半导体结构、半导体组件及功率半导体器件制造技术

本发明专利技术提供一种半导体结构、半导体组件及功率半导体器件，半导体结构包括：P型半导体材料层；N型半导体材料层，与所述P型半导体材料层相邻接，与所述P型半导体材料层共同形成PN结；多层绝缘材料层，位于所述PN结的外侧，且沿所述P型半导体材料层与所述N型半导体材料层叠置的方向分布，相邻所述绝缘材料层的相对介电常数不同。本发明专利技术的半导体结构显著优化了器件耐压时的电场分布，大幅提高了器件的击穿电压；避免了结边缘电场集中效应而导致的器件耐压下降，防止了器件提前击穿；本发明专利技术避免使用场环和金属场板结构，从而减小了芯片面积，降低了器件的成本，提高了器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，特别是涉及一种半导体结构、半导体组件及功率半导体器件。
技术介绍
功率半导体二极管是电路系统的关键部件，是功率半导体的基础，其结构简单，工作可靠性好，广泛适用于民用和军用场合。尤其是宽禁带半导体功率二极管，由于具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优良特性，特别适用于高压、大功率和高温环境下应用，是电力电子应用中最具潜力的功率器件之一。图1为现有技术的传统二极管结构示意图，主要包括：P型掺杂区11、N型掺杂区12、阳极13及阴极14；其中，所述P型掺杂区11与所述N型掺杂区12形成PN结，所述阳极13与所述P型掺杂区11形成欧姆接触，所述阴极14与所述N型掺杂区12形成欧姆接触。然而，上述二极管结构存在如下问题：1)PN结电场分布曲线呈三角形，其耐压与低掺杂一侧掺杂浓度呈负相关，并且受限于雪崩击穿，掺杂浓度越低，三角形的底越长，三角形的高即最大电场强度越小，就越不容易达到雪崩击穿所要求的临界击穿电场Ec，在不改变掺杂浓度的情况下，随着低掺杂区长度的增加，耐压将先增加后饱和，这限制了其耐压的进一步提升；2)由于势垒区宽度在曲率半径小的地方会变窄，使该处的电场更加集中，因此在相同的电压条件下，结面弯曲处的电场强度会比在结面平坦处更早达到雪崩击穿的临界电场强度，从而使实际PN结比理想的平面结提前发生击穿，使雪崩击穿电压降低，器件的击穿电压只有理想平面结的80％。为了提高传统二极管结构的击穿电压以及避免PN结边缘导致的提前击穿和长期稳定性的降低，通常采用以下技术手段来进行改进：(1)穿通设计PiN结外加反向偏压时，全部电场由PN结承担，随着反向偏压的不断增加，电场强度会随之增加同时在轻掺杂的N区向外扩展。若轻掺杂的N区浓度足够低，在未达到器件雪崩击穿电压之前电场就会扩展到重掺杂的N区，随着反向偏压的增加，最终在重掺杂的N区发生雪崩击穿。由于PIN结的势垒厚度(轻掺杂的N区)很大，并且电场在I型层中的分布基本上是均匀的，并不容易发生雪崩击穿，所以PiN结能够承受很大的反向电压。(2)结终端技术(a)使用浮空场环技术。当加在主结上的电压逐渐增大，主结的耗尽区也逐渐往外扩展，电压增大到主结的雪崩电压之前，两个结的耗尽区就已经汇合，起到增大结曲率半径的作用，提高击穿电压。然而，依靠增加浮空场环来提高击穿电压的作用会减弱，场环终端区占据了更多的面积导致芯片面积和成本的增加。(b)使用场板技术。它是通过改变表面电势分布使曲面结的曲率半径增大，抑制表面电场集中，从而提高器件击穿电压。但是场板存在一个固有的缺点是在其边缘存在峰值电场，影响器件的耐压。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种半导体结构、半导体组件及功率半导体器件，用以解决现存技术中的二极管结构存在的击穿电压较小、耐压能力较低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种半导体结构，所述半导体结构包括：P型半导体材料层；N型半导体材料层，与所述P型半导体材料层相邻接，与所述P型半导体材料层共同形成PN结；多层绝缘材料层，位于所述PN结的外侧，且沿所述P型半导体材料层与所述N型半导体材料层叠置的方向分布，相邻所述绝缘材料层的相对介电常数不同。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述P型半导体材料层的厚度远小于所述N型半导体材料层的厚度。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述多层绝缘材料层沿所述P型半导体材料层与所述N半导体材料层叠置的方向依次叠置为叠层结构，且所述叠层结构的内壁与所述PN结的外壁相接触。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述P型半导体材料层的外侧为同一绝缘材料层，所述P型半导体材料层外侧绝缘材料层的相对介电常数大于所述P型半导体材料层的相对介电常数。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述PN结的外壁与同一绝缘材料层相接触，与所述PN结的外壁相接触的所述绝缘材料层包括第一部分及第二部分，所述第一部分的横向厚度大于第二部分的横向厚度；所述第一部分位于所述P型半导体材料层的外侧及部分所述N型半导体材料层的外侧，所述第二部分位于所述N型半导体材料层的外侧；其他所述绝缘材料层位于所述第二部分的外侧，且沿所述P型半导体材料层与所述N半导体材料层叠置的方向依次叠置。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述P型半导体材料层外侧绝缘材料层的相对介电常数大于所述P型半导体材料层的相对介电常数。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，部分所述绝缘材料层的相对介电常数相同。