴极结构与部分刻蚀的AlGaN层3接触形成阴极欧姆接触电极8；所述器件的复合绝缘栅极结构位于阳极欧姆接触电极6的右侧并与之接触，并包括增强型绝缘栅结构和耗尽型绝缘栅结构。所述增强型绝缘栅结构包括通过刻蚀AlGaN层3形成的凹槽9和覆盖在凹槽9中的绝缘栅介质5，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极7；所述耗尽型绝缘栅结构包括直接覆盖在AlGaN层3表面的绝缘栅介质5，以及覆盖在栅介质上的肖特基金属栅电极10。