CN106898639A - 一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构 - Google Patents
一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构。包括结终端扩展、浮空场板以及位于结终端扩展和浮空场板之间的支撑介质层，所述结终端扩展分为间隔布置的多块区域，多区域构成结终端扩展，每一区域的长度和间距根据电压等级进行调整，相邻两个区域之间具有区域间隔，浮空场板通过支撑介质层布置在结终端扩展上方，浮空场板分为多个区域，结终端扩展区域间隔处上方设有一浮空场板区域。本发提高了总体的电场强度积分值，具有良好的耐压效果，降低了成本和时间，最大程度地利用终端效率，减小高压器件的终端面积，提高了产率。
Description
技术领域
本发明公开是关于电力电子器件领域，尤其是涉及了一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构。
背景技术
随着电力电子器件的飞速发展，终端作为一种保护器件的结构得到了越来越广泛的应用。高压器件常常使用终端结构来扩展主结附近的电势线分布，避免此处的电场集中效应，从而延迟器件的提前击穿，起到提高耐压的作用。
在实现该技术的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：普通的结终端扩展并不能充分利用高压器件的潜能。通常的多区域结终端扩展需要通过多次注入，成本较高。场限环会在环宽部分浪费较大的面积。单独的场板结构会在场板边缘处引起较高的电场尖峰使得器件提前击穿。在一定的终端面积的要求下，常用的终端结构很难在高压结构下充分获得较为理想的表面电场分布。
发明内容
为了克服相关技术中存在的问题，本发明公开提供了一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的电力电子器件终端结构，结合了结终端扩展与浮空场板，充分了利用高压器件的潜能，多区域结终端扩展通过浮空场板场强互补，降低了结终端区域对于注入浓度分布的要求，使得结终端区域可以使用相同的掺杂浓度和掺杂深度，因此只需要单次注入，大大降低了成本。
各个部分在同一晶片表面上下分布，不会在终端部分浪费较大的面积，同时合理互补不会引起较高的电场尖峰使得器件提前击穿。
在一定的终端面积的要求下，本发明的终端结构在高压结构下能够充分获得较为理想的表面电场分布。
本发明的技术方案如下：
本发明包括结终端扩展、浮空场板以及位于结终端扩展和浮空场板之间的支撑介质层，结终端扩展位于主结外围，所述结终端扩展分为间隔布置的多块区域，多区域构成结终端扩展，每一区域的数量、长度和间距根据给定器件表面电场强度进行调整，相邻两个区域之间具有区域间隔，浮空场板通过支撑介质层布置在结终端扩展上方，浮空场板分为多个区域，结终端扩展区域间隔处上方设有一浮空场板区域。
本发明所述的浮空场板与常用场板的区别是：浮空场板与阳极通过外部引线相连，且不与注入区域相连；或者不与任何电极相连，且不与注入区域相连。
所述浮空场板分为多个区域，每一区域全都位于不同结终端扩展区域间隔处上方。在所述结终端扩展区域间的间距处上方选择性设有浮空场板。浮空场板的数量与位置可以根据给定器件表面电场强度进行调整，选择性即是指可以根据给定器件表面电场强度的不同改变数量和位置。
所述结终端扩展的多区域平行于表面间隔分布。
优选地，结终端扩展的每个区域掺杂物质(用于形成PN结)的浓度相同，每个区域的深度相同。这样，可以使得终端的离子注入在一次内完成，降低了成本和时间。离子注入是指结终端扩展将形成PN结材料的掺杂物质注入的制作工艺。
所述浮空场板的边缘均靠近结终端扩展区域间隔处的正上方，即使得浮空场板的单个区域和结终端扩展区域间隔处的正上方附近对应的一块区域相重叠。这样，可以使得结终端扩展间隔处低水平的电场强度被浮空场板边缘引起的高电场强度所补偿，提高总体的电场强度积分值，达到提高耐压的效果。其中，靠近、附近具体是指浮空场板边缘与间隔区边缘的距离不超过所在区域间隔宽度的5倍。
所述体材料与结终端扩展掺杂选用极性相反的掺杂以形成耗尽区。优选地，所述体材料选取N型掺杂的材料，则结终端扩展掺杂P型材料，从而能够使两者相互复合，形成能够提升耐压的耗尽区域。P型材料常用采用铝、硼等III族元素。
本发明的结终端扩展、支撑介质层和浮空场板三者依次沿垂直于表面的深度方向分布，结终端扩展、支撑介质层和浮空场板形成的整体终端结构在同一表面区域上下分布，由此缩短了平行于表面的终端长度。这样，减少器件的总体面积，特别是高压器件的终端面积，提高了产率，降低了成本。
