一种超结结构的碳化硅DSRD器件及脉冲功率发生器制造技术

本发明专利技术公开一种超结结构的碳化硅DSRD器件及脉冲功率发生器，包括：金属化阳极、高掺杂P+区、Pbase区、多个柱形高掺杂P区、多个柱形高掺杂N区、N+型衬底以及金属化阴极；金属化阴极位于N+型衬底下表面；多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区位于N+型衬底上表面，且柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区交替排布，柱形高掺杂P区位于柱形高掺杂N区的两侧，并与柱形高掺杂N区形成超结结构；Pbase区位于多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区的上表面，高掺杂P+区位于Pbase区的正上方，并与Pbase区接触，高掺杂P+区的上表面与金属化阳极接触。本发明专利技术提供的脉冲功率发生器的输出效率更高、输出电压更大、重复工作频率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种超结结构的碳化硅DSRD器件及脉冲功率发生器
本专利技术涉及半导体
，更具体地，涉及一种超结结构的碳化硅SiC漂移阶跃恢复二极管(DriftStepRecoveryDiode，DSRD)器件及脉冲功率发生器。
技术介绍
脉冲功率技术是指能量在相对较长的时间内存储起来，然后通过快速开关将此能量在很短的时间释放到负载上，产生高功率电脉冲的电物理技术，在电磁炮、高功率微波、核物理技术、污水净化等领域有广泛应用；现有技术中的脉冲功率发生器的储能方式多以电容储能和电感储能为主，传统的多采用火花隙开关，赝火花开关和触发真空开关作为放电开关。在开关连续关断的过程中，开关必须具有很高的关断频率，和极短的反向恢复时间，同时能承受较高的dV/dt。随着近些年来半导体脉冲功率开关发展迅速，越来越多的半导体开关被应用到脉冲功率应用上，如晶闸管、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、反向开关晶体管(RSD)。传统气体开关的耐压高，通流大，但开关重复频率低；晶闸管器件功率容量大，但是很难承受过高的电流上升率，为此很少用于主开关；IGBT可承受高频率开关，耐压高，通流能力强，但是价格相对昂贵。RSD能耐高压，通流能力强，但是开关工作频率低，制作工艺复杂，成本高。低功耗和耐高压是脉冲功率器件的两个基本特性。提高功率二极管性能通常有三种思路：控制少子寿命；改善器件结构；采用新型的半导体材料。通常利用金和铂的扩散采用高能电子辐照等引入复合中心的方法减少载流子寿命，进而减少器件正向导通时储存的电荷量，从而获得较快的开关速度，但这样会造成器件的硬恢复特性，漏电流增大。因此采用新结构和新材料成为提高器件性能的主要途径。在新材料方面，硅(Si)基功率器件的性能已经十分接近硅材料的极限，所以很难再提高。碳化硅(SiC)材料作为典型的第三代宽禁带半导体材料，具有高热导率、高电子饱和速度和高临界击穿电场，能满足高温、大电流、高频及强辐射工况下的应用。所以SiC是功率半导体领域继Si材料之后的首选材料。在新结构方面，增大器件的耐压通常的方法是增加漂移区厚度和减小漂移区掺杂浓度，但这样也会增大器件的正向导通电阻，增大功耗。如果要保持低功耗就需要提高掺杂浓度，这样又会降低耐压。这本身就是一个矛盾。陈星弼教授提出了一种超结结构(SuperJunction，SJ)，即用交替的高掺杂的pn结替换原来低掺杂的漂移区，横向电场的引入使纵向电场因二维电场效应由三角形或梯形分布变为矩形分布，从而打破了硅极限，改善了导通电阻RON和击穿电压VB之间的关系：RON∝BV1.32。功率半导体器件作为开关来讲，其基本要求是高耐压，低导通电阻和高开关速度。因此，现在如今的器件朝着两个重要的发展那方向：一是遵循传统功率半导体器件的发展轨迹，器件既耐高压，又具有较低导通电阻。二是向低导通电阻并具有优良开关特性的方向发展。这导致器件都具有一定的局限性，往往很难同时满足高耐压、低导通电阻和高开关速度。综上，现有脉冲功率发生器很难同时兼顾高电压、高dv/dt、高重复频率以及低损耗等重要特性。