一种半导体器件结构、电子设备及制备方法与流程

本技术涉及半导体，特别是涉及一种半导体器件结构、电子设备及制备方法。

背景技术：

1、目前，在宽禁带及超宽禁带半导体功率器件领域，氧化镓（ga2o3）肖特基二极管因其优异的物理特性而备受关注。然而，此类器件在航空航天等高辐射环境中应用时，仍面临严峻的可靠性挑战。当器件受到伽马射线、中子或质子等高能粒子辐照时，会在半导体材料内部产生大量缺陷（如界面态、空位等陷阱中心）。这些缺陷作为产生-复合中心或漏电流通道，会导致器件在反向偏置状态下产生显著的非平衡载流子，进而引起反向漏电流急剧增大、反向击穿电压退化，严重限制了其在极端环境下的长期稳定运行。现有抗辐照加固技术多侧重于材料改性或屏蔽设计，难以在不牺牲正向电学性能的前提下，有效抑制辐照感生载流子引起的纵向漏电问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的半导体器件在辐照环境下因非平衡载流子导致反向漏电流增大及可靠性降低的问题，本技术通过半导体器件结构、电子设备以及制造方法，实现利用磁场与侧边复合区的协同作用主动湮灭非平衡载流子，从而提升器件的抗辐照能力。

2、第一方面，本技术提供了一种半导体器件结构，包括：

3、半导体主体，具有沿第一方向的主电场；

4、载流子复合区，位于所述半导体主体的侧边，所述载流子复合区的掺杂浓度高于所述半导体主体的有源区的掺杂浓度；

5、磁场发生结构，配置为在所述半导体主体内产生偏转磁场，所述偏转磁场的方向垂直于所述第一方向，以使所述半导体主体内的非平衡载流子受洛伦兹力作用向所述载流子复合区偏转。

6、上述方案通过在半导体主体侧边设置高掺杂的载流子复合区，并配合垂直于主电场的偏转磁场，构建了“磁场驱动偏转+高掺杂区快速复合”的协同机制。当器件处于反向偏置并受到辐照时，产生的非平衡载流子在洛伦兹力作用下偏离原有的纵向漂移路径，被强制导向侧边的载流子复合区；由于该区域掺杂浓度远高于有源区，提供了高密度的复合中心，使进入该区域的非平衡载流子在极短时间内被湮灭，从而有效切断了纵向漏电通道，提升了器件的反向击穿电压和抗辐照可靠性。

7、在其中一个实施例中，所述载流子复合区包括：

8、重掺杂复合层；

9、缓冲过渡层，位于所述重掺杂复合层与所述有源区之间；

10、其中，所述缓冲过渡层的掺杂浓度介于所述重掺杂复合层的掺杂浓度与所述有源区的掺杂浓度之间。

11、本实施例通过引入掺杂浓度梯度的缓冲过渡层，一方面避免了重掺杂复合层与有源区直接接触导致的能带突变和电场尖峰，防止器件在高压下发生提前击穿；另一方面，平缓的浓度梯度有利于引导非平衡载流子顺畅地扩散进入重掺杂复合层，提高了载流子的收集效率与复合速率。

12、在其中一个实施例中，所述半导体主体的材料包括β-ga2o3；

13、所述有源区的掺杂元素包括si，掺杂浓度处于数量级；

14、所述缓冲过渡层的掺杂元素包括sn，掺杂浓度处于数量级；

15、所述重掺杂复合层的掺杂元素包括sn，掺杂浓度处于数量级。

16、本实施例针对β-ga2o3材料体系优化了具体的掺杂参数。量级的重掺杂sn确保了极高的多数载流子浓度，使少数载流子寿命缩短至皮秒级，形成高效的“湮灭区”；量级的缓冲层既保证了足够的导电性以辅助载流子输运，又维持了必要的耗尽层扩展能力；量级的有源区则保障了器件正常的正向导通特性与耐压能力。

17、在其中一个实施例中，所述磁场发生结构覆盖于所述半导体主体的外围侧壁。

18、本实施例明确了磁场发生结构的空间布局与磁场矢量方向。将磁场发生结构覆盖于外围侧壁，确保了偏转磁场能够均匀作用于整个有源区边缘；磁场方向垂直于主电场并指向复合区，符合左手定则，确保特定类型的非平衡载流子（如空穴）受到的洛伦兹力始终指向侧边复合区，最大化了载流子的横向偏移量与收集概率。

