一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管及其制备方法

本发明属于脉冲功率，更具体地，涉及一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管及其制备方法。

背景技术：

1、脉冲功率技术诞生于20世纪60年代，它是一种以较低的功率储存能量、再以高得多的功率变换为脉冲电磁能量并释放到特定负载中去的电物理技术，也是一种电能变换技术。现代脉冲功率技术在电磁发射、光源、环保、材料、生物、医疗等领域都有着广泛应用。类似于一代电力电子器件决定一代电力电子电路，脉冲功率开关也是整个脉冲功率系统的瓶颈，开关能达到的水平直接影响整个系统输出的脉冲幅值、上升时间、重复频率等关键指标。

2、反向阻断双端固态闸流管(reverse blocking diode thyristor,rbdt)是19世纪70年代美国针对雷达调制器发明一种新型肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管。rbdt器件最初名为反向开关整流器(reverse switching rectifier,rsr)。rbdt器件与另外一种半导体器件-晶闸管，有着类似的结构，两者均为pnpn四层结构，都可以采用扩散技术来制备，但rbdt需要依靠高dv/dt电压脉冲对其进行触发，开通时为多元胞同时导通，其最大电流上升率(di/dt)耐量能够达到5ka/μs。研究人员经过对其阴极短路点和发射极以及p基区的优化设计，其di/dt耐量达到了18ka/μs。但rbdt的开通是从四周往中间进行扩散的过程，在dv/dt不足的时候，rbdt的开通面积较小，仅在rbdt芯片四周，从而影响rbdt电流上升率的耐量，更坏的情况则是因为局部发热过大，rbdt损坏。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管及其制备方法，旨在解决常规rbdt开通面积小、rbdt电流上升率耐量不足以及芯片通流能力低的问题。

2、本发明提供了一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管为四层pnpn结构，且阴极侧和阳极侧均设置有电极，阴极侧n+发射极与阴极发射极以电阻形式形成欧姆接触，阴极短路点与阴极金属以二极管形式形成肖特基接触。

3、其中，n+发射极的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1021cm-3，结深为10μm～25μm。p基区掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3，深度为35μm～100μm。n基区掺杂浓度为2×1013cm-3～1×1014cm-3，深度为100μm～400μm。阳极侧发射极p+掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1021cm-3，深度为35μm～100μm，且阴极侧设置有成千上万个直径为100μm～500μm的短路点。

4、本发明还提供了一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管的制备方法，包括下述步骤：

5、s1：对si片进行单面开槽，并扩散处理形成pnpn结构；

6、s2：对rbdt阴极侧进行开槽处理，从而形成终端结构，并对终端结构进行玻璃钝化保护；

7、s3：采用光刻剥离法在阳极p+发射区形成欧姆接触；

8、s4：采用al金属在阴极发射极形成接触，在阴极短路点处形成肖特基接触；

9、s5：对si片进行切割处理，并烧结后形成肖特基短路点rbdt。

10、更进一步地，可以采用光刻剥离法在阳极p+发射区上表面淀积ni/ti/al/ag合金层以形成阳极欧姆电极，其中合金层的厚度分别为80nm/30nm/80nm/500nm。

11、更进一步地，可以采用金属al作为阴极材料，从而与阴极短路点形成肖特基接触，与阴极发射极形成欧姆接触。

12、更进一步地，可以通过光刻露出有源区，并通过溅射ni/ti/al/ag形成阴极欧姆接触。

13、更进一步地，可以通过在臭氧中氧化以形成2nm的氧化物层，剥去氧化物层并在(nh4)2s的水溶液中用进行湿润，在一定温度下进行蒸发，从而在阴极侧形成100nm的阴极金属电极。

