CN103426910B - 功率半导体元件及其边缘终端结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种沟槽式功率半导体元件及边缘终端结构，该边缘终端结构包括一基板、分别位在基板的表面和背面的第一与第二电极、一第一场板与一第二场板。沟槽式功率半导体元件包括一有源区与一边缘终端区，且在有源区旁的边缘终端区的基板表面具有一沟槽。第一场板则是设置于上述沟槽的侧壁并往其尾部延伸，且第一场板至少包括一L形电板、位于L形电板底下的一栅极绝缘层以及L形电板上的第一电极。第二场板至少包括一绝缘层与其上方的第一电极，其中绝缘层是覆盖沟槽的尾部并至少延伸覆盖L形电板的尾端。

Description

功率半导体元件及其边缘终端结构
技术领域
本发明是有关于一种功率半导体技术，且特别是有关于一种能提升击穿电压(breakdownvoltage)的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构。
背景技术
功率半导体元件一般用于开关模式电源或其他高速电源开关的装置中。通常功率半导体元件的需求除了是在有源区(activeregion)能通过大电流，还要具备能在终端区承受较大的击穿电压(breakdownvoltage)。
目前已经有几种功率半导体元件被广泛研究与使用，如肖特基势垒二极管。然而一般平板型肖特基势垒二极管因为有击穿电压不高的问题，所以近来发展出沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管(trenchMOSbarrierSchottkydiode，TMBSdiode)，如图1。
在图1中，沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管10主要是在N+衬底100上先形成N-外延层(N-epitaxiallayer)102，再于N-外延层102中形成多个沟槽式栅极104，且于沟槽式栅极104和N-外延层102之间设置栅极氧化层106。然后在N-外延层102表面与沟槽式栅极104表面沉积肖特基势垒金属层108与阳极金属110。
不过图1仅显示出有源区的结构，至于如何设计出适合沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管10的边缘终端结构，已是目前各界研究的重点之一，如美国专利US6,309,929和美国专利US6,396,090都有类似构想。
除了沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管之外，如沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管(trenchPowerMOSFET)、沟槽式绝缘栅双极性晶体管(trenchinsulatedgatebipolartransistor，trenchIGBT)等功率半导体元件都面临类似的问题。
发明内容
本发明提供一种沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，能提升击穿电压。
本发明另提供一种沟槽式功率半导体元件，具有能提升击穿电压的边缘终端结构。
本发明提供一种沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，包括一基板、一第一电极、一第二电极、一第一场板与一第二场板，其中第一与第二电极分别位于基板的表面和背面。所述沟槽式功率半导体元件包括一有源区与一边缘终端区，且在有源区旁的边缘终端区的基板的表面具有一沟槽。第一场板设置于沟槽的侧壁并往沟槽的尾部延伸，且第一场板至少包括一L形电板、位于L形电板底下的一栅极绝缘层以及L形电板上的上述第一电极。第二场板则至少包括一绝缘层与绝缘层上方的上述第一电极，其中绝缘层覆盖沟槽的尾部并至少延伸覆盖L形电板的尾端。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管(TMBSDiode)时，第一电极直接接触L形电板的表面，且基板包括一第一导电型衬底与形成于其上的第一导电型外延层。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管时，第二场板底下的绝缘层的厚度大于第一场板底下的栅极绝缘层的厚度。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管时，当栅极绝缘层延伸至第二场板的绝缘层底下时，第二场板的绝缘层和栅极绝缘层的厚度大于第一场板底下的栅极绝缘层的厚度。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管时，第二电极为阴极，且第一电极包括一层肖特基势垒金属层及其上的一阳极金属层。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式绝缘栅双极性晶体管(TrenchIGBT)时，绝缘层完全覆盖L形电板，且上述基板包括一第二导电型衬底、形成于第二导电型衬底上的一第一导电型缓冲层(bufferlayer)与形成于其上的第一导电型外延层。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式绝缘栅双极性晶体管时，第一电极为射极，且第二电极为集极。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式绝缘栅双极性晶体管时，还有一导电插塞穿过绝缘层电性连接第一电极与L形电板。另外，于绝缘层表面以及于导电插塞、第一电极、第一场板与绝缘层之间还有一势垒层(barrierlayer)。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管(TrenchPowerMOSFET)时，上述绝缘层完全覆盖L形电板，且基板包括一第一导电型衬底与形成于其上的第一导电型外延层。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管时，上述第一电极为源极，且第二电极为漏极。
在本发明的一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管时，还有一导电插塞穿过绝缘层电性连接第一电极与L形电板。另外，于绝缘层表面以及于导电插塞、第一电极、第一场板与绝缘层之间还有一势垒层。