优选地，所述浮空场板下方的介质层厚度使得结终端扩展各个区域的最高电场强度(通常是在间隔两侧的两块区域底面边缘处)按大小排序，最大值和最小值接近，并且结终端扩展所有区域底面每一处的电场强度均接近于结终端扩展各个区域的最高电场强度，并且使得结终端扩展每一区域底面每一处的电场强度在满足上述条件下尽可能高。这样，可以使得所述浮空场板对所述结终端扩展的补偿作用最为明显，对耐压的提升效果最优。
所述结终端扩展各个区域的最高电场强度按大小排序，最大值和最小值接近，具体是指：最大值和最小值相比不相差一个数量级以上；
结终端扩展所有区域底面每一处的电场强度均接近于结终端扩展各个区域的最高电场强度，具体是指：结终端扩展所有区域底面每一处的电场强度分别和结终端扩展各个区域的最高电场强度相比不相差一个数量级以上；
结终端扩展每一区域底面每一处的电场强度在满足上述条件下尽可能高具体是指：结终端扩展每一区域底面的最低电场强度分别与结终端扩展各个区域底面的最低电场强度相比不相差一个数量级以上。
所述终端结构在反向耐压时，结终端扩展中的空穴和电子相复合后不会完全耗尽。在反向耐压时，电极阳极连接低电势，体材料底边阴极连接高电势。在这种情况下，该终端结构中的空穴和电子相复合后会剩余有空穴或者电子，空穴或者电子会聚集在结终端扩展区域间隔处两侧的两个区域的顶面边缘。这样，可动载流子在可以扩展其周围的电势线分布，提高工艺的鲁棒性。
所述的浮空场板下方的支撑介质层采用高k介质材料。优选地，具体实施例中的介质层采用氧化铝。这样，对于宽禁带材料作为体区域的电力电子器件，生长能够达到所述浮空场板高度要求的介质层时，生长厚度可以因介电常数的提升而得到缩短，降低了成本和时间。同时，也降低了介质层内的电场强度，提高了器件因介质层而击穿的耐量，这对于击穿电场本身较高的宽禁带材料尤为重要。
优选地，结终端区域材料为宽禁带材料，这样可以使得终端与体区的临界击穿场强数量级相当，最大程度地利用终端效率。
所述的结终端扩展材料为SiC或者4H-SiC，优选地为4H-SiC。
本发明技术方案相比现有技术具有以下有益效果：
本发明结合了结终端扩展与浮空场板，充分了利用高压器件的潜能，多区域结终端扩展只需要单次注入，大大降低了成本。
本发明不会在环宽部分浪费较大的面积，不会引起较高的电场尖峰使得器件提前击穿。在一定的终端面积的要求下，本发明的终端结构在高压结构下能够充分获得较为理想的表面电场分布。
本发明的终端结构在降低主结电场强度的同时，提高了结终端区域的电场强度积分值，具有良好的耐压的效果，降低了成本和时间，具有较高的工艺鲁棒性，最大程度地利用终端效率，减小高压器件的终端面积，提高了产率。
本发明尤其适用于SiC、GaN等宽禁带高压器件，使得体材料的高耐压优势能够充分体现。
附图说明
图1是本发明终端结构的一种实施结构示意图；
图2是图1所示的终端结构通过数值仿真获得的反向耐压时击穿电压下的等势线分布图，其中相邻等势线相差50V；
图3是图1所示的终端结构，但介质层采用非高k材料的二氧化硅，通过数值仿真获得的反向耐压时击穿电压下的等势线分布图，其中相邻等势线相差50V；图4是图1所示的终端结构通过数值仿真电场强度分布图；
图5是图1所示的终端结构以及去掉场板后的结构通过数值仿真在结终端扩展2底部水平线处的电场强度分布图。图中：1浮空场板，2结终端扩展，3支撑介质层，4体材料，5主结，6阳极，7剩余载流子。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
如图1所示的电力电子器件包括终端结构、体材料4、主结5和电极6，其中本发明的终端结构置于体材料4表面及以上，体材料4的中心设有主结5和电极6，终端结构位于主结5和电极6的周围。
如图1所示，终端结构包括结终端扩展2、浮空场板1以及位于结终端扩展2和浮空场板1之间的支撑介质层3，结终端扩展2位于主结5外围，所述结终端扩展2分为间隔布置的多块区域，多区域构成结终端扩展，每一区域的长度和间距根据表面电场分布进行调整，相邻两个区域之间具有区域间隔，间距处布置为体材料4，浮空场板1通过支撑介质层3布置在结终端扩展2上方，浮空场板1分为多个区域，浮空场板1每个区域和结终端扩展2之间以及浮空场板1的区域之间设置支撑介质层3进行支撑，结终端扩展2区域间隔处上方设有一浮空场板1区域。其中的结终端扩展2、支撑介质层3和浮空场板1三者依次沿垂直于表面的方向相邻分布，结终端扩展2、支撑介质层3和浮空场板1均位于器件同一块表面区域的上方。
本发明的实施例及其具体实施过程如下：
如图1所示，本发明的实施例的关键参数具体为：
体材料4采用4H-SiC，为N型掺杂，浓度9.1e14cm-3，厚度78μm(因尺寸原因，图中未完全画出)；
