[發明專利]一種GaN基PIN二極管器件結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201910870538.0
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110544719A
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 張紫輝;劉亞津;張勇輝;賈興宇
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/868;H01L21/329
• 代理公司: 12210 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 趙鳳英<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明為一種GaN基PIN二極管器件結構及其制備方法。該二極管器件結構沿著外延生長方向依次包括：襯底、緩沖層、N?型重摻雜半導體傳輸層；所述的N?型重摻雜半導體傳輸層上分布有N?型本征層，所述的N?型本征層上生長有P?型重摻雜半導體傳輸層，P?型重摻雜半導體傳輸層頂部外緣環狀部分為N?型插入層，為在P?型重摻雜半導體傳輸層的材質上注入N型離子而得；所述的N?型插入層的外緣上生長有環狀的絕緣層；隨后依次為電流擴展層、P?型歐姆電極，N型歐姆電極位于暴露的N?型重摻雜半導體傳輸層之上。本發明使邊緣載流子濃度有效降低，實現更均勻電流擴展，同時不影響反向擊穿電壓。

技術領域

本發明涉及電力電子器件技術領域，具體的說是一種降低邊緣載流子濃度，抑制俄歇復合，減緩電流擁擠效應的新型PIN二極管器件結構。

背景技術

PIN二極管主要是由重摻雜的n+型和p+型半導體傳輸層，中間夾一層電阻率很高的本征層(I層)組成，從而實現較高的反向擊穿電壓，并實現一定頻率范圍的信號調制功能。PIN二極管是以PN結為結構基礎，通過少數載流子(簡稱少子)的注入，實現正向開態工作過程，這個過程被稱為電導調制，在正向導通時漂移區通過電導調制實現比較小的導通電阻，這樣可以使器件利用低摻雜漂移區獲得高擊穿電壓的同時，保持著較小的正向導通壓降特性。作為第三代半導體的代表，GaN及其相關異質結具有帶隙大、擊穿電場大、電子飽和速度高等材料特性，非常適合制備高壓大功率器件，因此基于GaN的PIN二極管由于其開關速度快，反向擊穿電壓高，可控功率大，損耗小，以及在正、反向偏置下能得到近似短路和開路的良好特性，所以在高壓電網、電動汽車、白色家電等領域具有重要的應用潛力。

目前，大多數GaN PIN二極管可以分為兩類：一種是基于GaN自支撐襯底(Ohta,etal.Vertical GaN p-n junction diodes with high breakdown voltages over 4kV.IEEE Electron Device Letters 36,11(2015):1180-1182)或者SiC襯底(Yoo,et al.Epitaxial Growth and Device Design Optimization of Full-Vertical GaN p-i-nRectifiers.Journal of Electronic Materials 36,4(2007):353-358)的垂直器件，這種襯底上生長的GaN外延層缺陷密度小，但成本較高。另一種類型是在晶格不匹配的襯底(如藍寶石)上通過異質外延的方式，制備GaN準垂直二極管(Zheng,et al.Suppressionof Current Leakage Along Mesa Surfaces in GaN-Based p-i-n Diodes.IEEEElectron Device Letters 36,9(2015):932-934)。在這種類型的結構中，通過臺面刻蝕的方式，暴露n-型GaN之后，在p-GaN層和n-GaN層表面制備p型歐姆電極和n型歐姆電極，該設計的一個主要缺點是在器件正向工作區間，電流在臺面邊緣擁擠嚴重，因此俄歇復合效應較為明顯。為了減緩電流在臺面邊緣處的擁擠效應，方式之一是需提高N型重摻雜半導體電子傳輸層的摻雜濃度或者增加其厚度，從而可以減少該層的電阻，減緩電流的邊緣擁擠效應(Zhang,et al.“Reduction of on-Resistance and Current Crowding in Quasi-Vertical GaN Power Diodes.”Applied Physics Letters 111,16(2017):163506.)，但是這種方式N摻雜過重，會在晶格中引入大量缺陷，晶體質量下降，漏電流會增加。

發明內容

本發明的目的是針對準垂直GaN的PIN功率器件的技術中存在的不足，提供一種PIN二極管器件的解決方案，從而可以緩解電流在臺面邊緣擁擠嚴重的情況。本發明中提出的結構在P-型重摻雜半導體傳輸層頂部兩側嵌入了N-型插入層，形成了內嵌的PN結，利用該內嵌PN結耗盡區中的內建電場，使邊緣載流子濃度有效降低，實現更均勻電流擴展，同時不影響反向擊穿電壓。