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CN114664933B - 一种肖特基二极管 - Google Patents

一种肖特基二极管 Download PDF

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CN114664933B CN202210151840.2A CN202210151840A CN114664933B CN 114664933 B CN114664933 B CN 114664933B CN 202210151840 A CN202210151840 A CN 202210151840A CN 114664933 B CN114664933 B CN 114664933B
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盛雨
李思彦
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Abstract

本发明公开了一种肖特基二极管，包括从上往下依次设置的阳极区、漂移区、衬底区和阴极区，还包括场板区，场板区设置于阳极区中间，场板区被分割成栅结构，场板区和漂移区的材料均为α‑Ga2O3。本发明在阳极区中间增加栅结构的场板区，场板区和漂移区均采用α‑Ga2O3材料，栅结构的场板区能优化电流拥挤效应，改善电极与漂移区接触面处电场分布，提高了器件的击穿电压，基于α‑Ga2O3的漂移区，可采用增加厚度的方式抑制垂直泄漏电流，并且也能提高器件耐压，使器件最大击穿场强超过10MV/cm，解决目前功率二极管漏电流高，耐压偏低的问题。

Description

一种肖特基二极管
技术领域
本发明涉及一种肖特基二极管，属于半导体器件领域。
背景技术
对肖特基二极管研究发现，器件的垂直泄漏电流限制了器件的耐压能力，缩短了工作寿命，使得实际参数和理论预期有较大差距。因此如何提升耐压范围、抑制垂直泄漏电流是目前研究的难点。
发明内容
本发明提供了一种肖特基二极管，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种肖特基二极管，包括从上往下依此次设置的阳极区、漂移区、衬底区和阴极区，还包括场板区，场板区设置于阳极区中间，场板区被分割成栅结构，场板区和漂移区的材料均为α-Ga2O3。
所述肖特基二极管的宽度为1～2μm。
阳极区的材料为Pt，厚度为0.5～1μm。
α-Ga2O3的带隙为5.3eV。
场板区的厚度为0.5～1μm，场板区的宽度为0.4～0.8μm，n型掺杂，掺杂浓度为4.4×1015～7.4×1015cm-3。
漂移区为n型掺杂，掺杂浓度为4.4×1015～7.4×1015cm-3，厚度范围为1～8μm。
衬底区的材料为GaN，厚度为1～2μm，n型掺杂，掺杂浓度为5×1018～1×1019cm-3。
阴极区的材料为Pt，厚度为0.5～1μm。
本发明所达到的有益效果：本发明在阳极区中间增加栅结构的场板区，场板区和漂移区均采用α-Ga2O3材料，栅结构的场板区能优化电流拥挤效应，改善电极与漂移区接触面处电场分布，提高了器件的击穿电压，基于α-Ga2O3的漂移区，可采用增加厚度的方式抑制垂直泄漏电流，并且也能提高器件耐压。
附图说明
图1为场板区有分割的肖特基二极管的结构示意图；
图2为场板区无分割的肖特基二极管的结构示意图；
图3为不同漂移区厚度下的反向I-V特性；
图4为不同漂移区厚度下的击穿电压与平台宽度的对比；
图5为阳极电压-1000V下的最大电场与漂移区厚度的关系；
图6为肖特基二极管不同场板分割数量的水平电场；
图7为肖特基二极管不同场板分割数量的反向I-V特性；
图8为肖特基二极管不同场板宽度的水平电场；
图9为肖特基二极管不同场板宽度的反向I-V特性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种肖特基二极管，包括阳极区1、场板区2、漂移区3、衬底区4和阴极区5；其中，阳极区1、漂移区3、衬底区4和阴极区5从上往下依此次设置，场板区2设置于阳极区1中间，场板区2被分割成栅结构，即场板区2被分割成多个场板，场板区和漂移区的材料均采用α-Ga2O3。在一定范围内增加漂移区厚度和添加场板结构能够有效抑制垂直泄漏电流，增大器件的反向击穿电压，其极限场强高于近期报道的β-Ga2O3基器件的击穿电场强度。
