1.本实用新型涉及半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种氧化镓肖特基二极管。
背景技术：
2.氧化镓(ga2o3)是第三代宽带隙半导体材料，其禁带宽度为4.5ev～4.9ev，理论击穿场强达到了8mv/cm，远大于碳化硅(sic)的2.5mv/cm和氮化镓(gan)的3.3mv/cm。除此之外，氧化镓的巴利伽(baliga)优值(3214)是gan的4倍,是sic的10倍，因此氧化镓材料在制作大功率器件领域具有较好的应用前景。
3.氧化镓肖特基二极管在正向导通的时候应当具有较低的特征导通电阻，在反向关断的时候应当具有较高的击穿电压，从而得到较高的功率品质因子(pfom)。降低氧化镓肖特基二极管漂移层的掺杂
浓度或增加氧化镓肖特基二极管漂移层的厚度可以提高击穿电压，但会导致特征导通电阻增大，因此击穿电压和特征导通电阻之间存在固有的矛盾关系，制约着氧化镓肖特基二极管的功率品质因子的提升。除此之外，氧化镓肖特基二极管的阳极金属边缘的电场聚集效应非常严重，局部过大的电场使得器件在肖特基结边缘处更容易发生击穿，导致器件的实际击穿电压远低于氧化镓材料理论的击穿电压值。
技术实现要素：
4.本实用新型的目的是：提供一种氧化镓肖特基二极管，能有效缓解肖特基结处的电场聚集效应，提高反向击穿电压，从而提升氧化镓肖特基二极管的功率品质因子。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种氧化镓肖特基二极管，其自下至上依次包括：阴极金属、衬底、n型ga2o3
外延层和阳极金属，还包括sio2
保护环和sio2场板；
6.
所述sio2保护环设于所述衬底的上方并贯穿所述n型ga2o3外延层，所述sio2保护环的厚度与所述n型ga2o3外延层的厚度相同，且所述sio2保护环的上表面与所述n型ga2o3外延层的上表面平齐，所述sio2保护环的下表面与所述n型ga2o3外延层的下表面平齐；所述阳极金属设于所述sio2保护环的上方，且其外径小于所述sio2保护环的外径；
7.所述sio2场板设于所述sio2保护环的上方，且位于所述阳极金属的外周；所述sio2场板为环形，所述sio2场板的外径小于所述n型ga2o3外延层的外径，所述sio2场板的内周壁嵌入所述阳极金属中；
8.所述n型ga2o3外延层自下至上依次包括第一导电漂移层和第二导电漂移层，所述第一导电漂移层的掺杂浓度大于所述第二导电漂移层的掺杂浓度。
9.具体地，所述n型ga2o3外延层还包括设于所述第二导电漂移层上方的第三导电漂移层，所述第二导电漂移层的掺杂浓度大于所述第三导电漂移层的掺杂浓度。
10.具体地，所述第一导电漂移层的掺杂浓度为10
19
/cm3量级，所述第二导电漂移层的掺杂浓度为10
16
/cm3量级，所述第三导电漂移层的掺杂浓度与所述第二导电漂移层的掺杂浓度为同一量级。
11.具体地，所述衬底、所述n型ga2o3外延层均采用单晶ga2o3材料制成。
12.具体地，所述衬底的掺杂浓度在10
18
/cm3量级到10
20
/cm3量级之间。
13.具体地，所述阳极金属与所述n型ga2o3外延层的环形接触面，其外径d与内径d之差为
△
d，其中，1μm≤
△
d≤50μm。
14.具体地，所述n型ga2o3外延层的厚度设为h，其中，5μm≤h≤10μm。
15.具体地，所述sio2场板的厚度设为h，其中，100nm≤h≤500nm。
16.本实用新型的一种氧化镓肖特基二极管，与现有技术相比，其有益效果在于：
17.通过将sio2保护环的厚度设置为与n型ga2o3外延层的厚度保持一致，sio2保护环贯穿n型ga2o3外延层，使得阳极金属与n型ga2o3外延层的交界面处的电场先到达ga2o3的击穿电场，从而器件的击穿电压就由阳极金属与n型ga2o3外延层的交界面处电场决定，优化了氧化镓肖特基二极管内部的电场分布情况；进一步地，本实用新型通过将n型ga2o3外延层进行掺杂浓度的优化设计，根据掺杂浓度的不同从下至上依次分为第一导电漂移层、第二导电漂移层，即靠近阳极金属的导电漂移层的掺杂浓度较低，靠近衬底的导电漂移层的掺杂浓度较高，可以在保持低特征导通电阻的同时优化氧化镓肖特基二极管内部的电场分布，从而提高击穿电压，进而提高氧化镓肖特基二极管的功率品质因子。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管的结构示意图；
19.图2是本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管与未进行优化掺杂分布的氧化镓肖特基二极管的正向导通电流对比情况图；
20.图3是本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管与未进行优化掺杂分布的氧化镓肖特基二极管的反向击穿时内部电场对比情况图；
