本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，具體涉及一種具有抗單粒子能力的超結(jié)型/半超結(jié)型sic肖特基二極管。

背景技術(shù)：

1、碳化硅(sic)肖特基二極管憑借其高擊穿電壓、低導(dǎo)通損耗及快速開(kāi)關(guān)特性，在航天電源系統(tǒng)、核能裝備及高能物理探測(cè)等極端輻射環(huán)境中展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。然而，空間及輻射環(huán)境中的高能粒子(如重離子、質(zhì)子、中子)輻照會(huì)引發(fā)單粒子效應(yīng)(single-eventeffects,see)，導(dǎo)致器件永久性失效，嚴(yán)重制約了sic器件的可靠性。傳統(tǒng)sic肖特基二極管在反向偏置下，高能粒子入射會(huì)誘發(fā)大量電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致局部電流驟增。載流子在電場(chǎng)作用下的遷移與積累會(huì)在金屬/sic界面及pn結(jié)附近形成強(qiáng)電場(chǎng)(>5mv/cm)，引發(fā)雪崩擊穿與焦耳熱集中，溫度可超過(guò)2000k，造成界面金屬熔化或sic材料升華?，F(xiàn)有sic肖特基二極管的抗單粒子能力受限于電場(chǎng)局部集中、載流子動(dòng)態(tài)控制不足及熱-電-機(jī)械耦合失效，亟需一種創(chuàng)新型抗單粒子效應(yīng)加固結(jié)構(gòu)，以滿足航天及核能領(lǐng)域?qū)Ω呖煽縮ic功率器件的迫切需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述傳統(tǒng)的sic肖特基二極管存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種具有抗單粒子能力的超結(jié)型/半超結(jié)型sic肖特基二極管。通過(guò)引入電場(chǎng)調(diào)制、載流子動(dòng)態(tài)管理及線性漸變摻雜保護(hù)技術(shù)，顯著提升器件在重離子輻照環(huán)境下的單粒子效應(yīng)(see)耐受能力，適用于航天電源系統(tǒng)、核能裝備及高能物理探測(cè)等極端輻射場(chǎng)景。本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、本發(fā)明提供了一種具有抗單粒子能力的超結(jié)型sic肖特基二極管，包括：

3、n-漂移區(qū)(4)；

4、n+線性漸變緩沖層(5)，位于所述n-漂移區(qū)(4)的下表面；

5、n+襯底區(qū)(6)，位于所述n+線性漸變緩沖層(5)的下表面；

6、陰極金屬(7)，位于所述n+襯底區(qū)(6)的下表面；

7、線性漸變p型柱(3)位于n-漂移區(qū)(4)內(nèi)部，n+線性漸變緩沖層(5)上方。線性漸變p型柱(3)采用倒梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，頂部寬度大于底部寬度，且兩柱頂部平齊。兩個(gè)線性漸變p型柱(3)之間為n-漂移區(qū)(4)。

8、p阱區(qū)(2)位于n-漂移區(qū)(4)內(nèi)部，其底部與線性漸變p型柱(3)上表面接觸，兩側(cè)p阱區(qū)頂部平齊。

9、陽(yáng)極肖特基金屬(1)位于n-漂移區(qū)(4)，p阱區(qū)(2)的上表面。

10、優(yōu)選的，所述陽(yáng)極肖特基金屬材料為ni或ti。

11、優(yōu)選的，所述陰極金屬材料為ni或ti。

12、優(yōu)選的，所述n-漂移區(qū)的材料為sic，摻雜類型為n型摻雜，摻雜元素為氮元素或磷元素，摻雜濃度為1×1014～1×1017cm-3，厚度為5～20μm。

13、優(yōu)選的，所述n+襯底區(qū)的材料為sic，摻雜類型為n型摻雜，摻雜元素為氮元素或磷元素，摻雜濃度為1×1019～1×1020cm-3。厚度為50～300μm。

14、優(yōu)選的，所述n+線性漸變緩沖層的材料為sic，摻雜類型為n型摻雜，摻雜元素為氮元素或磷元素，摻雜濃度呈線性漸變摻雜，從上到下濃度線性增加，濃度變化為從n-漂移區(qū)摻雜濃度(1×1014～1×1017cm-3)線性增加到n+襯底區(qū)摻雜濃度(1×1019～1×1020cm-3)，厚度為1～5μm。

