一种多结端扩展的碳化硅功率二极管及其制备方法

本发明涉及功率二极管领域，尤其涉及一种多结端扩展的碳化硅功率二极管及其制备方法。

背景技术：

1、半导体材料的生长和器件制备技术的发展和突破，常引发新一轮产业革命和新兴产业的兴起。在绝大多数电力电子系统中，硅(si)基电子器件都有着举足轻重的地位，但是随着时代的不断前进，人们对于si基器件的研究已经非常成熟，si基电子电力器件在其材料本身物理特性的制约下已经无法充分地满足生物医学成像、新型智能汽车等领域的抗击穿、耐高压等要求。以sic、gan等材料为典型代表的第三代宽禁带半导体材料应运而生，在众多第三代宽禁带半导体中，碳化硅(sic)材料凭借其禁带宽度大、热导率高、临界击穿电场高等优异的物理及化学特性在近些年得到高速发展，非常适合制作耐高压、大功率、耐高温的半导体功率器件。而在sic众多半导体功率器件中，pin功率二极管由于其更快的开关速度，更强的大电流处理能力，被广泛应用。

2、因此，sic基pin功率二极管的重要性不言而喻，其器件特性的优劣关系到整个电力电子体系性能的好坏。在一些特殊领域，比如在高压传输电网中，要求功率半导体器件具有能够承受高压的能力。然而，在实际制作的器件中，器件实际获得的耐压远小于我们设计时的理论电压值，主要原因是在pn结边缘处存在一定的曲率。这种在pn结边缘存在结弯曲导致电场在边缘处集中现象称为曲率效应。局部电场集中使得该处电场达到了器件的临界电场，从而使得器件提早发生击穿。因此，这种曲率效应对器件实际耐压的副作用非常大。

3、在sic材料中，由于其p型掺杂的杂质热扩散系数比较小，所以sic基器件的p型掺杂一般是以离子注入形成的，而离子注入后所需要的高温退火激活工艺过程中并不会形成理想柱面结或球面结的现象，pn结边缘形貌一般近似呈矩形状，其电场集边效应要比理想柱面结的更为严重，器件的理论击穿电压数值将会更小。为了降低这种效应，人们大多会采用边缘终端技术来延伸器件n-漂移层内耗尽区，使得器件实际获得的击穿电压数值可以更高。迄今为止，边缘终端技术主要包括场板(fp)技术、结终端扩展(jte)技术和场限环(flr)技术。在器件边缘处引入pn结调制电场分布是常用的终端技术方案，即结终端扩展终端(junction termination extension，jte)，从上个世纪六十年代开始，经过几十年的发展，结终端扩展技术已经相对成熟，对于终端结构的设计必须遵循以下原则：首先，终端必须有效，使击穿电压最大化；第二，它的制造应该是可制造和可重复的；第三，应尽量减少昂贵的植入步骤；第四，终端应使用最小的半导体面积，需要最小的终端长度，若终端长度过大，一方面会导致芯片面积过大，增加制造成本，另一方面也会影响芯片的集成度，导致性能下降。结终端扩展技术相较其他而言，它具有更高的终端保护效率，更简洁的制备工艺，更小的终端层面积，是目前最主流的边缘终端技术。结终端扩展技术的本质是通过al离子注入在因刻蚀而暴露出的n-漂移层形成p-型掺杂层，进而削弱主结边缘尾端的电场集边效应，该技术的工作原理是：当给器件施加反偏电压时，jte层内部的空穴会被完全耗尽，jte层内只剩下了不可移动的电离受主杂质电荷(负电荷)，相当于将负电荷注入到n-漂移层内的耗尽区中，使得主结区边缘的耗尽区向外拓展，从而增加了主结区边缘的曲率半径，降低器件p+主结末端电场集边效应。虽然采用结终端扩展(jte)终端能够在一定程度上削弱主结边缘尾端的电场集边效应，进而缓解器件边缘电场提高击穿电压的强度；然后，器件边缘的曲率效应仍然是器件击穿电压提高的重要障碍之一，有鉴于此，提供一种能够有效提高击穿电压的功率二极管结构是十分必要的。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种多结端扩展的碳化硅功率二极管及其制备方法，提高功率二极管器件的击穿电压。

2、技术方案：本发明所述的一种多结端扩展的碳化硅功率二极管，所述功率二极管为沿着中心对称的圆柱形结构，包括自下而上依次层叠的n+型sic衬底层、i型sic外延层；所述i型sic外延层顶面中心设有圆片形的p+型sic层，在所述p+型sic层的外周呈同心圆状自内向外拓展形成环形结构的p型jte层，所述p型jte层顶面覆盖有纳米永磁性颗粒层；

