一种多沟道GaN肖特基二极管及其在微波整流电路中的应用

一种多沟道gan肖特基二极管及其在微波整流电路中的应用
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体是一种多沟道gan肖特基二极管及在微波整流电路中的应用。


背景技术：

2.随着科技的发展，人们对于大功率无线能量传输的需求也越来越多。微波无线能量传输(microwave wireless power transmission,mpt)技术可实现高功率远距离的电能传输，在针对灾区、无人机、传感器网络等特殊对象的应急供电中具有显著优势。
3.mpt系统由发射端和接收端组成，接收端将捕获发射端天线辐射的微波能量，通过整流电路转换成直流功率。整流电路由输入滤波器、输入匹配电路、肖特基二极管以及输出直通滤波器组成。目前常用的肖特基二极管主要是来自avago科技的硅基二极管以及macom公司的砷化镓二极管。但是，受限于硅和砷化镓材料窄禁带属性，其击穿电压受限，无法满足高功率的微波整流电路的要求。微波整流电路承受的功率大小受肖特基二极管影响。为了提高微波整流电路的功率容量，需要肖特基二极管具备：低反向泄漏电流、高击穿电压。
4.与具有单个二维电子气(2d electron gas,2deg)通道的gan肖特基二极管相比，具有多个2deg通道结构的gan肖特基二极管可以具有更高的电子迁移率和更低的材料方阻，从而进一步降低串联电阻，提高微波整流电路的转换效率。但是，多沟道二极管具有多个algan/gan异质结，极化效应产生的电荷增多，这将使降低反向泄漏电流和提高击穿电压变得非常具有挑战性。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足之处，本发明提出一种多沟道gan肖特基二极管，用于解决现有技术中反向泄漏电流大且击穿电压低的问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案：
7.一种多沟道gan肖特基二极管，包括周期性多沟道结构，该周期性多沟道结构与衬底之间设置有缓冲层，所述周期性多沟道结构的一端设置有阴极，所述周期性多沟道结构的另一端设置有阳极，所述阳极沿所述周期性多沟道结构的上表面方向延伸出上场板和下场板，所述下场板与周期性多沟道结构的上表面之间设置有下钝化层，所述上场板与该下钝化层之间设置有上钝化层。
8.进一步地，所述下场板嵌于所述上钝化层的底部。
9.进一步地，所述上场板长于所述下场板。
10.进一步地，所述上钝化层与下钝化层的材质不同。
11.进一步地，所述上钝化层的材质为hfsio4，所述下钝化层的材质为si3n4。
12.进一步地，所述阳极与阴极间的间距l
ac
为5μm，所述上场板延伸到上钝化层的长度l1的取值范围为0.5～3μm，所述下场板延伸到下钝化层的长度l2的取值范围为0.5～2.5μm，所述上钝化层的厚度的取值范围为50～200nm，所述下钝化层的厚度的取值范围为50～
200nm，所述周期性多沟道结构为五周期的algan势垒层与gan沟道层相间的异质结多沟道层结构。
13.进一步地，所述缓冲层中还设置有与之平行的背势垒层。
14.进一步地，所述背势垒层为厚度范围5～25nm的ga2o3材质层，所述缓冲层为厚度3μm的gan材质层，所述周期性多沟道结构的厚度为300nm。
15.本发明还公开了上述多沟道gan肖特基二极管在微波整流电路中的应用。
16.本发明采用双层场板混合钝化层(double field-hybrid passivation,df-hp)结构来提高多沟道gan肖特基二极管的击穿电压；以及采用氧化镓(ga2o3)作为背势垒材料来减小多沟道gan肖特基二极管的反向泄漏电流。本发明的肖特基二极管应用于微波整流电路时，因其具备低反向泄漏电流、高击穿电压，能够增大微波整流电路的功率容量。
附图说明
17.图1是本发明一种实施例中多沟道gan肖特基二极管的剖面结构图。
18.图2是本发明一种实施例中二极管有无df-hp结构的对比图。
19.图3是本发明图2所示实施例中多沟道gan肖特基二极管沿2deg横向电场分布对比图。
20.图4是单沟道gan肖特基二极管有无本发明一种实施例中ga2o3背势垒层的泄漏通道对比图。