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，各所述绝缘材料层的相对介电常数互不相同。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，自所述P型半导体材料层至所述N型半导体材料层的方向各所述绝缘材料层的相对介电常数依次减小。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述PN结的形状为圆柱体，包括两圆形端面及位于所述两圆形端面之间的弧形侧壁，所述绝缘材料层位于所述弧形侧壁上。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述PN结的形状为立方体，所述绝缘材料层位于所述PN结相对的两侧壁上。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述绝缘材料层的层数为2～10层。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述绝缘材料层的相对介电常数为1～1000。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述绝缘材料层的材料为SiO2、HfO2、Al2O3、HaO2、Si3N4或La2O3。作为本专利技术的半导体结构的一种优选方案，所述半导体结构还包括阳极及阴极，所述阳极位于所述P型半导体材料层的表面及所述P型半导体材料层外侧的所述绝缘材料层表面，所述阴极位于所述N型半导体材料层的表面及所述N型半导体材料层外侧的所述绝缘材料层表面。本专利技术还提供一种半导体组件，所述半导体组件包括多个如上述任一方案中所述的半导体结构；多个所述半导体结构呈一字排列以形成并联结构。本专利技术还提供一种功率半导体器件，所述功率半导体器件包括上述任一方案中所述的半导体结构。如上所述，本专利技术的半导体结构、半导体组件及功率半导体器件，具有以下有益效果：1)显著优化了器件耐压时的电场分布，大幅提高了器件的击穿电压。2)避免了结边缘电场集中效应而导致的器件耐压下降，防止了器件提前击穿。3)本专利技术避免使用场环和金属场板结构，从而减小了芯片面积，降低了器件的成本，提高了器件的可靠性。附图说明图1显示为现有技术中的二极管的截面结构示意图。图2显示为本专利技术实施例一中提供的半导体结构的截面结构示意图。图3至图5显示为本专利技术实施例一中提供的不同示例中的半导体结构与图1中的二极管的电流电压曲线。图6显示为本专利技术实施例一中提供的半导体结构与图1中的二极管的击穿偏置点电场Ey沿x＝1，y方向的分布图。图7及图8显示为本专利技术实施例二中提供的半导体结构的立体结构示意图。图9显示为本专利技术实施例二中提供的半导体结构的截面结构示意图。图10至图12显示为本专利技术实施例二中提供的不同示例中的半导体结构与图1中的二极管的电流电压曲线。图13显示为本专利技术实施例二中提供的半导体结构与图1中的二极管的击穿偏置点电场Ey沿x＝1，y方向的分布图。图14显示为本专利技术实施例三中提供的半导体组件的立体结构示意图。图15显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括：P型半导体材料层；N型半导体材料层，与所述P型半导体材料层相邻接，与所述P型半导体材料层共同形成PN结；多层绝缘材料层，位于所述PN结的外侧，且沿所述P型半导体材料层与所述N型半导体材料层叠置的方向分布，相邻所述绝缘材料层的相对介电常数不同。

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括：P型半导体材料层；N型半导体材料层，与所述P型半导体材料层相邻接，与所述P型半导体材料层共同形成PN结；多层绝缘材料层，位于所述PN结的外侧，且沿所述P型半导体材料层与所述N型半导体材料层叠置的方向分布，相邻所述绝缘材料层的相对介电常数不同。2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述P型半导体材料层的厚度远小于所述N型半导体材料层的厚度。3.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述多层绝缘材料层沿所述P型半导体材料层与所述N半导体材料层叠置的方向依次叠置为叠层结构，且所述叠层结构的内壁与所述PN结的外壁相接触。4.根据权利要求3所述的半导体结构，其特征在于：所述P型半导体材料层的外侧为同一绝缘材料层，所述P型半导体材料层外侧绝缘材料层的相对介电常数大于所述P型半导体材料层的相对介电常数。5.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于：所述PN结的外壁与同一绝缘材料层相接触，与所述PN结的外壁相接触的所述绝缘材料层包括第一部分及第二部分，所述第一部分的横向厚度大于第二部分的横向厚度；所述第一部分位于所述P型半导体材料层的外侧及部分所述N型半导体材料层的外侧，所述第二部分位于所述N型半导体材料层的外侧；其他所述绝缘材料层位于所述第二部分的外侧，且沿所述P型半导体材料层与所述N半导体材料层叠置的方向依次叠置。6.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于：所述P型半导体材料层外侧绝缘材料层的相对介电常数大于所述P型半导体材料层的相对介电常数。7.根据权利要求3至6中任一项所述的半导体结构，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜江锋，李振超，刘东，白智元，于奇，李述洲，
申请(专利权)人：电子科技大学，重庆平伟实业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51