3、其中，沿着所述p型jte层径向刻蚀若干个同心圆环状的沟槽结构，且沟槽结构内填充sio2填充层，相邻沟槽结构之间形成p型sic掺杂区。

4、优选的，所述p型sic掺杂区是以p型sic为基底并采用(al、fe)共掺杂形成掺杂区，且掺杂深度一致。

5、优选的，所述p+型sic层、p型jte层厚度递减，且均小于i型sic外延层厚度。

6、优选的，所述p型jte层径向长度与纳米永磁性颗粒层径向长度相等。

7、优选的，所述沟槽结构的深度、宽度以及与相邻沟槽结构的间距均相等。

8、优选的，所述纳米永磁性颗粒层沿着其径向厚度一致。

9、优选的，在所述p+型sic层顶面引出ti/au金属顶电极，在所述n+型sic衬底层底面引出ti/au金属底电极。

10、一种碳化硅功率二极管的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤s1：所述n+型sic衬底层的掺杂浓度为5×1018cm-3至1×1019cm-3，厚度为3~6μm；在所述n+型sic衬底层顶面外延生长出i型sic外延层，所述i型sic外延层的掺杂浓度范围为1×1014cm-3~9×1016cm-3，厚度为8~12μm；

12、步骤s2：在所述i型sic外延层顶面中心通过离子注入方式形成圆片状的p+型sic层，所述p+型sic层的掺杂浓度范围为8×1016cm-3~2×1017cm-3，注入深度为1.0μm~1.2μm；

13、步骤s3：在所述p+型sic层外圆周通过离子注入方式形成掺杂均匀的环状结构的p型jte层，所述p型jte层的长度ljte为30μm，厚度为0.85μm，掺杂浓度为3.96×1017cm-3~4.64×1017cm-3；

14、步骤s4：采用刻蚀法沿着p型jte层的半径方向刻蚀若干个沟槽结构，所述沟槽结构的深度为300nm，宽度为130nm，相邻沟槽结构的间距为10nm，并在沟槽结构内填充sio2形成sio2填充层；

15、步骤s5：以(al、fe)为掺杂元素通过共掺杂方式在沟槽结构之间间隙中形成具有铁磁性的p型sic掺杂区；

16、步骤s6：在完成离子注入后对器件进行退火处理；

17、步骤s7：通过蔗糖辅助燃烧法制备钴铁氧体作为纳米永磁性颗粒，并在p型jte层顶面形成纳米永磁性颗粒层；

18、步骤s8：在p+型sic层表面蒸镀形成ti/au金属顶电极，在n+型sic衬底层底面蒸镀形成ti/au金属底电极，形成所述的多结端扩展的碳化硅功率二极管。

19、优选的，步骤s5的具体步骤如下：

20、步骤s51：以高纯度硅(99.999%)、碳(99.999%，石墨)、铝(99.999%)和铁(99.999%)粉末为原料，采用固相反应合成(al，fe)共掺杂sic混合粉末；

21、步骤s52：将混合粉末装入石墨坩埚中，将坩埚转移到感应炉中，将熔炉抽真空(<10−4torr)并填充0.07mpa的高纯度氩气(99.999%)；

22、步骤s53：将感应炉加热至1300℃并保持1小时，然后以60℃/h的速度将温度升高至1800℃，最后以175℃/h速度将温度提高至2200℃，保持5小时，然后关闭电源，将感应炉自然冷却至室温；步骤s54：获得的粉末在150℃条件下在浓度为3:1的hf和hno3溶液中处理2小时，然后用去离子水冲洗。

23、优选的，步骤s7的具体步骤如下：

24、步骤s71：在反应温度为40~80℃、搅拌速度为60~100r/min条件下向化学计量硝酸盐溶液中加入0.12g/ ml的蔗糖溶液；

25、步骤s72：用浓度为0.4g/ml的铵溶液调节步骤s71得到的混合物的ph值为7，形成中性凝胶；

26、步骤s73：将步骤s72中得到的凝胶在100℃条件下蒸发至干燥，然后将热板温度提高到405℃，直到凝胶完全燃烧制得钴铁氧体粉末，并储存在干燥器中，不再进行进一步的热处理或煅烧过程。

27、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：

28、1、本发明中的碳化硅二极管jte终端结构基础上引入纳米永磁颗粒组成的外磁场以及p型sic掺杂区形成的内磁场结构，实现功率二极管器件内外磁场的有机结合，有效提高功率二极管器件的耐压值；

29、2、在p型jte层引入沟槽结构，不仅不增加jte层的横向长度，还可以进行一定程度的减小，可降低制备成本；若单独采用沟槽结构，则难以确定最优值；若单独通过掺杂在器件内部产生磁场，则结构和工艺较为复杂，在沟槽结构中引入sic掺杂形成内部磁场作用，但并不增加技术的复杂度和难度；

30、3、在沟槽结构内填充sio2形成sio2填充层，可以在p型jte层中形成规律排列，形成类晶体的结构，这种结构会使原子势场相互影响，在外加电场的作用下，经过晶区积累能量的电子可以穿透势垒，在载流子迁移的同时保留足够的能量，提高器件的击穿电压；此外，sio2也可以充当器件的保护膜，使器件内部磁场不受外界影响；

31、4、本发明的功率二极管将磁场内部化，功率器件性能受到温度影响大大降低，因而使得器件在900k的高温下工作。