19、在其中一个实施例中，所述磁场发生结构包括：

20、磁性材料层，包括永磁体层或电磁线圈；

21、绝缘隔离层，位于所述磁性材料层与所述半导体主体之间，用于隔离所述磁性材料层与所述半导体主体。

22、本实施例提供了磁场发生结构的具体实现形式。采用永磁体或电磁线圈赋予了设计灵活性，以适应不同的封装尺寸与磁场强度需求；绝缘隔离层的设置至关重要，它防止了磁性材料（尤其是导电的金属磁体）与半导体主体直接接触导致的短路或漏电风险，同时也可作为应力缓冲层保护器件表面。

23、在其中一个实施例中，所述半导体主体包括：

24、衬底层；

25、外延漂移层，位于所述衬底层上；

26、所述半导体器件结构还包括：

27、阳极，与所述半导体主体形成肖特基接触；

28、阴极，与所述半导体主体形成欧姆接触。

29、本实施例界定了器件的基本纵向结构与电极类型。外延漂移层作为主要的耐压与导电区域，其质量直接决定器件性能；肖特基阳极与欧姆阴极的组合是肖特基势垒二极管的标准配置，确保了器件具备低开启电压与单向导电特性。

30、在其中一个实施例中，所述阳极包括依次层叠的ni层和au层；

31、所述阴极包括依次层叠的ti层和au层；

32、所述半导体器件结构采用双引脚封装。

33、本实施例具体化了电极金属材料与封装形式。ni/au组合可形成稳定的肖特基势垒高度，ti/au组合则能与n型ga2o3形成低阻欧姆接触；双引脚封装（如to封装）便于集成与应用，且与侧边磁场结构的兼容性良好。

34、在其中一个实施例中，所述半导体器件结构还包括：

35、钝化保护层，覆盖于所述半导体主体的表面；

36、所述载流子复合区配置为在所述半导体器件处于反向偏置状态下吸收所述半导体主体边缘区域的非平衡载流子，以抑制表面漏电流。

37、本实施例拓展了载流子复合区的功能定义。除了作为辐照下的载流子收集阱外，侧边的高掺杂复合区在常规工作条件下也能吸收表面态或边缘效应产生的多余载流子，起到类似场板或钝化层的电场调制与漏电抑制作用，进一步增强了器件的综合可靠性。

38、此外，本技术还提供了一种电子设备，包括：如上述的半导体器件结构；

39、外围电路组件，与所述半导体器件结构电连接。

40、上述电子设备通过集成具有抗辐照漏电抑制能力的半导体器件结构，提升了整机系统在空间辐射、核反应堆监测等恶劣环境下的工作稳定性与寿命，降低了因单粒子效应或总剂量效应导致的系统失效风险。

41、此外，本技术还提供了一种半导体器件的制造方法，所述方法包括：

42、提供半导体衬底，在所述半导体衬底的侧边区域通过刻蚀和外延生长工艺形成载流子复合区，所述载流子复合区的掺杂浓度高于有源区的掺杂浓度；

43、在所述半导体衬底上外延生长外延漂移层，形成包含所述有源区的半导体主体；

44、在所述半导体主体上形成电极接触；

45、在所述半导体主体的外围装配磁场发生结构，所述磁场发生结构配置为产生垂直于所述半导体主体的主电场方向的偏转磁场，以使所述半导体主体内的非平衡载流子受洛伦兹力作用向所述载流子复合区偏转。

46、上述制造方法通过“先刻蚀/掺杂形成侧边复合区，再外延生长主体，最后装配磁场”的工艺顺序，实现了核心抗辐照结构与标准半导体工艺的兼容。特别是将磁场发生结构的装配置于后道工序，避免了高温外延或退火工艺对磁性材料性能的损伤，同时也便于根据不同应用需求灵活调整磁场参数。

47、有益效果：

48、上述半导体器件结构、电子设备以及制造方法，通过侧边高掺杂载流子复合区与横向偏转磁场的协同设计，改变了辐照感生非平衡载流子的输运与归宿，核心原理在于利用洛伦兹力将原本沿纵向电场漂移、易引发漏电的载流子强制偏转至侧边高掺杂区，并利用该区极高的多子浓度实现载流子的极速复合湮灭。这一机制不仅有效抑制了辐照条件下的反向漏电流，提升了反向击穿电压，而且由于磁场作用仅在反偏且有载流子运动时生效，不会对器件的正向导通特性造成负面影响，实现了抗辐照性能与常规电学性能的完美解耦与兼顾。