一種橫向恒流二極管的制作方法

本發明屬于半導體
技術領域：
，涉及一種橫向恒流二極管。
背景技術：
：恒流二極管(Currentregulatingdiode，CRD)是一種兩端口器件，工作時流過該器件的電流上升到一定程度后，趨于一個穩定的值，而不再受外部所加電壓波動的影響。CRD主要用于定時電路、限流電路、恒定電流源、LED驅動電路等應用中。耗盡型場效應晶體管(D-modeFETs)由于具有靈活的夾斷電壓和非常高的動態輸出阻抗特性(處于夾斷狀態時)，因此非常適合作為構造CRD的元件。從1960’s早期開始，研究者們主要采用硅基材料制作CRD器件。目前，CRD按照導電溝道方向可以分為橫向導電溝道CRD(如圖1所示)和垂直導電溝道CRD(如圖2所示)。硅基兩種導電溝道結構的CRD均有各自的優缺點，對比來看，垂直溝道的CRD電流均勻性較好、恒定電流較大、節省芯片面積，但是擊穿電壓較低；而橫向溝道的CRD盡管存在電流均勻性較差、芯片面積較大的缺點，但是由于橫向結構器件的電子流通路徑通常接近器件表面，反過來又產生很多下述的優點：1溝道長度易于控制；2源極和柵極之間易于集成反饋電阻；3橫向結構的CRD易于與其他元件集成(例如，LEDs)；4擊穿電壓相對較高。受各種因素的影響，基于硅材料制作的恒流二極管阻斷電壓大都在100V以下，恒定電流值大都低于30mA，而且兩者之間存在很強的制約關系，另外器件恒流工作時溫度穩定性較差。因此，在提高CRD的恒定電流同時，提高器件的擊穿電壓仍是研究者需要著力解決的重要問題之一。例如，申請號為CN201020158294.8的中國專利，公開了通過在水平溝道兩側襯底分別生長N型薄層的技術方案，制得了恒流性能好、恒定電流值大于50mA的恒流二極管。申請號為CN201310275984.X的中國專利，公開了的在N型阱區引入輕摻雜的P型區和重摻雜的P型區構成P型阱區的技術方案，提高了擊穿電壓并有效提高了橫向恒流二極管的恒定電流。文獻YitaoHe,MingQiao，etal.“AVerticalCurrentRegulatorDiodewithTrenchCathodeBasedonDoubleEpitaxialLayersforLEDLighting，”Proceedingsofthe27thInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&IC'sMay10-14,2015,KowloonShangri-La,HongKong報道了采用雙層外延結構制備的垂直恒流二極管，不僅能有效提高擊穿電壓而且顯著改善了CRD的恒流飽和特性。上述傳統技術方案中，均是基于硅材料制作的CRD器件進行的改進。然而由于硅材料特性的限制，現有的基于硅材料制作的CRD的仍存在耐壓不高、恒定電流小、溫度穩定性較差等問題。氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體材料的典型代表，與硅材料相比，以其3倍于硅的禁帶寬度、10倍于硅的臨界擊穿電場、2倍于硅的飽和電子速度、良好的高溫穩定性而受到科研工作者的廣泛關注。而基于AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管(HEMTs)是一種非常有前景的下一代FETs，該型器件具有高功率密度、良好的耐壓能力和隨著溫度升高穩定的特性，這些優點有助于實現高性能的CRD。另外，AlGaN/GaNHFETs是橫向的D-modeFETs，所以具備橫向溝道CRD的絕大部分優良特性。技術實現要素：本發明的目的，就是針對上述問題，提出一種橫向恒流二極管。本發明中的CRD可以看作是由具有很短的柵極和源極接觸的D-modemetal-oxide-semiconductor(金屬-氧化物-半導體)FET組成。本發明的技術方案是：一種橫向恒流二極管，包括從上至下層依次層疊設置的絕緣介質層5、MGaN層4、GaN層6和襯底7；所述GaN層6和MGaN層5形成異質結；所述MGaN層5上層的一端具有第一金屬電極1，另一端具有第二金屬電極3，第一金屬電極1和第二金屬電極3與MGaN層5之間均是歐姆接觸；位于第一金屬電極1和第二金屬電極3之間并靠近第二金屬電極3處，還具有凹槽絕緣電極結構，所述凹槽絕緣電極結構為由部分緣柵介質層4垂直向下嵌入MGaN層4上表面形成，所形成的凹槽底部和側面具有第三金屬電極2，第三金屬電極2還沿水平方向向器件的兩端延伸；所述第三金屬電極2的一端延伸至與第二金屬電極3接觸，并覆蓋第二金屬電極3的上表面，第三金屬電極2和第二金屬電極3連接在一起作為器件的陰極，第一金屬電極1作為器件的陽極。進一步的，所述凹槽絕緣電極結構的垂直深度為0～100nm。進一步的，所述第三金屬電極2正下方的MGaN層4中注入有F離子。進一步的，第一金屬電極1與MGaN層是肖特基接觸。進一步的，所述MGaN層4中的M為Al或In。進一步的，所述絕緣柵介質層5所采用的材料為Al2O3、SiO2、Si3N4、AlN、MgO或Sc2O3。本發明的有益效果為，克服了傳統的硅基CRD器件恒定電流與擊穿電壓強烈的矛盾關系，利用GaN材料高耐壓的優良特性，在該型AlGaN/GaNCRD器件在實現較大恒定電流的同時，能夠實現很寬的恒流區及很高的耐壓，而且通過調節相關器件結構參數，使恒定電流大小在較大范圍內變化。