[发明专利]一种超势垒二极管器件

说明书

一种超势垒二极管器件，属于半导体功率器件领域技术。其元胞结构包括自下而上依次设置的阴极金属、N+半导体衬底和N‑半导体漂移区，N‑半导体漂移区顶层左侧设置P型半导体基区，P型半导体基区顶层左侧从左自右依次并排设置紧密接触的P+半导体接触区和N+半导体源区；N+半导体源区的右侧上表面、N+半导体源区右侧的P型半导体基区的上表面和P型半导体基区右侧的N‑半导体漂移区的上表面设置沟槽结构；沟槽结构上设置栅极结构，栅极结构包括自下而上设置的介质层、多晶硅和阳极金属，多晶硅的下表面最底部低于沟槽结构的最顶部；阳极金属设置在超势垒二极管器件的上表面。本发明提高了器件正向导通电流水平和电压阻断能力。

技术领域

本发明属于功率半导体器件领域技术，具体地说，是涉及一种超势垒二极管器件结构。

背景技术

人类纪元已进入21世纪，虽然出现了多种形式的新型能源，如风能、核能、太阳能以及地热能等，但世界能源生产和消费仍以化石能源为主，且化石能源依然将在很长的一段时期内占领着人类众多能源需求最重要的一席。化石能源的大量、长期使用必将导致一系列的问题，这些问题与当下全球变暖等全球环境问题的恶化息息相关。而化石能源中有相当大的比例转化为电能。电能作为人类可直接利用能源的主要形式之一，对其使用效率的提升是应对世界能源问题的重要解决途径。电力系统是人类利用电能和提高电能使用效率的必要途径，电力系统对电能输运、管理以及使用效率的高低，体现着电力系统的现代化程度，进而体现着人类对于能源资源利用效率的高低。能源资源的高效率使用，对于人类可持续发展具有重大意义。具体来说，电力系统主要是对电能的产生过程进行调节、测量、控制、保护、调度和通信等，这个过程中，功率半导体器件起到了核心的作用。也就是说，功率半导体器件性能的高低，决定着大小电力系统性能。从某种程度上来说，功率半导体器件及其模块性能的优劣，关乎着人类可持续发展。

功率器件当下由硅基功率器件主导，主要包括晶闸管、功率PIN器件、功率双极结型器件、肖特基势垒二极管、功率MOSFET以及绝缘栅场效应晶体管，在全功率范围内均得到了广泛的应用，硅基功率器件以其悠久历史、十分成熟的设计技术和工艺技术占领了功率半导体器件的主导市场。然而，因研究人员对硅基功率器件机理研究较为透彻，性能均已接近硅材料的理论极限，已经很难通过对硅基功率器件的设计和优化达到性能上的大幅度提升。

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的宽禁带半导体材料，亦称下一代半导体材料，以其优异的材料特性引起了科研人员的兴趣。碳化硅材料是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一。其相比于硅材料具有较大的禁带宽度、较高的热导率、较高的电子饱和漂移速度以及10倍于硅材料的临界击穿电场，使其在高温、高频、大功率、抗辐射应用场合下成为十分理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，故碳化硅功率器件享有“带动新能源革命的绿色能源器件”的美名。

碳化硅二极管是碳化硅材料作为功率器件基底材料使用的主导产品之一。在常见的碳化硅二极管的开发设计过程中，常规碳化硅PIN二极管的正向导通压降大(约为3.1V)、反向恢复特性差，而碳化硅肖特基二极管(SBD)的漏电较大、高温可靠性较差，在诸多应用场合均需要能克服上述两种器件不足的全新功率器件。碳化硅超势垒二极管弥补了两种传统二极管的不足，具有较低的正向导通压降以及较小的漏电流，该优势切合了当代社会发展节能减排的主题，故其在功率器件市场上受到了一定的重视。超势垒二极管的传统元胞结构示意如图1所示，然而作为沟道型器件，超势垒二极管具有正向导通电流密度低、反向阻断能力较差等不足之处，这些不足限制了其在功率器件市场上的进一步应用推广。

发明内容

针对上述传统超势垒二极管存在的正向导通电流密度低、反向阻断能力较差的问题，本发明提出一种超势垒二极管器件，能够提高正向导通电流密度，提升电压阻断能力，通过设置沟槽结构显著提升了器件正向导通电流水平；通过增加异质结增加了器件导通态下的多子电流分支，再次提升了器件正向导通电流水平；另外还提出了超结结构用于提升器件电压阻断能力，同时降低器件正向导通电阻，获得了良好的反向阻断与正向压降之间的折中关系。