结终端扩展2为P型掺杂，浓度1.6e17cm-3，深度0.5μm，分为七个区域，相应x坐标位置(μm)由内向外依次为0～49,51～84.5,86.6～109.5,111.8～127.5,129.9～140.6,143.2～150.5,153.3～158.3；
主结5为P型掺杂，浓度2e19cm-3，深度0.5μm；
介质层3采用理想氧化铝，浮空场板1下的厚度0.6μm；
具体实施的浮空场板1分为三块但不限于此，三块分别位于结终端扩展2前三个间隔处，其右端与对应间隔右端位置一致，其左端比对应间隔左端位置减少2μm。
阳极6金属与阴极(未画出，在体材料底部)均为理想欧姆接触。
按照发明的实施例的设计参数进行仿真，在器件反向耐压时，本发明终端结构使得击穿电压(仿真8500V)实现了体材料耐压潜能(仿真9900V)的85％。按照经验，对这样参数的高压用体材料，通常的单次注入的终端结构在相同面积下甚至较难达到理想耐压的80％，而无终端结构的击穿电压(仿真900V)更是低于理想情况的10％。这说明本发明终端结构以更小的面积实现了更高的耐压。
其反向耐压时击穿电压下的等势线分布图如图2，图中可见相邻等势线相差50V；此时的电场强度分布图如图4，电场强度在结终端扩展2底部的分布如图5。
将介质层改为常用的二氧化硅后的反向耐压时击穿电压下的等势线分布图图3所示。对比图2与图3，可以看出与本结构中采用的高k介质氧化铝相比，普通介质在靠近主结处电势线明显更加密集，这意味着普通介质在此处需要承受更大的电场强度。在实施例中，支撑介质层3采用氧化铝。相比与氧化硅等传统介质层材料，高k介质层在降低介质层厚度的同时，也降低了介质层内的电场强度，有效地抑制了电场尖峰，提高了阻断电压。对于如实施例中的4H-SiC等宽禁带体材料来说，高k介质层的能够避免介质层过早击穿，使得体材料的高耐压优势能够充分体现。
在实施例中，结终端扩展区域2掺杂在反向耐压时不被完全耗尽，其中剩余的载流子因反向耐压均集中在结终端区域2区域间隔处两侧的两个区域的顶面边缘，如图3中的剩余载流子7。
实施例结构与去掉场板结构后的结构在结终端扩展2底部水平线处的电场强度分布如图4所示。对比两条分布曲线，可以看出浮空场板1的引入不但降低了主结5周围处的电场强度，而且补偿了原本结终端扩展2间距处的电场强度低谷，使得电场强度分布更加平均，有效抑制了电场尖峰，这意味着器件各部分承受的耐压更加均衡。
由上述实施例及其附图可见，本发明能够提高总体的电场强度积分值，具有良好耐压，具有较高的工艺鲁棒性，并且降低了成本和时间，提高了产率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本发明公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明公开的一般性原理并包括本发明公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：包括结终端扩展(2)、浮空场板(1)以及位于结终端扩展(2)和浮空场板(1)之间的支撑介质层(3)，所述结终端扩展(2)分为间隔布置的多块区域，多区域构成结终端扩展，每一区域的长度和间距根据电压等级进行调整，相邻两个区域之间具有区域间隔，浮空场板(1)通过支撑介质层(3)布置在结终端扩展(2)上方，浮空场板(1)分为多个区域，结终端扩展(2)区域间隔处上方设有一浮空场板(1)区域，浮空场板(1)不与注入区域相连，与给定器件阳极(6)通过外部引线相连或者不与任何电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：在所述结终端扩展(2)区域间的间距处上方选择性设有浮空场板(1)，选择性是指根据给定器件表面电场强度的不同改变数量和位置设置浮空场板(1)。
3.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：所述结终端扩展(2)的多区域沿表面间隔分布，且结终端扩展(2)、支撑介质层(3)和浮空场板(1)三者依次沿垂直于表面方向相邻分布，结终端扩展(2)、支撑介质层(3)和浮空场板(1)均位于器件同一块表面区域的上方。
4.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：结终端扩展(2)的每个区域掺杂的P型或N型半导体物质的浓度相同，每个区域的深度相同。
5.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：所述体材料(4)选取P型掺杂的材料，结终端扩展(2)掺杂N型材料。
6.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：所述浮空场板(1)下方的介质层厚度使得
