CN113193053B - 一种具有高正向电流密度的沟槽肖特基二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体技术领域，提供一种具有高正向电流密度的沟槽肖特基二极管，用以克服沟槽结构的肖特基二极管的正向电流密度降低的问题，具体涉及高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管、碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管及三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管。本发明的沟槽肖特基二极管中，仅有位于沟槽底部的第二金属阳极4下设置氧化物绝缘层或P型掺杂区，使得沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面的第一阳极金属3与N型漂移区1形成肖特基接触，增大了电流的导通面积，因此能够减小比导通电阻，从而增大了正向导通电流，有效改善器件的性能；与此同时，不影响器件的击穿电压和反向漏电流的影响。

Description

一种具有高正向电流密度的沟槽肖特基二极管
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种具有高正向电流密度的氧化镓或碳化硅沟槽肖特基二极管器件。
背景技术
肖特基势垒二极管中的沟槽金属-氧化物-半导体(MOS)结构的用意是通过沟槽MOS结构在反向偏置下，形成漂移区耗尽层的夹断，将峰值电场从肖特基接触表面引入漂移区内部的沟槽MOS结构的拐角位置；但是沟槽结构会导致有效电流流通路径减少，从而导致正向电流密度降低，最终会导致比导通电阻升高。
由于在碳化硅材料中，离子注入深度有限(一般<1um)，因此在用碳化硅材料制作结势垒肖特基二极管(JBS)时，P区的注入深度很小，导致对肖特基二极管的电场屏蔽效果较差，进而导致器件的反向漏电流较大，因此一般采用沟槽结构来变相加深离子注入深度。在传统的碳化硅沟槽型结势垒肖特基二极管(TJBS)中，对外延层刻蚀形成沟槽后在沟槽内部进行离子注入，通常是在整个沟槽中进行掺杂，包括了沟槽的侧壁，从而达到增加注入深度的目的。虽然在沟槽中掺杂P区可以很好的屏蔽肖特基接触附近电场，但同时它带来的JFET效应却使得二极管的正向导通电流密度很小。
因此，克服沟槽结构的肖特基二极管的正向电流密度降低成为了亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出了一种具有高正向电流密度的氧化镓或碳化硅沟槽肖特基二极管，该结构能够效提高二极管的正向电流密度，改善器件的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管，包括：第一导电类型重掺杂衬底5，位于所述第一导电类型重掺杂衬底5下表面的金属阴极6，位于所述第一导电类型重掺杂衬底5上表面的第一导电类型漂移区1；其特征在于，
所述第一导电类型漂移区1的上表面开设有两个沟槽、且对称分布于两侧；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极4，沟槽的侧壁与第一导电类型漂移区的上表面均设置第一金属阳极3、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极3与第二金属阳极4相接触；所述第一导电类型漂移区1中还设置有氧化物绝缘层，所述氧化物绝缘层位于第二金属阳极4下表面、且一一对应设置。
一种高正向电流密度的碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管，包括：第一导电类型重掺杂衬底5，位于所述第一导电类型重掺杂衬底5下表面的金属阴极6，位于所述第一导电类型重掺杂衬底5上表面的第一导电类型漂移区1；其特征在于，
所述第一导电类型漂移区1的上表面开设有两个沟槽、且对称分布于两侧；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极4，沟槽的侧壁与第一导电类型漂移区的上表面均设置第一金属阳极3、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极3与第二金属阳极4相接触；所述第一导电类型漂移区1中还设置有第二导电类型重掺杂区2，所述第二导电类型重掺杂区位于第二金属阳极4下表面、且一一对应设置。
一种高正向电流密度的三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管，包括：第一导电类型重掺杂衬底5，位于所述第一导电类型重掺杂衬底5下表面的金属阴极6，位于所述第一导电类型重掺杂衬底5上表面的第一导电类型漂移区1；其特征在于，
所述第一导电类型漂移区1的上表面设置有四个深槽、且分别位于四边的中点位置；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极4，沟槽的侧壁与第一导电类型漂移区的上表面均设置第一金属阳极3、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极3与第二金属阳极4相接触；所述第一导电类型漂移区1中还设置有第二导电类型重掺杂区，所述第二导电类型重掺杂区位于第二金属阳极4下表面、且一一对应设置。
进一步的，上述高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管中，所述氧化物绝缘层2替换为高阻区。
进一步的，上述高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管或碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管中，所述第二金属阳极4由多个第二金属阳极单元构成、且单元间设置第一阳极金属，第一阳极金属与第一导电类型漂移区形成肖特基接触。
