本發明涉及一種碳化硅橫向功率半導體器件。

背景技術：

1、在包括電動車和太陽能逆變器在內的許多地面應用中，寬帶隙功率半導體器件正開始取代傳統的硅基器件。利用600-1700v碳化硅(sic)在比si器件更高的頻率和溫度下操作的能力，這有助于為各種應用提供更輕、更小、更高效的功率轉換器解決方案。nasa和esa都強調需要開發抗輻射sic功率器件，用于空間應用，包括衛星電源、離子推進器和太陽能電池陣。參考esa“escc?radiation?test?methods?and?guidelines(escc輻射測試方法和準則)”。然而，為了在空間中復制sic功率器件的成功，它們必須不受電荷的逐漸累積(被稱為總電離劑量(tid))的影響，也不受諸如質子、中子和重離子等高能粒子相互作用引起的單粒子效應(see)和單粒子燒毀(seb)的影響。

2、從根本上說，sic在耐受高輻射條件方面具有許多積極的材料特性。這包括高熱導率和原子位移能，同時在sic中產生電子-空穴對需要8-9ev的平均能量(比si高大約3倍)。市售sic?mosfet已經表現出超過esa的escc標準的優異的tid抗擾度，例如如a.akturketal.,“radiation?effects?in?commercial?1200v?24a?silicon?carbide?powermosfets”,ieee?transactions?on?nuclear?science,volume?59,pages?3258-3264(2012)(a.阿克他克等人,“商業1200v?24a碳化硅功率mosfet中的輻射效應”,《ieee核科學匯刊》,第59卷,第3258-3264頁(2012))(在下文中被稱為“akturk”)中所示。然而，在重離子轟擊下，市售sic器件在能量下具有較差的seb和segr彈性，遠低于esa的escc要求(即60mev.cm2/mg的線性能量轉移(let)下的1×107個粒子/cm2的注量)，如a.f.witulski?etal.,“single-event?burnout?mechanisms?in?sic?power?mosfets”ieee?transactionson?nuclear?science,volume?65,number?8,pages?1951-1955(2018)(a.f.維圖爾斯基等人,“sic功率mosfet中的單粒子燒毀機制”《ieee核科學匯刊》,第65卷,第8期,第1951-1955頁(2018))(在下文中被稱為“witulski”)，e.maset?et?al.,“prototyping?andcharacterization?of?1.2kv?sic?schottky?diodes?for?twta?application:thechallenge?to?meet?the?user?specification”in?e3s?web?of?conferences,volume?16,page?12005(2017)(e.馬塞特等人,“用于twta應用的1.2kv?sic肖特基二極管的原型設計和特性描述：滿足用戶規格的挑戰”《e3s會議網》,第16卷,第12005頁(2017))(在下文中被稱為“maset”)，akturk以及c.abbate?et?al.,“gate?damages?induced?in?sic?powermosfets?during?heavy-ion?irradiation—part?ii,”ieee?transactions?on?electrondevices,volume?66,number?10,pages4243-4250(2019)(c.阿貝特等人,“重離子輻照期間的sic功率mosfet中誘發的柵極損傷——第ii部分，”《ieee電子器件匯刊》,第66卷,第10期,第4243-4250頁(2019))(在下文中被稱為“abbate”)中所示。

3、多個小組已經表明，目前的sic器件，包括肖特基二極管和mosfet，在任何高于10mev.cm2/mg的let下，甚至在降低的關態電壓下(例如，對于1.2kv功率mosfet，在200-500v下)，都遭受嚴重的、永久的漏電流退化，這可能是由于自熱造成的損壞，如witulski、maset和akturk中所示。在更高的電壓下，會發生災難性的擊穿。由于市場上只有垂直單極器件，并且缺乏抗輻射sic產品，因此它們的使用需要大幅降額。