21.图5是多沟道gan肖特基二极管有无本发明一种实施例中ga2o3背势垒层的电学特性曲线对比图。
22.图6是不同阴阳极间距下有无背势垒结构多沟道gan二极管导通电阻变化趋势图。
23.图7是本发明一种实施例中df-hp结构与单层场板单一钝化层结构的多沟道gan肖特基二极管的电学特性对比图。
24.图8是本发明一种实施例中微波整流电路的结构图。
25.图9是本发明一种实施例中微波整流电路在不同输入功率下转换效率及输出电压变化趋势图。
26.图10是本发明一种实施例中微波整流电路在不同负载电阻下转换效率及输出电压变化趋势图。
27.图中：1、衬底；2、缓冲层；3、阴极；4、阳极；5、上场板；6、下场板；7、上钝化层；8、下钝化层；9、输入滤波器；11、输出直通滤波器；12、肖特基二极管；13、周期性多沟道结构；14、背势垒层。
具体实施方式
28.下面将结合本技术公开实施例中的附图，对本技术公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术公开及其应用或使用的任何限制。基于本技术公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术公开保护的范围。
29.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表
达式和数值不限制本技术公开的范围。
30.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
31.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
32.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
33.下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。
34.与单沟道gan肖特基二极管相比，多沟道gan肖特基二极管可以具有更高的电子浓度和更低的材料方阻，降低串联电阻，提高微波整流电路的转换效率。但是，由于多沟道gan肖特基二极管具有多个2deg层，电荷增多，这将使降低反泄漏电流、提高击穿电压变得非常具有挑战性。
35.本方案采用由上场板和下场板构成的双层场板混合钝化层结构来调制二极管的电场分布，提高多沟道gan肖特基二极管的击穿电压。
36.作为一种实施例的具体结构，如图1所示，一种多沟道gan肖特基二极管12，包括周期性多沟道结构13，该周期性多沟道结构13与衬底1之间设置有缓冲层2，所述周期性多沟道结构13的一端设置有阴极3，所述周期性多沟道结构13的另一端设置有阳极4，所述阳极4沿所述周期性多沟道结构13的上表面方向延伸出上场板5和下场板6，所述下场板6与周期性多沟道结构13的上表面之间设置有下钝化层8，所述上场板5与该下钝化层8之间设置有上钝化层7。
37.接下来通过有无df-hp结构来对比分析本发明的双层场板混合钝化层的效果，图2中的上方的结构为df-hp结构，图2中的下方的结构为无df-hp结构的普通结构。由于对电场强度积分表示电压，所以二极管的击穿电压可以用击穿时电场所围成的面积表示。如图3所示，多沟道gan肖特基二极管12沿2deg横向电场分布对比图，肖特基二极管12添加了df-hp结构后引入了新的电场尖峰，使得电场的分布由三角形分布变成了近似梯形分布，电场的整体分布更加均匀，电场围成的面积更大，所以二极管的击穿电压更大。
38.df-hp结构与单层场板单一钝化层结构的多沟道gan肖特基二极管12的电学特性对比。正向特性对比如图7中左图所示。对比图中左侧半对数坐标下的正向特性曲线可知，df-hp结构开启电压为0.35v，与单层场板结构二极管相比几乎不变。由右侧线性坐标下正向特性曲线对比结果可得，当给二极管施加3v的正向偏置电压时，df-hp结构二极管的正向电流密度为1028ma/mm，此时串联电阻为2.48ω。
39.图7中右图展示了采用单层场板与df-hp结构二极管的反向特性对比。得益于电场分布的调制，二极管的击穿电压从单层场板的296v提高至df-hp结构的372v，增大了25.6％。相较于单层场板结构二极管，df-hp结构二极管反向泄漏电流为2.1