进一步的，上述高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管中，所述第一导电类型漂移区1中还设置有两个第一导电类型增强型掺杂区7，所述第一导电类型增强型掺杂区包覆所述沟槽与氧化物绝缘层，并且、第一导电类型增强型掺杂区的掺杂浓度大于第一导电类型漂移区。
进一步地，上述三个肖特基二极管中，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种具有高正向电流密度的沟槽肖特基二极管，具体提供高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管、碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管及三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管；上述沟槽肖特基二极管中，仅有位于沟槽底部的第二金属阳极下设置氧化物绝缘层或P型掺杂区，使得沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面的第一阳极金属3与N型漂移区1形成肖特基接触，增大了电流的导通面积，因此能够减小比导通电阻，从而增大了正向导通电流，有效改善器件的性能；与此同时，几乎不影响器件的击穿电压和反向漏电流的影响。
附图说明
图1为实施例1提供的一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管的结构示意图；
图2为实施例2提供的一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管的结构示意图；
图3为实施例3提供的一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管的结构示意图；
图4为实施例4提供的一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管的结构示意图；
图5为实施例5提供的一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管的结构示意图；
图6为实施例6提供的一种具有高的正向电流密度的碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管的结构示意图；
图7为实施例7提供的一种具有高的正向电流密度的碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管的结构示意图；
图8为实施例8提供的一种具有高的正向电流密度的三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管的结构示意图；
其中，1为N型漂移区，2为氧化物绝缘层或高阻区或P型掺杂区，3为第一金属阳极，4为第二金属阳极，5为N型重掺杂衬底，6为金属阴极，7为N型增强型掺杂区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清晰明白，下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例提供一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管，其结构如图1所示，具体包括：
N型重掺杂衬底5，位于所述N型重掺杂衬底5下表面的金属阴极6，位于所述N型重掺杂衬底5上表面的N型漂移区1；
所述N型漂移区1的上表面开设有两个沟槽、且对称分布于两侧，使得N型漂移区1(横截面)呈“凸”字形；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极4，沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面均设置第一金属阳极3、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极3与第二金属阳极4相接触；所述N型漂移区1中还设置有氧化物绝缘层，所述氧化物绝缘层位于第二金属阳极4下表面(相接触)、且一一对应设置。
从工作原理上讲，相对于传统沟槽器件而言，本实施例中沟槽肖特基二极管器件，去掉了位于两个沟槽侧壁的氧化物绝缘层，仅设置两个第二金属阳极下的氧化物绝缘层；这样使得沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面的第一阳极金属3与N型漂移区1形成肖特基接触，增大了电流的导通面积，因此能够减小比导通电阻，从而增大了正向导通电流；与此同时，在加反向耐压时，通过MOS结构一样能够形成耗尽层的夹断，从而将峰值电场从肖特基接触表面引入沟槽MOS结构的拐角位置。
实施例2
本实施例提供一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管，其结构如图2所示，其与实施例1的唯一区别在于，所述氧化物绝缘层2替换为高阻区；所述高阻区能够通过掺入深能级杂质来实现，高阻区能够在一定程度上减弱了器件结边缘处的电场集中效应。
实施例3
本实施例提供一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管，其结构如图3所示，其与实施例1的唯一区别在于：所述第二金属阳极4由多个第二金属阳极单元构成，第二金属阳极单元之间设置第一阳极金属3、且第一阳极金属3与N型漂移区形成肖特基接触；相应的，氧化物绝缘层依然与第二金属阳极单元一一对应设置。
通过将第二金属阳极4分割为多个小的单元，单元间设置的第一阳极金属3同样与N型漂移区形成肖特基接触，即进一步增大肖特基接触面积，从而增大正向电流密度，同时几乎不影响加反向电压时沟槽的效果。
实施例4
本实施例提供一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管，其结构如图4所示，其与实施例3的唯一区别在于：第二金属阳极4分割为多个第二金属阳极单元的分割方向相垂直；同样，通过将第二金属阳极4分割为多个小的单元，单元间设置的第一阳极金属3同样与N型漂移区形成肖特基接触，即进一步增大肖特基接触面积，从而增大正向电流密度，同时几乎不影响加反向电压时沟槽的效果。