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决现有脉冲功率发生器很难同时兼顾高电压、高dv/dt、高重复频率以及低损耗等重要特性的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种超结结构的碳化硅DSRD器件，包括：金属化阳极、高掺杂P+区、Pbase区、多个柱形高掺杂P区、多个柱形高掺杂N区、N+型衬底以及金属化阴极；所述金属化阴极位于N+型衬底下表面；多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区位于N+型衬底上表面，且柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区交替排布，柱形高掺杂P区位于柱形高掺杂N区的两侧，并与柱形高掺杂N区形成超结结构；所述Pbase区位于多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区的上表面，所述高掺杂P+区位于Pbase区的正上方，并与Pbase区接触，高掺杂P+区的上表面与金属化阳极接触。其中，该器件结构均由SiC材料制成。可选地，所述柱形高掺杂P区的厚度与柱形高掺杂N区的厚度相等，其厚度主要决定整个碳化硅DSRD器件能承受的最大耐压值。可选地，所述柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区在横向形成了pn结；当金属化阳极接正电位，金属化阴极接零电位时，正向导通电阻随掺杂浓度的增加而减小。柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区形成的横向pn结耗尽区的宽窄和掺杂浓度有关，浓度越高，耗尽区越窄，浓度越低，耗尽区越宽，但当掺杂过高时，继续增加浓度值，耗尽区宽度基本不变，其对正向导通电阻的影响较小。随着正向电压不断增大，p柱和n柱之间形成的pn结正偏，耗尽区变窄，有效电流导通区域变大，为电流提供良好通路，减小导通电阻。当金属化阳极接负电位，金属化阴极接零电位时，柱形高掺杂N区的正电荷沿横向产生终止于柱形高掺杂P区的电场，在该电场作用下，空穴从柱形高掺杂P区扩散到柱形高掺杂N区，电子从柱形高掺杂N区漂移到柱形高掺杂P区，当高掺杂柱形P区和高掺杂柱形N区相互作用，达到电荷平衡时，漂移层完全耗尽，超结结构的电场从传统的三角形分布或梯形分布变成矩形分布，分布均匀，使击穿电压近似正比于柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区的掺杂浓度，提高柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区的厚度可进一步提高击穿电压。可选地，所述的高掺杂P+区和Pbase区可掺入的杂质为正三价的硼。可选地，所述柱形高掺杂N区掺入的杂质为正五价的磷。第二方面，本专利技术提供一种基于上述第一方面所述的碳化硅DSRD器件的脉冲功率发生器，包括：第一供电电源Vee、第二供电电源Vff、MOS控制开关管Q1、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3、肖特基二极管D、第一电阻R1、第二电阻R2、超结结构碳化硅DSRD、第一储能电容C1以及第二储能电容C2；所述MOS控制开关管Q1的栅极G接驱动信号，源极S接地，漏极D分别与第一储能电感L1的一端、第一储能电容C1的一端、第二电阻R2的一端以及肖基特二极管D的阳极相连；第一储能电感L1的另一端与第一供电电源Vee相连，第一储能电容C1的另一端接地，第二电阻R2的另一端和肖基特二极管D的阴极均与第二储能电感L2的一端相连，第二储能电感L2的另一端与分别与第三储能电感L3的一端和超结结构碳化硅DSRD的阴极相连，超结结构碳化硅DSRD的阳极与第二供电电源Vff相连；第三储能电感L3的另一端与第二储能电容C2的一端相连，第二储能电容C2的另一端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端接地。