技術實現思路

1、根據本發明的第一方面，提供了一種橫向碳化硅功率半導體器件。該半導體器件包括襯底和設置在襯底上并且具有主表面的碳化硅半導體結構。半導體結構包括設置在襯底上的第一導電類型的層和與第一導電類型相反的第二導電類型的層狀漂移區，該層狀漂移區直接設置在層上以在層和漂移區之間形成界面。漂移區在第一和第二端之間沿著主表面橫向延伸。漂移區中的摻雜和層被布置成耗盡漂移區(換句話說，漂移區和層具有resurf配置)。該半導體器件包括漂移區的第一端的第一接觸區。該半導體器件包括漂移區的第二端的第二接觸區，該第二接觸區是高摻雜的，為第一或第二導電類型，可以從主表面延伸到半導體結構中，并且鄰接漂移區的第二端，設置在漂移區中或者設置在鄰接漂移區的第二端的區域中。該半導體器件包括第一導電類型的高摻雜區，該高摻雜區從主表面延伸到半導體結構中并且鄰接漂移區的第一端，其中高摻雜區具有大于漂移區的厚度。

2、這可以提供抗輻射器件。特別地，resurf結構使得能夠采用橫向配置，這有助于降低災難性離子碰撞的統計可能性，同時當從單粒子故障中恢復時，高摻雜區可以為第一導電類型的帶電載流子(例如，空穴)提供逃逸路線；并且還可以用于對漂移區進行電荷補償：高摻雜區越深，則漂移區可以被摻雜到越高的濃度，這可以降低器件電阻。

3、層狀漂移區可以在漂移區的第一和第二端之間包括至少第一和第二區段，其中第一區域中的摻雜濃度低于第二區域中的摻雜濃度。將漂移區分成兩個或更多個區域可以有助于改善漂移區中的電場分布，并且可以有助于漏電流恢復或在離子撞擊后更快地恢復。

4、層狀漂移區可以具有摻雜分布，使得摻雜濃度在漂移區的第一和第二端之間增加。

5、漂移區可以具有介于0.1和10μm之間、介于0.1和2μm之間或者介于0.2和0.8μm之間的厚度。漂移區優選地具有介于0.45μm和0.55μm之間的厚度，例如0.5μm。漂移區可以在第一和第二端之間具有介于2和35μm或介于5和20μm之間的長度。漂移區可以具有介于5×1015cm–3和1×1018cm–3之間或介于1×1016cm–3和5×1017cm–3之間的摻雜濃度。靠近漂移區的第一端的漂移區的第一部分(或“第一區段”)中的第一摻雜濃度優選地低于靠近第二端的第二部分(或“第二區段”)中的第二摻雜濃度。

6、高摻雜區可以在層和漂移區之間的界面下方延伸介于0.1和10μm之間、介于1和6μm之間或介于2.5和5μm之間的距離δ。高摻雜區可以具有至少1×1018cm–3的摻雜濃度。

7、第一導電類型可以為p型，并且第二導電類型可以為n型。

8、該半導體器件可以包括直接設置在具有第一和第二端的漂移區上的電介質層，該電介質層部分覆蓋漂移區。電介質層可以包括用于接觸第一接觸區的第一接觸窗口。電介質層可以包括用于接觸第二接觸區的第二接觸窗口。

9、第一接觸區可以包括漂移區的一部分。該部分可以是漂移區靠近第一端的端部。第一接觸區可以比漂移區摻雜得更重，并且為第一或第二導電類型。第一接觸區可以從主表面延伸到半導體結構中。第一接觸區可以鄰接漂移區的第一端或者設置在漂移區中。

10、該半導體器件可以包括被布置成接觸第一接觸區的第一端子或第一金屬化層。

11、該半導體器件還可以包括第一導電類型的淺摻雜區，該淺摻雜區位于主表面處的電介質層的一端處，優選地鄰近陽極區或肖特基接觸。淺摻雜區140可以有助于抑制關態泄漏。淺摻雜區可以為p型。淺摻雜區可以被布置為環。淺摻雜區可以具有介于5×1017cm–3和1×1019cm–3之間的摻雜濃度，優選約1×1018cm–3。淺摻雜區的厚度可以介于漂移區的厚度的10％和50％之間，優選介于漂移區的厚度的15％和25％之間。淺摻雜區可以具有介于50nm和250nm之間的厚度，并且可以具有約100nm的厚度。淺摻雜區可以具有至多漂移區的寬度wn-漂移一半的寬度，并且可以具有介于100nm和5μm之間的寬度。

