一种具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件及其制备方法，属于功率器件二极管技术领域，器件，从下至上包括欧姆接触阴极电极、重掺杂N型衬底区、轻掺杂N型漂移区、介质填充型沟槽、肖特基接触阳极电极，介质填充型沟槽上设有浮空金属环，浮空金属环与肖特基接触阳极电极位于同一水平面，浮空金属环从内至外分别为第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环。本发明专利技术通过将介质填充型沟槽终端结构和浮空金属环结构组合应用于肖特基二极管中，介质填充型沟槽终端结构嵌入到肖特基结附近，利用介电材料相对于半导体材料具有较大的带隙，因此可以承受肖特基边缘的高电场，起到良好的耐压作用，反击穿性能进一步得到提高。到提高。到提高。

【技术实现步骤摘要】
一种具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件及其制备方法，属于功率器件二极管


技术介绍

[0002]随着高速率、低延迟的5G移动通信时代的到来，以及雷达探测、智能电网、轨道交通、光伏发电、半导体照明等电力电子应用领域对大功率器件的需求不断增加，宽带和超宽带半导体器件的发展是半导体产业发展的必然趋势。以碳化硅(SiC)和III族氮化物为代表的第三代半导体及新型超宽禁带半导体材料氧化镓(Ga2O3)具有更宽的能带、更高的临界击穿场强，更优良的电子饱和漂移速率等突出优点，更适合制作高压、高频、耐高温、抗辐照的大功率电力电子器件。
[0003]肖特基势垒二极管(SBDs)具有开关速度快、开启电压低和正向导通电流大的优异特性，是目前应用最广泛的整流和开关器件之一。SBDs主要分为横向和垂直两种类型的结构，其中，横向SBDs的反向击穿电压(BV)与器件电极的间距成正比，这意味着获得更高反向耐压将伴随器件尺寸增大，进而增加高压、大功率器件的整体复杂度和工艺制备成本。同时，横向SBD存在电流拥挤，易引起器件内局部发热，这将会破坏器件的稳定性，并对动态性能造成负面影响。
[0004]相比之下，横向器件的这些问题在垂直结构器件中可以得到很好的解决。垂直型结构可以充分利用器件面积使电流在器件内部垂直流动，具有良好的电流扩展，并且只需通过增加漂移层的厚度，就可以提高器件的反向耐压能力。与主要在绝缘衬底(如蓝宝石)上进行异质外延制备的生长的横向型器件相比，生长在导电衬底上的垂直型SBDs的导电沟道不易受到表面态的干扰，进而可以实现更高的功率处理能力和更稳定的动态性能。
[0005]在高偏压反向工作状态下，传统的阳极金属边缘会发生局部的电场拥挤现象，将使得器件在该处发生提前击穿，不能充分发挥半导体材料高击穿场强的优势，器件整体平均场强也达不到理论值。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，在高反向偏压场景中，平面垂直型SBD在强电场作用下会受到镜像力引起的势垒降低效应的影响，产生较大的反向漏电流，甚至导致器件提前击穿，限制了肖特基势垒二极管的反向击穿特性。因此应仔细设计器件结构以调控反向偏压条件下的电场，以避免发生局部的电场聚集，尤其是肖特基电极边缘处的电场。为了解决这一问题，多种先进的边缘终端结构被设计以调制肖特基接触势垒下方的电场分布以减小峰值电场，提高器件的击穿性能，如植入保护环(GR)、结端延伸(JTE)、场板(FP)和浮动金属环(FMR)。然而，由于Ga2O3材料缺乏P型，高浓度的p型III族氮化物也很难实现，这都会限制了GR和JTE等结构的性能，而具有FP或FMR结构的SBD，对于缓解肖特基界面的峰值电场的能力十分有限，因此，提出一种新的边缘终端结构是非常必要的。
[0007]通过调节器件内部的电场分布均匀可以缓解局部电场聚集情况，进而得到优良的反向击穿特性，为了更好地提升器件的耐压水平，提出本专利技术。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，从下至上包括欧姆接触阴极电极、重掺杂N型衬底区、轻掺杂N型漂移区、介质填充型沟槽、肖特基接触阳极电极，介质填充型沟槽上设有浮空金属环，浮空金属环与肖特基接触阳极电极位于同一水平面，浮空金属环的数量至少为两个，浮空金属环从内至外分别为第一金属环、第二金属环。
[0010]优选的，浮空金属环的数量为四个，从内至外分别为第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环。
[0011]优选的，浮空金属环的数量为五个，从内至外分别为第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环、第五金属环。器件反向击穿电压随环的数量依次增多而增大，但增率逐渐降低，当环的数量增大到5个时，击穿电压趋势于饱和，即继续加环，反向击穿电压增加不再明显。
[0012]优选的，第一金属环与肖特基接触阳极电极的间距为S1，S1为1
‑
8μm，第一金属环的宽度为W1，W1为1
‑
8μm。
[0013]进一步优选的，由于在不同宽度下，击穿电压均随S1增大呈上升后下降的趋势，且达到的最佳击穿电压相差不大，但获得较好效果对应的S1相应发生变化，综合考虑金属尺寸和耐压能力，S1为1.5
‑
3μm，W1为1
‑
3μm。
[0014]进一步优选的，S1为2.2μm，W1为2μm。