可选地，脉冲功率发生器的工作过程为：第一阶段，驱动信号为低电平时，MOS控制开关管Q1是断开的，第一储能电容C1和第二储能电容C2分别被充电到Vee和Vff；第二阶段，驱动信号为高电平时，MOS控制开关管Q1是闭合的，第一供电电源Vee给第一储能电感L1充电，导致通过第一储能电感L1的电流增加，第一储能电感L1的电流由MOS控制开关管Q1导通的持续时间确定；此时，第二供电电源Vff、超结结构碳化硅DSRD、第二储能电感L2、第二电阻R2到地组成回路，超结结构碳化硅DSRD正向导通，若超结结构碳化硅DSRD的正向电阻是可以忽略的，第二电阻R2的正向开通电流为：其中，表示MOS开关管闭合时，漏源极之间的导通电阻，T2代表时间常数，第三阶段，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超结结构的碳化硅DSRD器件，其特征在于，包括：金属化阳极、高掺杂P+区、Pbase区、多个柱形高掺杂P区、多个柱形高掺杂N区、N+型衬底以及金属化阴极；所述金属化阴极位于N+型衬底下表面；多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区位于N+型衬底上表面，且柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区交替排布，柱形高掺杂P区位于柱形高掺杂N区的两侧，并与柱形高掺杂N区形成超结结构；所述Pbase区位于多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区的上表面，所述高掺杂P+区位于Pbase区的正上方，并与Pbase区接触，高掺杂P+区的上表面与金属化阳极接触。

【技术特征摘要】
1.一种超结结构的碳化硅DSRD器件，其特征在于，包括：金属化阳极、高掺杂P+区、Pbase区、多个柱形高掺杂P区、多个柱形高掺杂N区、N+型衬底以及金属化阴极；所述金属化阴极位于N+型衬底下表面；多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区位于N+型衬底上表面，且柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区交替排布，柱形高掺杂P区位于柱形高掺杂N区的两侧，并与柱形高掺杂N区形成超结结构；所述Pbase区位于多个柱形高掺杂P区和多个柱形高掺杂N区的上表面，所述高掺杂P+区位于Pbase区的正上方，并与Pbase区接触，高掺杂P+区的上表面与金属化阳极接触。2.根据权利要求1所述的碳化硅DSRD器件，其特征在于，所述柱形高掺杂P区的厚度与柱形高掺杂N区的厚度相等，其厚度主要决定整个碳化硅DSRD器件能承受的最大耐压值。3.根据权利要求2所述的碳化硅DSRD器件，其特征在于，所述柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区在横向形成了pn结；当金属化阳极接正电位，金属化阴极接零电位时，碳化硅DSRD器件导通，柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区为电流提供良好通路，减小导通电阻；当金属化阳极接负电位，金属化阴极接零电位时，柱形高掺杂N区的正电荷沿横向产生终止于柱形高掺杂P区的电场，在该电场作用下，空穴从柱形高掺杂P区扩散到柱形高掺杂N区，电子从柱形高掺杂N区漂移到柱形高掺杂P区，当高掺杂柱形P区和高掺杂柱形N区相互作用，达到电荷平衡时，漂移层完全耗尽，超结结构的电场从传统的三角形分布或梯形分布变成矩形分布，分布均匀，使击穿电压近似正比于柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区的掺杂浓度，提高柱形高掺杂P区和柱形高掺杂N区的厚度可进一步提高击穿电压。4.根据权利要求1所述的碳化硅DSRD器件，其特征在于，所述的高掺杂P+区和Pbase区可掺入的杂质为正三价的硼。5.根据权利要求1所述的碳化硅DSRD器件，其特征在于，所述柱形高掺杂N区掺入的杂质为正五价的磷。6.一种基于权利要求1至5所述的碳化硅DSRD器件的脉冲功率发生器，其特征在于，包括：第一供电电源Vee、第二供电电源Vff、MOS控制开关管Q1、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3、肖特基二极管D、第一电阻R1、第二电阻R2、超结结构碳化硅DSRD、第一储能电容C1以及第二储能电容C2；所述MOS控制开关管Q1的栅极G接驱动信号，源极S接地，漏极D分别与第一储能电感L1的一端、...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琳，谈国强，颜小雪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42