12、該半導體器件還可以包括位于摻雜區下面并與其直接接觸的第二導電類型的另一摻雜區。這可以用于形成雙resurf結構。該另一摻雜區可以為n型。該另一摻雜區可以被布置為環。該另一摻雜區可以具有介于1×1017cm–3和1×1019cm–3之間的摻雜濃度。該另一摻雜區的厚度可以介于漂移區的厚度的10％和50％之間，優選介于漂移區的厚度的15％和25％之間。該摻雜區可以具有至少50nm的厚度，并且可以延伸到第一導電類型的層的上表面。該另一摻雜區可以與淺摻雜區相毗連。

13、該半導體器件可以包括被布置成接觸第二接觸區的第二端子或第二金屬化層。

14、漂移區可以從主表面延伸到結構中，并且漂移區可以在界面和主表面之間具有厚度。在漂移區的頂部是主表面的單resurf配置的情況下，漂移區可以在界面和主表面之間被耗盡。

15、橫向碳化硅功率半導體器件還可以包括直接設置在漂移區上的第一導電類型的層狀區。因此，可以使用雙resurf結構。

16、橫向碳化硅功率半導體器件可以被配置為具有介于400和1000v之間的擊穿電壓。漂移區中的摻雜在第一和第二端之間可以是恒定的(換句話說，是單區段漂移區)。橫向碳化硅功率半導體器件可以具有介于1000和1400v之間的擊穿電壓。橫向碳化硅功率半導體器件可以具有介于1400和3500v之間或介于1400和4000v之間的擊穿電壓。層狀漂移區可以在漂移區的第一和第二端之間包括至少第一和第二區段，其中第一區域中的摻雜濃度低于第二區域中的摻雜濃度，或者層狀漂移區具有摻雜分布，使得摻雜濃度在漂移區的第一和第二端之間增加。

17、橫向碳化硅功率半導體器件可以被配置為肖特基勢壘二極管或pin二極管。第一接觸區可以是陽極，并且第二接觸區可以是陰極。

18、橫向碳化硅功率半導體器件可以被配置為mosfet。第一接觸區可以是源極，并且第二接觸區可以是漏極。

19、橫向碳化硅功率半導體器件可以被配置為igbt。第一接觸可以是發射極，并且第二接觸可以是集電極。

20、橫向碳化硅功率半導體器件可以包括柵極和柵極電介質，其中柵極電介質直接設置在漂移區的一部分上并且插置在柵極和漂移區之間。

21、根據本發明的第二方面，提供了一種單片半導體器件，該單片半導體器件包括多個第一方面的橫向碳化硅功率半導體器件。

22、根據本發明的第三方面，提供了一種運載工具，該運載工具包括第一方面的橫向碳化硅功率半導體器件。該運載工具可以是(太空)發射運載工具、航天器(如衛星)、航空器或其他運載工具，其可行進的環境經受電離輻射、重離子輻照和/或質子輻照(例如，10mev.cm2/mg或60mev.cm2/mg的線性能量轉移(let)下的至多1×107個粒子/cm2的注量)，此類環境包括海拔7500m以上、低地球軌道或低地球軌道以外、地球軌道以外或另一行星(諸如火星)的大氣層。

23、根據本發明的第四方面，提供了一種儀器，該儀器包括第一方面的橫向碳化硅功率半導體器件。該儀器可以用于部署在經受電離輻射、重離子輻照和/或質子輻照(例如，10mev.cm2/mg或60mev.cm2/mg的線性能量轉移(let)下的至多1×107個粒子/cm2的注量)的環境中。該環境可以是回旋加速器附近、反應堆附近、海拔7500m以上、低地球軌道或低地球軌道以外、地球軌道以外或另一行星(諸如火星)的大氣層。

24、根據本發明的第三方面，提供了一種操作第一方面的橫向碳化硅功率半導體器件的方法，該方法包括將橫向碳化硅功率半導體器件放置在經受電離輻射、重離子輻照和/或質子輻照的環境中；和跨漂移區施加至少400v、至少650v、至少1200v、至少2000v或至少3000v的偏壓。