14、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于引入了具有超低功函数的金属作为阴极短路点的金属，使得rbdt的p基区电势能够提高0.3v左右。因为al的功函数大于n+发射极的功函数，电子从金属流向n+发射极，则在发射极表明形成负的空间电荷区，由于此处电子浓度比体内更大，从而形成欧姆接触；而al的功函数小于p型短路点处的功函数，从而导致p型短路点处的功函数能带向下弯曲，形成空穴势垒，即肖特基接触。肖特基接触使得p基区的电势能够提高大约0.3v，通常pn结正向偏置的电压为0.7v左右，因此只需要位移电流在阴极发射极上额外产生0.4v左右的电压降，即可以让rbdt阴极注入电子，使得rbdt开通，从而减小了触发回路的输出功率，有利于减小触发电路的体积。而在相同的dv/dt电压触发脉冲下，肖特基短路点rbdt能够使得更大面积的阴极发射极开通，从而增大器件的di/dt耐受能力，其在大电流窄脉冲领域的运用奠定基础。

15、由于rbdt为多元胞并联的结构，有成千上万个重复单元，因此在形成肖特基接触的时候需要在整个阴极均匀，减小每个元胞的差异性。此外，由于湿法处理会对半导体有一定的腐蚀作用，因此在制作时先制作阳极接触从而减小对半导体的损伤。在制作阴极电极时，采用湿法浸泡处理，能够使得整个rbdt与溶液充分接触，并在后续金属沉积过程中，使得肖特基接触在整个阴极布局的均匀性得到提高。

技术特征：

1.一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，其特征在于，所述肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管为四层pnpn结构，且阴极侧和阳极侧均设置有电极，阴极侧n+发射极与阴极发射极以电阻形式形成欧姆接触，阴极短路点与阴极金属以二极管形式形成肖特基接触。

2.如权利要求1所述的肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，其特征在于，n+发射极的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1021cm-3，结深为10μm～25μm。

3.如权利要求1所述的肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，其特征在于，p基区掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1017cm-3，深度为35μm～100μm。

4.如权利要求1所述的肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，其特征在于，n基区掺杂浓度为2×1013cm-3～1×1014cm-3，深度为100μm～400μm。

5.如权利要求1所述的肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，其特征在于，阳极侧发射极p+掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1021cm-3，深度为35μm～100μm，且阴极侧设置有成千上万个直径为100μm～500μm的短路点。

6.一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用光刻剥离法在阳极p+发射区上表面淀积ni/ti/al/ag合金层以形成阳极欧姆电极。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用金属al作为阴极材料从而与阴极短路点形成肖特基接触并与阴极发射极形成欧姆接触。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，通过光刻露出有源区并通过溅射ni/ti/al/ag形成阴极欧姆接触。

10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，通过在臭氧中氧化以形成2nm的氧化物层，剥去氧化物层并在(nh4)2s的水溶液中进行湿润并在一定温度下进行蒸发，从而在阴极侧形成100nm的阴极金属电极。

技术总结
本发明公开了一种肖特基短路点反向阻断双端固态闸流管，固态闸流管为四层PNPN结构，且阴极侧和阳极侧均设置有电极，阴极侧N<supgt;+</supgt;发射极与阴极发射极以电阻形式形成欧姆接触，阴极短路点与阴极金属以二极管形式形成肖特基接触；N<supgt;+</supgt;发射极的掺杂浓度为1×10<supgt;17</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;～1×10<supgt;21</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;，结深为10μm～25μm；P基区掺杂浓度为1×10<supgt;14</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;～1×10<supgt;17</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;，深度为35μm～100μm；N基区掺杂浓度为2×10<supgt;13</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;～1×10<supgt;14</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;，深度为100μm～400μm；阳极侧发射极P<supgt;+</supgt;掺杂浓度为1×10<supgt;14</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;～1×10<supgt;21</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;，深度为35μm～100μm，且阴极侧设置有成千上万个直径为100μm～500μm的短路点。本发明通过引入肖特基，使得RBDT有更大范围的阴极发射极压降在阈值电压V<subgt;b</subgt;以上，增大了器件的开通面积，缩小了器件的发热，增大了器件电流上升率耐量。

技术研发人员：梁琳,卿正恒
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13