结终端扩展(2)各个区域的最高电场强度按大小排序，最大值和最小值接近，并且结终端扩展(2)所有区域底面每一处的电场强度均接近于结终端扩展(2)各个区域的最高电场强度，并且使得结终端扩展(2)每一区域底面每一处的电场强度在满足上述条件下尽可能高。
7.根据权利要求6所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：
所述结终端扩展(2)各个区域的最高电场强度按大小排序，最大值和最小值接近，具体是指：最大值和最小值相比不相差一个数量级以上；
结终端扩展(2)所有区域底面每一处的电场强度均接近于结终端扩展(2)各个区域的最高电场强度，具体是指：结终端扩展(2)所有区域底面每一处的电场强度分别和结终端扩展(2)各个区域的最高电场强度相比不相差一个数量级以上；
结终端扩展(2)每一区域底面每一处的电场强度在满足上述条件下尽可能高具体是指：结终端扩展(2)每一区域底面的最低电场强度分别与结终端扩展(2)各个区域底面的最低电场强度相比不相差一个数量级以上。
8.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：所述终端结构在反向耐压时，结终端扩展(2)中的空穴和电子相复合后不会完全耗尽。
9.根据权利要求1所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构，其特征在于：所述的浮空场板(1)下方的支撑介质层(3)采用介电常数不低于3的材料。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构的应用，其特征在于：所述终端结构的应用在宽禁带半导体材料的高压器件中。
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| CN201710035461.6A Active CN106898639B (zh) | 2017-01-18 | 2017-01-18 | 一种非耗尽型结终端扩展与浮空场板场强互补的终端结构 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114823857A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-07-29 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种碳化硅器件类结横向变掺杂结终端结构及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102856356A (zh) * | 2012-09-28 | 2013-01-02 | 中国科学院微电子研究所 | 用于半导体功率器件的终端 |
| CN104616986A (zh) * | 2015-01-08 | 2015-05-13 | 北京时代民芯科技有限公司 | 一种快恢复二极管的制备方法 |
| US20160372610A1 (en) * | 2011-11-11 | 2016-12-22 | Alpha And Omega Semiconductor Incorporated | Termination structure for gallium nitride schottky diode |
-
2017
- 2017-01-18 CN CN201710035461.6A patent/CN106898639B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160372610A1 (en) * | 2011-11-11 | 2016-12-22 | Alpha And Omega Semiconductor Incorporated | Termination structure for gallium nitride schottky diode |
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| CN114823857A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-07-29 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种碳化硅器件类结横向变掺杂结终端结构及其制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106898639B (zh) | 2019-12-31 |
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