上述肖特基二极管的宽度为1～2μm，阳极区1的材料为Pt，厚度为0.5～1μm，场板区2和漂移区3的材料均为带隙为5.3eV的α-Ga2O3，场板区2的厚度为0.5～1μm，场板区的宽度为0.4～0.8μm，n型掺杂，掺杂浓度为4.4×1015～7.4×1015cm-3，漂移区3为n型掺杂，掺杂浓度为4.4×1015～7.4×1015cm-3，总厚度范围为1～8μm，衬底区4的材料为GaN，厚度为1～2μm，n型掺杂，掺杂浓度为5×1018～1×1019cm-3，阴极区5的材料为Pt，厚度为0.5～1μm。
上述肖特基二极管在阳极区1中间增加栅结构的场板区2，场板区2和漂移区3均采用新型材料α-Ga2O3，栅结构的场板区2能优化电流拥挤效应，改善电极与漂移区3接触面处电场分布，提高了器件的击穿电压，基于α-Ga2O3的漂移区3，可采用增加厚度的方式抑制垂直泄漏电流，并且也能提高器件耐压。
为了验证上述肖特基二极管，利用Silvaco TCAD软件进行仿真：
设定氧化镓的带隙为5.3eV，电子亲和势为4eV，相对介电常数为10，肖特基接触的功函数为5.65eV，采用了Selberrherr碰撞离化模型和UST模型、Pipinys模型，对于n型Ga2O3材料，经计算得电子离化率参数αn如下：
其中，E是结构和参数中特定位置的电流方向上的电场；
金-半界面局部能级发射电子电流贡献为：
J＝Q·PIP.NT·W
其中，Q为电子电荷，PIP.NT为界面附近的占据态密度，W为声子辅助隧穿几率，可通过设置的模型参数计算得到。
为研究电流平台的出现与反向击穿电压的关系，分别通过改变漂移区3厚度、场板宽度进行了对比分析，具体如下：
结构1：肖特基二极管结构参考图2，包括阳极区1、场板区2、漂移区3、衬底区4、阴极区5；其中，肖特基二极管宽度为1μm；阳极区1与阴极区5材料为Pt，厚度为1μm；场板区2无分割，材料为α-Ga2O3，厚度为1μm，宽度为0.8μm，采用n型掺杂，掺杂浓度为7.4×1015cm-3；漂移区3材料为α-Ga2O，n型掺杂，掺杂浓度为7.4×1015cm-3；衬底区4材料为GaN，厚度为1μm，n型掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3。
对器件漂移区3的厚度与反向击穿电压的关系进行了研究，结果表明在优化参数下(漂移区3厚度8μm)，击穿电压的实验值远低于理论值1.8kV，这表面肖特基二极管在耐压性能上仍有很大的优化空间。
漂移区3的掺杂浓度固定为7.4×1015cm-3，场板区2宽度固定为0.8μm时，参考图3可知，增加漂移区3的厚度，击穿电压逐渐增大。这是因为当厚度增加时，不仅漂移区3内的电压降落增大，同时载流子总数的增加使肖特基势垒附近积聚的电荷数目上升，从而提高了肖特基接触面处的电场强度。
1～15μm厚度肖特基二极管的反向击穿电压及相应的电流平台长度随漂移区3厚度L的变化关系如参考图4所示。随着漂移区3厚度的增加，反向击穿电压大小与电流平台的长度近似呈线性递增。这是因为在击穿条件下，漂移区3部分耗尽，除了在电极与漂移区3的肖特基接触面附近薄层内出现的电场峰值外，电压主要降落在漂移区3。随着反向偏压的上升，漂移区3耗尽层厚度逐步增加直至全部耗尽，此过程中的反向电流受未耗尽部分的电导率限制而基本不变，所以出现了随漂移区3厚度增加而加长的电流平台。
参考图5可以看出随着漂移区3厚度增加，最大电场值逐渐下降。这表明漂移区3厚度增加使得肖特基接触面处的电子数量增加，在相同偏置电压的条件下，接触面处的电子空穴对数量减少，从而降低了接触面处的电场，使得电场分布中尖峰与低谷的差值变小，有效延缓了击穿的发生。
通过调节漂移区3厚度，发现氧化镓肖特基二极管的偏置电压中出现的电流平台与漂移区3的耗尽层有关，当不同厚度的漂移区3在反偏电压的作用下开始耗尽时，电流平台开始出现；当耗尽层厚度增大，电流平台的长度随之增加。而电场的斜率随着厚度变缓，说明较厚的漂移区3对垂直泄漏电流有抑制作用。
