[發明專利]一種金屬襯底的氮化鎵肖特基整流器及其制備方法

有效

• 申請號: 201010237851.X
• 申請日: 2010-07-27
• 公開（公告）號: CN101908511A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 陸海;石宏彪;張榮;鄭有炓;張之野;朱廷剛
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L23/14
• 分類號: H01L23/14;H01L23/373;H01L21/50
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 黃明哲

技術領域

本發明屬于半導體電子器件技術領域，涉及基于寬禁帶化合物半導體材料的功率整流器件，具體為一種金屬襯底的氮化鎵肖特基整流器及其制備方法。

背景技術

功率電子器件，如功率整流器件和功率開關廣泛應用于國民經濟的各個領域，如開關電源、汽車電子、無線電通信、電機控制等。長期以來，人們一直使用硅基功率電子器件；然而，隨著硅工藝的多年發展，受硅材料本身物理特性的限制，硅基功率電子器件性能已經逐漸接近其理論極限。想要再大幅度地提高器件性能，突破功率電子器件發展所面臨的“硅極限”問題，就必須采用新型半導體材料來制備下一代功率電子器件。新興寬禁帶半導體材料，尤其是III族氮化物半導體和碳化硅，在材料基本特性上具有制作高性能功率電子器件的更大潛力。其中，氮化鎵(GaN)作為寬禁帶半導體材料的典型代表，以其禁帶寬度大(3.4eV)、擊穿電壓高(～3.3MV/cm)、和飽和電子漂移速度大(～2.8×10⁷cm/s)等多方面性能優勢在國際上受到了廣泛關注，相關III族氮化物半導體技術發展迅速。GaN基材料在高頻、高溫和大功率器件應用領域具有良好的前景，其針對功率電子器件應用的優值系數相比于硅(Si)材料或砷化鎵(GaAs)基材料要高出1-2個數量級以上。

在多種基于寬禁帶半導體材料的功率電子器件中，GaN肖特基整流器(SchottkyRectifier，或稱為功率肖特基二極管)近年來逐漸成為國際研究熱點。肖特基整流器是利用金屬與半導體接觸所形成的肖特基勢壘對電流進行整流控制。其主要特點是具有較低的正向壓降；另外它是多數載流子(電子)參與導電，這就比少數載流子器件，如：PN結二極管有快得多的反應速度，其頻率響應僅為RC時間常數限制。因而，它是高頻和快速開關應用的理想器件。受Si材料低禁帶寬度等物理本征特性的限制，Si基肖特基整流器的最高耐壓一般只能做到250V左右；更高電壓的電源應用則需要使用Si?PIN整流器；但是，受PN結區內少數載流子存貯效應的影響，PIN整流器的開關速度又要比肖特基整流器慢很多，這對高效電源系統的設計和實現是非常不利的。采用基于寬禁帶半導體GaN的肖特基整流器恰恰可以解決以上矛盾。GaN具有比Si材料高出一個數量級的擊穿電場和更好的耐高溫能力。高擊穿電場使GaN肖特基整流器可以采用較小厚度和更高摻雜濃度的電壓阻斷層，從而器件的串聯電阻可以大大降低，使高功率應用成為可能。

GaN肖特基整流器可同時具有高擊穿電壓、低開啟電阻和很小的反向恢復時間等優異特性。作為一種最基本的功率電子器件，將GaN肖特基整流器應用于功率轉換電路或模塊，可以很大程度地提高系統的電能轉化效率，并大大簡化電路的復雜度，降低系統制備成本。從功率半導體器件的發展趨勢上可以預計：大功率GaN肖特基整流器(耐壓＞300V，正向工作電流＞5A)的未來應用市場非常龐大，典型的關鍵應用包括：開關模式電源(SMPS)、高壓連續導通模式功率因數校正電路(PFC)、電機驅動和高壓乘法器等。

目前，人們已經可以在異質襯底，如藍寶石、碳化硅或硅等，或同質襯底上外延生長和制備GaN肖特基整流器。其中，由于藍寶石襯底價格較低和外延工藝相對成熟，藍寶石襯底是人們外延生長GaN材料最為常用的襯底材料。隨著近年來以GaN基白光發光二極管為代表產品的半導體照明產業的巨額投入，GaN器件技術和相應設備的生產水平得到了質的提升。目前，高標準生產型GaN外延設備一次可在多達50+片的2英寸藍寶石襯底上生長GaN薄膜，并且具有良好的均勻性和可重復性。以上發展形式從側面上也有利地推動了GaN基功率電子器件的加速發展，使其性價比已經可以挑戰硅基功率電子器件。

但是，GaN肖特基整流器作為一種典型的功率電子器件，往往需要在高電壓和大電流的模式下工作，其正向導通時的電流密度一般要達到150A/cm²以上，而GaN發光二極管的工作電流密度只在30-50A/cm²之間，因此，GaN肖特基整流器在正常工作時器件內部就會產生很多的熱量。這些熱量必須能夠被及時傳導走，否則最終會導致器件燒毀。由于藍寶石材料的導熱率很低，約為0.35W/(cm.K)，在藍寶石襯底上制作的大功率GaN肖特基整流器就更容易發生器件過熱現象，嚴重制約器件性能，并給器件造成潛在的可靠性問題。因此，如何改善制備在藍寶石襯底上GaN肖特基整流器的散熱問題是發展這一新興技術的關鍵。

發明內容