[发明专利]一种横向二极管器件

说明书

一种横向二极管器件，属于功率半导体器件技术领域。其元胞结构包括自下而上依次设置的衬底电极、N型半导体衬底、介质层和N‑半导体漂移区，N‑半导体漂移区顶层一侧设置P型半导体基区，另一侧设置N+半导体漏区；N+半导体漏区上表面具有阴极金属；P型半导体基区顶层并排设置P+半导体接触区和N+半导体源区，N+半导体源区位于靠近N+半导体漏区的一侧；N+半导体源区、P型半导体基区和N‑半导体漂移区的上表面设置一个沟槽结构，沟槽结构上具有包括自下而上设置的介质层、多晶硅和阳极金属的栅极结构；P+半导体接触区和N+半导体源区上表面具有阳极金属。本发明具有高正向电流密度、低通态损耗、高整流效率和高电压阻断能力的特点。

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体地说，是涉及一种横向二极管器件结构。

背景技术

人类的历史，就是一部面对大自然挑战的历史。随着人类工业革命深度和广度的不断扩展，人们在享受工业化成果带来便利的同时，也不断面临着种种危机。作为工业的“血液”，能源资源的可持续性利用一直以来受到世界各国的重视。而能源资源的日益消耗，也让人们感受到了“能源危机”。在寻求新型能源作为化石能源的替代的同时，人们也在思考如何让能源的利用率达到最大化。电能是人类能直接利用的主要能源，而管理着电能的电力系统是人类提高电能使用率的关键途径。作为电力系统的核心，半导体功率器件至少控制着世界上70％以上的电力能源，故其“电变换”能力及效率的高低，对能源资源利用率的提升具有重大意义。

功率器件目前仍主要以硅基晶闸管、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为主，这些器件在全功率范围内得到了广泛的应用，以其悠久的历史、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，因研究人员对其机理研究较为透彻，其性能均已接近硅材料的理论极限，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已经困难重重。

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的宽禁带半导体材料，以其优异的材料特性引起了功率器件开发人员的广泛兴趣。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，同时减小电子设备的体积，故碳化硅功率器件十分贴合当代社会节能减排的时代主题。

在功率器件开发及应用过程中较为常见的横向碳化硅二极管中，常规横向碳化硅PIN二极管尽管电压阻断能力较强，但正向导通压降大(约为3.1V)、双极导电机理不可避免地引起反向恢复特性差等问题，极不利于其在整流中的应用；而横向碳化硅肖特基二极管(SBD)尽管反向恢复特性极佳，但因其漏电较大，且高温可靠性较差，这些因素同样限制了横向碳化硅肖特基二极管在整流中的应用。横向碳化硅超势垒二极管弥补了两种传统横向二极管的不足，具有较低的正向导通压降以及很小的漏电流，以及较高的高温可靠性。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科研人员的广泛重视。传统横向碳化硅超势垒二极管元胞结构示意如图1所示。尽管超势垒器件克服了PIN二极管、肖特基二极管的诸多不足，然而作为沟道型器件，传统横向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，限制了传统横向碳化硅超势垒二极管在整流应用中的广泛使用。

发明内容

针对上述传统横向碳化硅超势垒二极管存在的正向导通电流密度低、反向阻断能力较差等的问题，本发明提出一种能提高正向导通电流密度、提升电压阻断能力的横向二极管器件及其制作方法。

本发明的技术方案为：