上述针对结构1以及后续结构3仿真实验中的电场分布，为图2中x和y方向剖线电场，其中，x方向是指距上表面1.001μm处的水平方向电场大小，y方向是指距左边界0.1μm处的竖直方向电场大小。
结构2：在结构1的基础上，固定场板总宽度为0.6μm，如图1将场板区2切割为栅结构，具体划分成第1段、第2段和第3段场板，并与传统的无场板区2结构进行比对；漂移区3与场板区2界面附近水平方向电场如图6，肖特基二极管的反向I-V特性如图7。
从图6、7可以看到，无场板区2结构的击穿电压大于有场板区2时的击穿电压，但击穿时的电场远低于有场板区2的峰值电场，因此添加场板区2有助于提高对材料可承受电场强度的利用；其中，最大电场强度超过10MV/cm，高于β-Ga2O3器件的击穿电场大小(图5虚线)。
场板区2分割数量增加，最大电场随之增加，击穿电压也增加，这是因为添加场板区2分割数量使电场尖峰与低谷之间的差异缩小，电场强度的分布更为均衡，从而提高了击穿电压的大小。
因此通过改变场板区2分割数量，发现添加场板区2域结构能够使电场强度的分布更加均衡，提升击穿电压。
上述针对结构2仿真实验中的电场分布，为图1中x和y方向剖线电场，其中，x方向是指距上表面1.001μm处的水平方向电场大小，y方向是指距左边界0.1μm处的竖直方向电场大小。
结构3：在结构2的基础上，仅采用第1段场板，在0.1～0.8μm的范围内改变场板宽度，得到界面电场分布和反向I-V特性如图8、9。可以看到随着场板宽度的增加，阳极与漂移区3接触面的电场强度随之增加。但在单一场板条件下，电场分布不均匀，使得反向击穿电压随着场板宽度的减小而增大，如图9所示。在场板宽度为0.1μm时，反向击穿电压达到约3.4kV的最大值。
可以看出，通过对肖特基二极管的反向击穿特性与漂移区3厚度以及场板区2宽度的关系作了仿真研究，发现在一定漂移区3厚度时出现反向电流平台，并且漂移区3厚度对击穿电压和电流平台有较明显的影响，影响机制可归结为耗尽层宽度的变化。场板区2的加入和场板区2的适当分割可以起到优化电场分布、提高击穿电压的作用。仿真结果表明，反向击穿电压的大小与电流平台的宽度在一定范围呈正相关的特性，如图4所示。
因此，选取图4中漂移区3厚度的中位值8μm作为典型值，通过划分场板区2结构实现电场分布的优化，从而进一步提高反向击穿电压。在优化的3段场板结构中，根据实际工艺需求，增加漂移区3厚度可有效提高器件耐压。
综上所述，α-Ga2O3基肖特基二极管的漂移区3厚度对垂直泄漏电流机制与电流平台的产生有重要影响，场板区2能够有效降低漏电流，增大反向偏置电压，其极限场强超过10MV/cm，高于近期报道的β-Ga2O3基器件的击穿电场强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种肖特基二极管，包括从上往下依次设置的阳极区、漂移区、衬底区和阴极区，其特征在于，还包括场板区，场板区设置于阳极区中间，场板区被分割成栅结构，场板区和漂移区的材料均为α-Ga2O3。
2.根据权利要求1所述的一种肖特基二极管，其特征在于，所述肖特基二极管的宽度为1~2μm。
3.根据权利要求1所述的一种肖特基二极管，其特征在于，阳极区的材料为Pt，厚度为0.5~1μm。
4.根据权利要求1所述的一种肖特基二极管，其特征在于，α-Ga2O3的带隙为5.3eV。
5.根据权利要求1所述的一种肖特基二极管，其特征在于，场板区的厚度为0.5~1μm，场板区的宽度为0.4~0.8μm，n型掺杂，掺杂浓度为4.4×1015~7.4×1015cm-3。
6.根据权利要求1或4所述的一种肖特基二极管，其特征在于，漂移区为n型掺杂，掺杂浓度为4.4×1015~7.4×1015cm-3，厚度范围为1~8μm。
7.根据权利要求1所述的一种肖特基二极管，其特征在于，衬底区的材料为GaN，厚度为1~2μm，n型掺杂，掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种肖特基二极管，其特征在于，阴极区的材料为Pt，厚度为0.5~1μm。
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