此外，該CRD響應速度快，動態性能好。同時，本發明的CRD能夠與GaN基LED器件單片集成，大大降低系統體積。附圖說明圖1為硅基橫向溝道CRD；圖2為硅基垂直溝道CRD；圖3為采用D-modeFET和電阻構造的一種簡單的恒流源電路；圖4為基于D-modeAlGaN/GaNMIS-HEMTCRD的原理圖；圖5中(a)為Al2O3氧化層厚度分別為0、5、10、20nm的CRD的正向I-V特性曲線，(b)為(a)的局部放大圖；圖6中(a)為AlGaN厚度分別為2、4、6nm的CRD的正向I-V特性曲線，(b)為(a)的局部放大圖；圖7中(a)為MOSFET區域中不同柵長及柵源長度的正向I-V特性曲線，(b)為(a)的局部放大圖；具體實施方式下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案：如圖4所示，本發明的一種橫向恒流二極管，包括從上至下層依次層疊設置的絕緣介質層5、MGaN層4、GaN層6和襯底7；所述GaN層6和MGaN層5形成異質結；所述MGaN層5上層的一端具有第一金屬電極1，另一端具有第二金屬電極3，第一金屬電極1和第二金屬電極3與MGaN層5之間均是歐姆接觸；位于第一金屬電極1和第二金屬電極3之間并靠近第二金屬電極3處，還具有凹槽絕緣電極結構，所述凹槽絕緣電極結構為由部分緣柵介質層4垂直向下嵌入MGaN層4上表面形成，所形成的凹槽底部和側面具有第三金屬電極2，第三金屬電極2還沿水平方向向器件的兩端延伸；所述第三金屬電極2的一端延伸至與第二金屬電極3接觸，并覆蓋第二金屬電極3的上表面，第三金屬電極2和第二金屬電極3連接在一起作為器件的陰極，第一金屬電極1作為器件的陽極。本發明的工作原理為：如圖3是一種采用D-modeFET和柵源之間通過電阻連接的恒流二極管電路。初始時，電路中沒有電流，Rs兩端的電壓是0V。這種情況下，如果我們在漏端加一很小的電壓，就會有一電流ID流過電路。由于這個電流在Rs兩端產生電壓降，從而降低了柵源之間的電壓VGS。VGS的值由公式(1)給出：VGS＝-IA×RS(1)隨著漏極兩端電壓的增加，ID隨之增加，當VGS達到一個足夠負的值時，D-modeFET導電溝道就會夾斷。此時，ID幾乎不隨著施加電壓的變化而變化。漏極端所加電壓超過一定值后，ID的值不在受施加電壓的影響。此時，流過FET的恒定電流ID為：IDSS是當VGS＝0V時，D-modeFET的開態電流，VT是D-modeFET的閾值電壓。RS是通過負反饋來調節ID的大小。把(1)式帶入到(2)式得到RS的表達式為：基于上述電路的分析，設計了基于AlGaN/GaN異質結的橫向CRD。從左到右，這個CRD由源極電阻、一個D-modeMIS-HEMT、漏極電阻組成。本發明的設計過程尤其體現了以下細節：1.原D-modeAlGaN/GaNHEMT的源極與柵極連接在一起作為CRD的陰極，歐姆接觸的漏極作為CRD的陽極。2.在AlGaN表面淀積Al2O3作為鈍化層，能進一步降低漏電，提高CRD器件的穩定性。3.可以根據實際的應用需求，通過調節原HEMT器件柵極的長度、AlGaN層的厚度、鈍化層的厚度，來實現不同恒定電流大小的要求。4.可以通過改變凹槽柵刻蝕的深度，來實現不同的閾值電壓，進而實現不同恒定電流的大小。采用器件仿真軟件Sentaurus-SDevice對本發明所提出的結構進行初步仿真。在仿真中，所有的CRD寬度均為200um，陽極和陰極之間的距離固定為(LAC)為7um，陰極與D-modeMIS-HEMT距離為0或1um。柵極長度分別為1、1.5、2um，AlGaN層厚度分別為2、4、6nm，Al2O3鈍化層厚度分別為0、5、10、20nm。仿真中各個CRD器件的詳細參數如表1所示。仿真中直接使用Sentaurus軟件中的與實際器件擬合度很高的極化模型，在Al2O3鈍化層與AlGaN勢壘層界面引入1013cm-2數量級的施主能級陷阱，在AlGaN與GaN緩沖層中引入1017cm-3數量級的深能級受主陷阱以表征體缺陷。表1.仿真中所用到的器件參數LGC/umLG/umTAlGaN/nmTAl2O3/nmCRD101220CRD201420CRD301620CRD401.5220CRD501.5420CRD601.5620CRD702220CRD802420CRD902620CRD1001.540CRD1101.545CRD1201.5410CRD130.51420圖5所示為不同Al2O3鈍化層厚度的CRD正向I-V特性曲線，隨著鈍化層厚度的增加，恒定電流變大，主要原因可能是由于鈍化層的存在，能有效地抑制電流崩塌效應，使恒定電流增加，而且隨這鈍化層厚度的增加，抑制電流崩塌的效果越明顯。圖6所示為不同AlGaN勢壘層厚度的CRD的正向I-V特性曲線，隨著勢壘層厚度的增加，恒定電流逐漸變大，最大恒定電流能夠達到120mA，擊穿電壓能達到200V，遠大于常規的硅基CRD器件。恒定電流變大的主要原因是隨著AlGaN厚度的增加，在異質結處形成的2DEG電子濃度越大，使恒定電流逐漸變大。圖7所示為器件柵極長度及柵源之間長度變化時，CRD的正向I-V特性曲線。隨著柵極長度的增加，恒定電流逐漸變小，主要原因是柵極長度變寬時，當柵極電壓足夠負時，柵極下方溝道夾斷的區域越大，從而使柵極下方溝道等效電阻越大，輸出的恒定電流就越小。當前第1頁1 2 3