21.图中，1、阴极金属；2、衬底；3、n型ga2o3外延层；31、第一导电漂移层；32、第二导电漂移层；33、第三导电漂移层；4、阳极金属；5、sio2保护环；6、sio2场板；7、环形接触面。
具体实施方式
22.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.如图1所示，本实用新型优选实施例的一种氧化镓肖特基二极管，其自下至上依次包括：阴极金属1、衬底2、n型ga2o3外延层3和阳极金属4，还包括sio2保护环5和sio2场板6；所述sio2保护环5设于所述衬底2的上方并贯穿所述n型ga2o3外延层3，所述sio2保护环5的厚度与所述n型ga2o3外延层3的厚度相同，且所述sio2保护环5的上表面与所述n型ga2o3外延
层3的上表面平齐，所述sio2保护环5的下表面与所述n型ga2o3外延层3的下表面平齐；所述阳极金属4设于所述sio2保护环5的上方，且其外径小于所述sio2保护环5的外径；所述sio2场板6设于所述sio2保护环5的上方，且位于所述阳极金属4的外周；所述sio2场板6为环形，所述sio2场板6的外径小于所述n型ga2o3外延层3的外径，所述sio2场板6的内周壁嵌入所述阳极金属4中；所述n型ga2o3外延层3自下至上依次包括第一导电漂移层31和第二导电漂移层32，所述第一导电漂移层31的掺杂浓度大于所述第二导电漂移层32的掺杂浓度。
25.基于本实施例的氧化镓肖特基二极管，其通过将sio2保护环5的厚度设置为与n型ga2o3外延层3的厚度保持一致，sio2保护环5贯穿n型ga2o3外延层3，使得阳极金属4与n型ga2o3外延层3的交界面处的电场先到达ga2o3的击穿电场，从而器件的击穿电压就由阳极金属4与n型ga2o3外延层3的交界面处电场决定，优化了氧化镓肖特基二极管内部的电场分布情况；进一步地，本实用新型通过将n型ga2o3外延层3进行掺杂浓度的优化设计，根据掺杂浓度的不同从下至上依次分为第一导电漂移层31、第二导电漂移层32，即靠近阳极金属4的导电漂移层的掺杂浓度较低，靠近衬底2的导电漂移层的掺杂浓度较高，可以在保持低特征导通电阻的同时优化氧化镓肖特基二极管内部的电场分布，从而提高击穿电压，进而提高氧化镓肖特基二极管的功率品质因子。
26.优选地，所述n型ga2o3外延层3还包括设于所述第二导电漂移层32上方的第三导电漂移层33，所述第二导电漂移层32的掺杂浓度大于所述第三导电漂移层33的掺杂浓度。
27.优选地，所述第一导电漂移层31的掺杂浓度为10
19
/cm3量级，所述第二导电漂移层32的掺杂浓度为10
16
/cm3量级，所述第三导电漂移层33的掺杂浓度与所述第二导电漂移层32的掺杂浓度为同一量级。
28.优选地，所述衬底2、所述n型ga2o3外延层3均采用单晶ga2o3材料制成。
29.优选地，所述衬底2的掺杂浓度在10
18
/cm3量级到10
20
/cm3量级之间。
30.优选地，所述阳极金属4与所述n型ga2o3外延层3的环形接触面7，其外径d与内径d之差为
△
d，其中，1μm≤
△
d≤50μm。
31.优选地，所述n型ga2o3外延层3的厚度设为h，其中，5μm≤h≤10μm。
32.优选地，所述sio2场板6的厚度设为h，其中，100nm≤h≤500nm。
33.为验证本实用新型的氧化镓肖特基二极管的有益效果，对本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管的正向导通电阻、反向击穿电压进行了仿真研究，本实用新型实施例采用的主要参数如表1，所参照的未进行优化掺杂分布的氧化镓肖特基二极管的n型ga2o3外延层3的厚度为10μm，掺杂浓度为5
×
10
16
/cm3，图2至图3分别为采用该仿真参数的本实用新型实施例的正向导通电阻、反向击穿电压与未进行优化掺杂分布的氧化镓肖特基二极管(附图中称为传统器件)的正向导通电阻、反向击穿电压的对比情况。
34.表1主要仿真参数
[0035][0036]
如图2所示，本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管与未进行优化掺杂分布的
氧化镓肖特基二极管的正向导通电流一致，即具有相同的特征导通电阻，说明本实用新型的氧化镓肖特基二极管结构并未对其特征导通电阻性能产生不利影响。
[0037]
图3为本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管与未进行优化掺杂分布的氧化镓肖特基二极管的沿着二极管中央纵向上的电场分布对比图，结果表明，经过优化掺杂分布的本实用新型实施例的氧化镓肖特基二极管，氧化镓肖特基二极管内部的电场分布得到优化，击穿电压得到提升。