×
10-7
a/mm，变化很小。
40.作为优选设计，所述下场板6嵌于所述上钝化层7的底部；所述上场板5长于所述下场板6。钝化层的嵌入结构用于提高钝化层的介电常数，调制阳极4场板边缘的电场，均匀电场分布，提高击穿电压。在对比上场板5长度和下场板6长度变化时的电学特性时，上场板5长度更长时，二极管的击穿电压较大，这里选用上场板5更长的设计是优选结构。
41.另一优选设计来说，所述上钝化层7与下钝化层8的材质不同。所述上钝化层7的材质为hfsio4，所述下钝化层8的材质为si3n4。在钝化层嵌入结构的设计下，si3n4介电常数7，hfsio4介电常数11，电学特性较好。
42.作为现有技术的另一方面改进，本发明还通过添加ga2o3背势垒层14来增强对多沟道gan肖特基二极管12二维电子气的限域性，具体是所述缓冲层2中还设置有与之平行的背势垒层14，以提高ga2o3/gan界面处的导带，抑制gan缓冲层2的泄漏通道，降低二极管的反向泄漏电流，同时提高击穿电压，而且ga2o3/gan界面处不会产生额外的泄漏通道。
43.同样，通过有无ga2o3背势垒层14来对比ga2o3背势垒层14的技术效果，如图4所示，此时二极管未采用df-hp结构，并通过仿真得到电学特性曲线图5。通过图5可知，添加背势垒结构后，二极管的开启电压从0.3v增大至0.34v。当给二极管施加3v的正向偏压时，正向电流密度从没有ga2o3背势垒层14的1023ma/mm提升到有背势垒层14的1039ma/mm。多沟道gan二极管未添加背势垒层14时的反向泄漏电流为6.26
×
10-6
a/mm，添加ga2o3背势垒层14的二极管反向泄漏电流为2.05
×
10-7
a/mm，降低了一个数量级。得益于反向泄漏电流的降低，二极管击穿特性也得到了改善，提前击穿的可能性降低。所以二极管的击穿电压大幅提升，从无ga2o3背势垒结构时的240v提高至有ga2o3背势垒结构时的296v，提升了23.3％。
44.本发明为进一步对比添加ga2o3背势垒层14与未添加背势垒层14时多沟道gan肖特基二极管12的导通电阻随阴阳极4间距的变化趋势，本发明给出了五组导通电阻对比图，对比结果如图6所示。此时，阴阳极4间距l
ac
为5μm、10μm、15μm、20μm和25μm。与未添加背势垒层14时二极管的导通电阻对比可以得出，添加背势垒结构二极管的导通电阻随阴阳极4间距增大而变化的范围变小。因此，与无背势垒结构的二极管相比，有背势垒结构的二极管正向特性受阴阳极4间距变化的影响较小。
45.以图1为一种具体实施例说明二极管的具体参数选择。如下面的结构参数表所示，
[0046][0047]
所述阳极4与阴极3间的间距l
ac
为5μm，所述上场板5延伸到上钝化层7的长度l1的取值范围为0.5～3μm，所述下场板6延伸到下钝化层8的长度l2的取值范围为0.5～2.5μm，所述上钝化层7的厚度的取值范围为50～200nm，所述下钝化层8的厚度的取值范围为50～200nm。所述周期性多沟道结构13为五周期的algan势垒层与gan沟道层相间的异质结多沟道层结构，所述背势垒层14为厚度范围5～25nm的ga2o3材质层，所述缓冲层2为厚度3μm的gan材质层。作为一组具体取值的二极管，异质结多沟道层结构的总厚度300nm，5nm的ga2o3背势垒层14以及3μm的gan缓冲层2。每个周期的algan/gan异质结多沟道结构由al组分为25％的20nm algan势垒层以及50nm gan沟道层组成。
[0048]
如上述实施例的多沟道gan肖特基二极管12在微波整流电路中的应用。选取案例参数为上下侧阳极4场板长度组合为l1/l2＝2.0/1.5μm、hfsio4/si3n4混合钝化层厚度设置为h
t
/h
l
＝100/100nm，背势垒层14厚度hb＝5nm。所述微波整流电路包括输入滤波器9、输入匹配电路、输出直通滤波器11以及所述的多沟道gan肖特基二极管12。微波整流电路如图8所示，图8中二极管的参数如下表所示。
[0049][0050]
在silvaco软件中进行图1所示的多沟道gan肖特基二极管12电学特性仿真，根据正向特性曲线以及反向特性曲线计算出二极管的spice参数，并带入ads软件中进行整流电路设计。