实施例5
本实施例提供一种具有高正向电流密度的氧化镓沟槽肖特基二极管，其结构如图5所示，其与实施例1的唯一区别在于：所述氧化镓沟槽肖特基二极管还包括：所述N型漂移区1中还设置有N型增强型掺杂区7，所述N型增强型掺杂区包覆所述沟槽与氧化物绝缘层2，并且、所述N型增强型掺杂区的掺杂浓度大于N型漂移区。
通过设置掺杂浓度大于N型漂移区的N型增强型掺杂区，能够在二极管正向导通时减小耗尽区宽度，从而扩展了电流的流通路径，进一步增大正向电流密度。
实施例6
本实施例提供一种具有高正向电流密度的碳化硅沟槽结势垒肖特基，其结构如图6所示，具体包括：
N型重掺杂衬底5，位于所述N型重掺杂衬底5下表面的金属阴极6，位于所述N型重掺杂衬底5上表面的N型漂移区1；
所述N型漂移区1的上表面开设有两个沟槽、且对称分布于两侧，使得N型漂移区1(横截面)呈“凸”字形；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极4，沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面均设置第一金属阳极3、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极3与第二金属阳极4相接触；所述N型漂移区1中还设置有P型重掺杂区，所述P型重掺杂区位于第二金属阳极4下表面(相接触)、且一一对应设置。
从工作原理上讲，与实施例1类似，本实施例中沟槽肖特基二极管器件，去掉了位于两个沟槽侧壁的P型重掺杂区，仅设置两个第二金属阳极下的P型重掺杂区；这样使得沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面的第一阳极金属3与N型漂移区1形成肖特基接触，增大了电流的导通面积，因此能够减小比导通电阻，从而增大了正向导通电流；与此同时，在加反向耐压时，通过PN结形成耗尽区能够有效屏蔽肖特基接触附近的高电场，从而将峰值电场从肖特基接触表面引入沟槽下方P型重掺杂区2与N型漂移区1的交界处位置。
实施例7
本实施例提供一种具有高正向电流密度的碳化硅沟槽结势垒肖特基，其结构如图7所示，其与实施例6的唯一区别在于：所述第二金属阳极4由多个第二金属阳极单元构成，第二金属阳极单元之间设置第一阳极金属3、且第一阳极金属3与N型漂移区形成肖特基接触；相应的，P型重掺杂区依然与第二金属阳极单元一一对应设置。
同理，所述第二金属阳极4分割为多个第二金属阳极单元的分割方向可以变换。
实施例8
本实施例提供一种具有高的正向电流密度的三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管，其结构如图8所示，具体包括：
N型重掺杂衬底5，位于所述N型重掺杂衬底5下表面的金属阴极6，位于所述N型重掺杂衬底5上表面的N型漂移区1；
所述N型漂移区1的上表面设置有四个深槽、且分别位于四边的中点位置；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极4，沟槽的侧壁与N型漂移区的上表面均设置第一金属阳极3、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极3与第二金属阳极4相接触；所述N型漂移区1中还设置有P型重掺杂区，所述P型重掺杂区位于第二金属阳极4下表面(相接触)、且一一对应设置。
本实施例提供的三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管的工作原理与实施例6类似，并且在其基础上，将两侧的沟槽结构变换为四边的深槽结构，在增加耗尽区对沟道的保护作用的同时进一步增大正向导通电流密度；与此同时，加反向电压时，通过不同方向上的P型重掺杂区2与N型掺杂区1形成的耗尽区能够更有效屏蔽肖特基接触附近的高电场，提高了反向击穿电压。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种高正向电流密度的碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管，包括：第一导电类型重掺杂衬底(5)，位于所述第一导电类型重掺杂衬底(5)下表面的金属阴极(6)，位于所述第一导电类型重掺杂衬底(5)上表面的第一导电类型漂移区(1)；其特征在于，
所述第一导电类型漂移区(1)的上表面开设有两个沟槽、且对称分布于两侧；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极(4)，沟槽的侧壁与第一导电类型漂移区的上表面均设置第一金属阳极(3)、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极(3)与第二金属阳极(4)相接触；所述第一导电类型漂移区(1)中还设置有第二导电类型重掺杂区(2)，所述第二导电类型重掺杂区位于第二金属阳极(4)下表面、且一一对应设置；
所述第二金属阳极(4)由多个第二金属阳极单元构成、且单元间设置第一阳极金属，第一阳极金属与第一导电类型漂移区形成肖特基接触。
2.一种高正向电流密度的三维碳化硅沟槽结势垒肖特基二极管，包括：第一导电类型重掺杂衬底(5)，位于所述第一导电类型重掺杂衬底(5)下表面的金属阴极(6)，位于所述第一导电类型重掺杂衬底(5)上表面的第一导电类型漂移区(1)；其特征在于，
所述第一导电类型漂移区(1)的上表面设置有四个深槽、且分别位于四边的中点位置；所述沟槽的底部分别设置第二金属阳极(4)，沟槽的侧壁与第一导电类型漂移区的上表面均设置第一金属阳极(3)、且均形成肖特基接触，所述第一金属阳极(3)与第二金属阳极(4)相接触；所述第一导电类型漂移区(1)中还设置有第二导电类型重掺杂区，所述第二导电类型重掺杂区位于第二金属阳极(4)下表面、且一一对应设置。
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