15、優(yōu)選的，所述線性漸變p型柱的材料為sic，摻雜類型為p型摻雜，摻雜元素為鋁元素或硼元素，摻雜濃度呈線性漸變摻雜，從上到下濃度線性增加，濃度變化為1×1014～1×1018cm-3，寬度表面到體內(nèi)線性遞減，頂部寬度為1～5μm，深度為2～20μm，兩個(gè)線性漸變p型柱頂部之間的間距為0.5～2.5μm，最佳間距為線性漸變p型柱的底部寬度。

16、優(yōu)選的，所述p阱區(qū)的材料為sic，摻雜類型為p型摻雜，摻雜元素為鋁元素或硼元素，摻雜濃度為1×1018～1×1020cm-3，摻雜分布為均勻摻雜，厚度為0.5～2μm。

17、有益效果

18、本發(fā)明提出了一種具有抗單粒子能力的超結(jié)型/半超結(jié)型sic肖特基二極管，通過(guò)創(chuàng)新性地引入線性漸變p型柱和n+線性漸變緩沖層的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了器件內(nèi)部電場(chǎng)的精確調(diào)制。

19、超結(jié)型結(jié)構(gòu)中，貫穿整個(gè)漂移區(qū)的線性漸變p型柱摻雜由上至下線性增加，結(jié)合其寬度自上至下減小，與恒定摻雜的n-漂移區(qū)及自上而下寬度增加，滿足線性漸變p型柱中的總受主濃度要與n型區(qū)域中的總施主濃度相等，達(dá)到電荷平衡，形成完整的超結(jié)結(jié)構(gòu)。在反向偏置狀態(tài)下，線性漸變p型柱中的電荷與n-漂移區(qū)的電荷相互耗盡，在n-漂移區(qū)中形成近似矩形的電場(chǎng)分布。這種分布方式顯著降低了器件表面和體內(nèi)的電場(chǎng)集中效應(yīng)，使電場(chǎng)強(qiáng)度在空間上更加均勻。而半超結(jié)型結(jié)構(gòu)中，部分深入的線性漸變p型柱僅位于漂移區(qū)上部，雖然減小了超結(jié)結(jié)構(gòu)，但顯著降低了形成深p結(jié)構(gòu)的工藝難度，在保持一定程度電場(chǎng)調(diào)制能力的同時(shí)提高了器件的可靠性。

20、兩種結(jié)構(gòu)均采用倒梯形線性漸變p型柱設(shè)計(jì)，該特殊的幾何結(jié)構(gòu)能夠在重離子輻照時(shí)形成斜向電場(chǎng)分量和漏斗狀載流子輸運(yùn)通道，加速空穴向線性漸變p型柱中心匯集和抽取。其中，超結(jié)型結(jié)構(gòu)由于線性漸變p型柱貫穿整個(gè)漂移區(qū)，形成了完整的載流子輸運(yùn)通道，具有更強(qiáng)的載流子收集能力；半超結(jié)型結(jié)構(gòu)則通過(guò)上部線性漸變p型柱提供初始載流子收集，結(jié)合下部均勻n-漂移區(qū)的穩(wěn)定電場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)了載流子的高效管理。特別是線性漸變的摻雜分布，使兩種結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)漸變，避免了傳統(tǒng)突變結(jié)構(gòu)中的局部電場(chǎng)尖峰。倒梯形側(cè)壁的傾斜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致局部電場(chǎng)增強(qiáng)，提高了電子-空穴對(duì)的分離效率，而上部較寬的空間電荷區(qū)設(shè)計(jì)則有利于快速清除輻照產(chǎn)生的載流子。

21、n+線性漸變緩沖層的引入為兩種結(jié)構(gòu)在垂直方向上提供了相同的電場(chǎng)調(diào)制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)的平緩過(guò)渡。當(dāng)重離子入射產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)時(shí)，這層結(jié)構(gòu)能夠緩解了背面的電場(chǎng)集中，降低了碰撞電離率，減緩了載流子的再生效應(yīng)。