[0051]
在输入射频信号频率为5.8ghz下，负载电阻为320ω时输入功率与转换效率关系曲线如图9所示。当输入功率为38dbm时，本发明设计的肖特基二极管12达到80.2％的峰值转换效率，在20至39dbm的宽输入功率范围转换效率高于60％。输入功率变化时负载电阻与转换效率关系曲线如图10所示，转换效率大于70％的负载电阻范围为160～650ω。
[0052]
仿真结果表明，本发明设计的df-hp结构、背势垒多沟道gan肖特基二极管12达峰值转换效率时的输入功率较大，并且可以在较宽的输入功率范围内实现高转换效率，本发明提出的多沟道gan肖特基二极管12在高功率高效率微波无线能量传输方面具有巨大的潜力。
[0053]
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种多沟道gan肖特基二极管，包括周期性多沟道结构，该周期性多沟道结构与衬底之间设置有缓冲层，所述周期性多沟道结构的一端设置有阴极，其特征在于：所述周期性多沟道结构的另一端设置有阳极，所述阳极沿所述周期性多沟道结构的上表面方向延伸出上场板和下场板，所述下场板与周期性多沟道结构的上表面之间设置有下钝化层，所述上场板与该下钝化层之间设置有上钝化层。2.根据权利要求1所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述下场板嵌于所述上钝化层的底部。3.根据权利要求1所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述上场板长于所述下场板。4.根据权利要求1所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述上钝化层与下钝化层的材质不同。5.根据权利要求4所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述上钝化层的材质为hfsio4，所述下钝化层的材质为si3n4。6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述阳极与阴极间的间距l
ac
为5μm，所述上场板延伸到上钝化层的长度l1的取值范围为0.5～3μm，所述下场板延伸到下钝化层的长度l2的取值范围为0.5～2.5μm，所述上钝化层的厚度的取值范围为50～200nm，所述下钝化层的厚度的取值范围为50～200nm，所述周期性多沟道结构为五周期的algan势垒层与gan沟道层相间的异质结多沟道层结构。7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述缓冲层中还设置有与之平行的背势垒层。8.根据权利要求7所述的一种多沟道gan肖特基二极管，其特征在于：所述背势垒层为厚度范围5～25nm的ga2o3材质层，所述缓冲层为厚度3μm的gan材质层，所述周期性多沟道结构的厚度为300nm。9.如权利要求1～8所述的一种多沟道gan肖特基二极管在微波整流电路中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述微波整流电路包括输入滤波器、输入匹配电路、输出直通滤波器以及所述的多沟道gan肖特基二极管。

技术总结
本发明公开了一种多沟道GaN肖特基二极管，包括周期性多沟道结构，该周期性多沟道结构与衬底之间设置有缓冲层，所述周期性多沟道结构的一端设置有阴极，所述周期性多沟道结构的另一端设置有阳极，所述阳极沿所述周期性多沟道结构的上表面方向延伸出上场板和下场板，所述下场板与周期性多沟道结构的上表面之间设置有下钝化层，所述上场板与该下钝化层之间设置有上钝化层。本发明采用双层场板混合钝化层结构来提高多沟道GaN肖特基二极管的击穿电压；以及采用氧化镓(Ga2O3)作为背势垒材料来减小多沟道GaN肖特基二极管的反向泄漏电流。减小多沟道GaN肖特基二极管的反向泄漏电流。减小多沟道GaN肖特基二极管的反向泄漏电流。


技术研发人员：肖冬萍 何进 张淮清 熊汉
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/6