[0038]
经过计算，本实用新型实施例的特征导通电阻、击穿电压和pfom分别为3mω
·
cm2、4436v和6.6gw/cm2，未进行优化掺杂分布的氧化镓肖特基二极管的特征导通电阻、击穿电压和pfom分别为3mω
·
cm2、3706v和4.6gw/cm2。因此，本实用新型实施例提供的氧化镓肖特基二极管，其在保证了较优的特征导通电阻的前提下，击穿电压得到有效提高，从而功率品质因子得到提升。
[0039]
综上，本实用新型实施例提供的一种氧化镓肖特基二极管，通过将sio2保护环5的厚度设置为与n型ga2o3外延层3的厚度保持一致，sio2保护环5贯穿n型ga2o3外延层3，使得阳极金属4与n型ga2o3外延层3的交界面处的电场先到达ga2o3的击穿电场，从而器件的击穿电压就由阳极金属4与n型ga2o3外延层3的交界面处电场决定，优化了氧化镓肖特基二极管内部的电场分布情况；进一步地，本实用新型通过将n型ga2o3外延层3进行掺杂浓度的优化设计，根据掺杂浓度的不同从下至上依次分为第一导电漂移层31、第二导电漂移层32，即靠近阳极金属4的导电漂移层的掺杂浓度较低，靠近衬底2的导电漂移层的掺杂浓度较高，可以在保持低特征导通电阻的同时优化氧化镓肖特基二极管内部的电场分布，从而提高击穿电压，进而提高氧化镓肖特基二极管的功率品质因子。
[0040]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。
技术特征：
1.一种氧化镓肖特基二极管，其自下至上依次包括：阴极金属、衬底、n型ga2o3外延层和阳极金属，其特征在于，还包括sio2保护环和sio2场板；所述sio2保护环设于所述衬底的上方并贯穿所述n型ga2o3外延层，所述sio2保护环的厚度与所述n型ga2o3外延层的厚度相同，且所述sio2保护环的上表面与所述n型ga2o3外延层的上表面平齐，所述sio2保护环的下表面与所述n型ga2o3外延层的下表面平齐；所述阳极金属设于所述sio2保护环的上方，且其外径小于所述sio2保护环的外径；所述sio2场板设于所述sio2保护环的上方，且位于所述阳极金属的外周；所述sio2场板为环形，所述sio2场板的外径小于所述n型ga2o3外延层的外径，所述sio2场板的内周壁嵌入所述阳极金属中；所述n型ga2o3外延层自下至上依次包括第一导电漂移层和第二导电漂移层，所述第一导电漂移层的掺杂浓度大于所述第二导电漂移层的掺杂浓度。2.根据权利要求1所述的氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述n型ga2o3外延层还包括设于所述第二导电漂移层上方的第三导电漂移层，所述第二导电漂移层的掺杂浓度大于所述第三导电漂移层的掺杂浓度。3.根据权利要求1所述的氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述衬底、所述n型ga2o3外延层均采用单晶ga2o3材料制成。4.根据权利要求1所述的氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述阳极金属与所述n型ga2o3外延层的环形接触面，其外径d与内径d之差为
△
d，其中，1μm≤
△
d≤50μm。5.根据权利要求1所述的氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述n型ga2o3外延层的厚度设为h，其中，5μm≤h≤10μm。6.根据权利要求1所述的氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述sio2场板的厚度设为h，其中，100nm≤h≤500nm。
技术总结
本实用新型涉及半导体功率器件技术领域，公开了一种氧化镓肖特基二极管，其自下至上包括阴极金属、衬底、n型Ga2O3外延层和阳极金属，还包括SiO2保护环和SiO2场板，SiO2保护环贯穿n型Ga2O3外延层，且其上、下表面与n型Ga2O3外延层的上、下表面平齐，阳极金属的外径小于SiO2保护环的外径；SiO2场板为环形，设于SiO2保护环的上方，位于阳极金属的外周，其内周壁嵌入阳极金属，且其外径小于n型Ga2O3外延层的外径；n型Ga2O3外延层自下至上包括掺杂浓度依次递减的第一导电漂移层、第二导电漂移层。本实用新型通过将SiO2保护环厚度设置为与n型Ga2O3外延层一致，和优化n型Ga2O3外延层的掺杂浓度分布，使得在保持特征导通电阻的同时提高击穿电压，从而提高二极管的功率品质因子。从而提高二极管的功率品质因子。从而提高二极管的功率品质因子。
技术研发人员：
韩根全 贾晓乐
受保护的技术使用者：
西安电子科技大学杭州研究院
技术研发日：
2022.10.12
技术公布日：
2023/2/27