22、在實(shí)際應(yīng)用中，超結(jié)型結(jié)構(gòu)由于具有完整的電荷平衡效應(yīng)和載流子輸運(yùn)通道，單粒子燒毀閾值提升可達(dá)80％以上，但對(duì)工藝要求較高；半超結(jié)型結(jié)構(gòu)通過(guò)局域化設(shè)計(jì)在工藝可行性和性能之間取得平衡，單粒子燒毀閾值提升約50％，且具有更好的成本優(yōu)勢(shì)。兩種結(jié)構(gòu)均保持了sic肖特基二極管固有的低導(dǎo)通壓降特性和優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性，可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景的可靠性需求和成本限制靈活選擇，特別適用于航天電源系統(tǒng)、核能裝備等高可靠性應(yīng)用場(chǎng)景，為極端輻射環(huán)境下的器件應(yīng)用提供了創(chuàng)新解決方案。

技術(shù)特征：

1.一種具有抗單粒子能力的超結(jié)型/半超結(jié)型sic肖特基二極管，其特征在于，包括：

2.按照權(quán)利要求1所述的一種具有抗單粒子能力的sic肖特基二極管超結(jié)/半超結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陽(yáng)極肖特基金屬材料為ni或ti，所述陰極金屬材料為ni或ti。

3.按照權(quán)利要求1所述的一種具有抗單粒子能力的sic肖特基二極管超結(jié)/半超結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述n-漂移區(qū)的材料為sic，摻雜類型為n型摻雜，摻雜元素為氮元素或磷元素，摻雜濃度為1×1014～1×1017cm-3，厚度為5～20μm。

4.按照權(quán)利要求1所述的一種具有抗單粒子能力的sic肖特基二極管超結(jié)/半超結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述n+襯底區(qū)的材料為sic，摻雜類型為n型摻雜，摻雜元素為氮元素或磷元素，摻雜濃度為1×1019～1×1020cm-3；厚度為50～300μm。

5.按照權(quán)利要求1所述的一種具有抗單粒子能力的sic肖特基二極管超結(jié)/半超結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述n+線性漸變緩沖層的材料為sic，摻雜類型為n型摻雜，摻雜元素為氮元素或磷元素，摻雜濃度呈線性漸變摻雜，從上到下濃度線性增加，濃度變化為從n-漂移區(qū)摻雜濃度1×1014～1×1017cm-3線性增加到n+襯底區(qū)摻雜濃度1×1019～1×1020cm-3，厚度為1～5μm。

6.按照權(quán)利要求1所述的一種具有抗單粒子能力的sic肖特基二極管超結(jié)/半超結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述線性漸變p型柱的材料為sic，摻雜類型為p型摻雜，摻雜元素為鋁元素或硼元素，摻雜濃度呈線性漸變摻雜，從上到下濃度線性增加，濃度變化為1×1014～1×1018cm-3，寬度表面到體內(nèi)線性遞減，頂部寬度為1～5μm，深度為2～20μm，兩個(gè)線性漸變p型柱頂部之間的間距為0.5～2.5μm，最佳間距為線性漸變p型柱的底部寬度。

7.按照權(quán)利要求1所述的一種具有抗單粒子能力的sic肖特基二極管超結(jié)/半超結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述p阱區(qū)的材料為sic，摻雜類型為p型摻雜，摻雜元素為鋁元素或硼元素，摻雜濃度為1×1018～1×1020cm-3，摻雜分布為均勻摻雜，厚度為0.5～2μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種具有抗單粒子能力的超結(jié)型/半超結(jié)型SiC肖特基二極管，自上而下依次包括：陽(yáng)極肖特基金屬、P?plus區(qū)、線性漸變P型柱、N?漂移區(qū)、N+線性漸變緩沖層、N+襯底區(qū)和陰極金屬。其中超結(jié)型結(jié)構(gòu)的線性漸變P型柱貫穿整個(gè)漂移區(qū)至N+線性漸變緩沖層，而半超結(jié)型結(jié)構(gòu)的線性漸變P型柱僅位于N?漂移區(qū)上部。倒梯形P型柱采用線性漸變摻雜，與N+線性漸變緩沖層共同構(gòu)建了多層次的電場(chǎng)調(diào)制機(jī)制。線性漸變摻雜與線性漸變緩沖層的引入確保了電場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)過(guò)渡，避免了傳統(tǒng)突變結(jié)構(gòu)中的局部電場(chǎng)尖峰問(wèn)題，顯著提升了器件的擊穿特性和抗單粒子能力。器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有更好的成本優(yōu)勢(shì)，適用于航天電源系統(tǒng)等極端輻射環(huán)境應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：周新田,李明偉,賈云鵬,胡冬青,吳郁,唐蘊(yùn),趙元富
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15