[0015]优选的，金属环与金属环之间的间距为S2，除第一金属环外、其他金属环的宽度为W2，S2为0.5
‑
4μm，进一步优选为0.75
‑
1.5μm，最终优选为0.85μm；W2，为0.5
‑
3μm，进一步优选为2
‑
3μm，最终优选为3μm。
[0016]S2为所有金属环之间的间距，W2为除第一将金属环外其他环的宽度，两者数值上可以保持一致，也可以不一样。然而，从对第一金属环参数讨论的结果来看，金属环宽度对器件反向性能的影响并不大，而且设计多个金属环时，影响器件性能的主要是第一个环与阳极金属间距和宽度以及其余环个数，其余环的间距和宽度的变化同样对性能有所影响，但是控制各环间距和宽度不变也能看出整体调控能力，因此在各间距和宽度保持一致的情况下，做如上选取。
[0017]优选的，肖特基接触阳极电极跟介质填充型沟槽有重叠，重叠宽度为1
‑
3μm。过小不利于电场分布的调控，过大影响正向导通路径。
[0018]优选的，所述沟槽的形状为倒梯形、U型、方形、三角形或阶梯型。优选为方形。
[0019]优选的，填充沟槽的介电材料选自氧化硅(SiO
x
)、氮化硅(SiN
x
)、氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)。进一步优选的，氧化硅(SiO
X
)优选为SiO2，氮化硅(SiN
x
)优选为SiN。最终优选为HfO2。
[0020]优选的，所述沟槽厚度为0.1
‑
5μm。进一步优选的，根据不同介电材料，介电材料为SiO2时沟槽厚度为3
‑
5μm，介电材料为SiN、Al2O3、HfO2时沟槽厚度为0.5
‑
2μm。最终优选分别为介电材料为SiO2时沟槽厚度为5μm，介电材料为SiN、Al2O3、HfO2时沟槽厚度为1μm。
[0021]通过沟槽设计使得电极金属部分的终止位置停留在所述沟槽内，并且使导电材料与肖特基金属层接触，由此形成极性电极，进而增加了终端区沟槽的耗尽能力。利用介电材
料相对于半导体材料具有较大的带隙，因此可以承受肖特基边缘的高电场，起到良好的耐压作用。同时漂移区电场峰值位置向介电层边缘移动，且电场峰值明显减小，因此可以有效抑制器件的过早击穿。通过在介电层上进一步设计浮空金属环，可以扩大介电层的耐压区域，增大漂移区向横向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，从下至上包括欧姆接触阴极电极、重掺杂N型衬底区、轻掺杂N型漂移区、介质填充型沟槽、肖特基接触阳极电极，介质填充型沟槽上设有浮空金属环，浮空金属环与肖特基接触阳极电极位于同一水平面，浮空金属环的数量至少为两个，浮空金属环从内至外分别为第一金属环、第二金属环。2.根据权利要求1所述的具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，浮空金属环的数量为四个，从内至外分别为第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环；或，浮空金属环的数量为五个，从内至外分别为第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环、第五金属环。3.根据权利要求1所述的具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，第一金属环与肖特基接触阳极电极的间距为S1，S1为1
‑
8μm，第一金属环的宽度为W1，W1为1
‑
8μm；优选的，S1为1.5
‑
3μm，W1为1
‑
3μm；进一步优选的，S1为2.2μm，W1为2μm。4.根据权利要求1所述的具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，金属环与金属环之间的间距为S2，除第一金属环外、其他金属环的宽度为W2，S2为0.5
‑
4μm，进一步优选为0.75
‑
1.5μm，最终优选为0.85μm；W2，为0.5
‑
3μm，进一步优选为2
‑
3μm，最终优选为3μm。5.根据权利要求1所述的具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，肖特基接触阳极电极跟介质填充型沟槽有重叠，重叠宽度为1
‑
3μm；优选的，所述沟槽的形状为倒梯形、U型、方形、三角形或阶梯型。6.根据权利要求1所述的具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，填充沟槽的介电材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝；优选的，氧化硅为SiO2，氮化硅为SiN。7.根据权利要求6所述的具有复合终端扩展结构的垂直型功率器件，其特征在于，所述沟槽厚度为0.1
‑
5μm；优选的，介电材料为SiO2时沟槽厚度为3
‑
5μm，介电材料为SiN、Al2O3、HfO2时沟槽厚度为0.5
‑
2μm；最终优选分别为介电材料为SiO2时沟槽厚度为5μm，介电材料为SiN、Al2O3、HfO2时沟槽厚度为1μm。8.根据权利要求1所述的具有复...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，蔡娟，
申请(专利权)人：山东大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：