本发明另提供一种沟槽式功率半导体元件，包括上述沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，且在上述有源区的基板表面内包括多个沟槽式栅极，而第一电极包括位于有源区的基板表面。
在本发明的另一实施例中，上述沟槽式功率半导体元件是沟槽式绝缘栅双极性晶体管或是沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管时，除电性连接第一电极与L形电板的导电插塞外，还包括穿过绝缘层电性连接第一电极与有源区内的基板的另一导电插塞。另外，于绝缘层表面以及于两导电插塞、第一电极、第一场板与绝缘层之间还有一势垒层。
基于上述，本发明的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，因为采用第一场板的设计再配合覆盖于第一场板并往外延伸的第二场板(如金属电极)，所以能提升元件的击穿电压。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是现有技术的一种沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管(TMBSDiode)的示意图；
图2A是本发明的第一实施例的一种沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管的剖面示意图；
图2B是图2A的沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管的耗尽区位置图；
图3是本发明的第二实施例的一种沟槽式绝缘栅双极性晶体管(TrenchIGBT)的剖面示意图；
图4是本发明的第三实施例的一种沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管(TrenchPowerMOSFET)的剖面示意图。
附图标记说明：
10、20：沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管；
20a、30a、40a：有源区；
20b、30b、40b：边缘终端区；
20c：终端区接触窗；
30：沟槽式绝缘栅双极性晶体管；
40：沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管；
100：N+衬底；
102：N-外延层；
104、226、320：沟槽式栅极；
106：栅极氧化层；
108、212：肖特基势垒金属层；
110：阳极金属；
200、300、400：基板；
200a、300a、400a：表面；
200b、300b、400b：背面；
202、302、402：第一电极；
204、304、404：第二电极；
206、306：沟槽；
206a：侧壁；
206b：尾部；
206c：顶部；
208、308：第一场板；
210、310：第二场板；
214：阳极金属层；
216、312：L形电板；
216a：顶端；
216b：尾端；
218、314：栅极绝缘层；
220、318：绝缘层；
222、406：第一导电型衬底；
224、328、408：第一导电型外延层；
230：耗尽区；
316、322：导电插塞；
324：第二导电型衬底；
326：第一导电型缓冲层；
330：势垒层；
t1、t2、t3：厚度。
具体实施方式
本发明所提供的是一种沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，可应用于如沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管(TMBSDiode)、沟槽式绝缘栅双极性晶体管(TrenchIGBT)或沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管(TrenchPowerMOSFET)等的沟槽式功率半导体元件。以下列举几个实施例来说明本发明的边缘终端结构。
图2A是本发明的第一实施例的一种沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管(TMBSDiode)的剖面示意图。在图2A中显示包含一有源区20a与一边缘终端区20b的沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管20。
请参照图2A，沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管20基本包括一基板200、一第一电极202(即阳极)与一第二电极204(即阴极)。第一电极202位于基板200表面200a，第二电极204则配置在基板200背面200b。在有源区20a旁的边缘终端区20b的基板200表面200a具有一沟槽206。沟槽206内设有第一场板208和第二场板210。第一场板208位于沟槽206的侧壁206a并往其尾部206b延伸。第一电极202则包括一层肖特基势垒金属层212与其上的阳极金属层214，且第一电极202从有源区20a延伸至沟槽206的尾部206b并覆盖第一场板208，因此第一场板208的长度小于边缘终端区20b内的第一电极202的长度；举例来说，第一场板208的长度约在5μm以上，如5μm～20μm左右，但是本发明并不限于此。上述阳极金属层214的材料譬如AlSiCu之类的金属材料。
在图2A中，第一场板208包括一个L形电板216、L形电板216底下的栅极绝缘层218与L形电板216上方的阳极金属层214，其中L形电板216的顶端216a高于沟槽206的顶部206c。L形电板216的材料如多晶硅。至于第二场板210至少包括一层绝缘层220与绝缘层220上方的阳极金属层214，绝缘层220是覆盖沟槽206的尾部206b并延伸覆盖L形电板216的尾端216b，其中绝缘层220的材料可以是用于内层介电层(ILD)的材料。通过终端区接触窗20c，使得第二场板210与第一场板208电性相连。因此，第一场板208的长度略大于终端区接触窗20c的长度，第二场板210的长度则约在5μm以上，如5μm～20μm左右，但是本发明并不限于此。因此，沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管20的耗尽区(depletionregion)会随第一场板208与第二场板210往元件边缘扩大，进一步提升击穿电压。
请再次参照图2A，因为第一场板208中的栅极绝缘层218延伸至第二场板210的绝缘层220底下，所以第一场板208中的栅极绝缘层218厚度t1明显小于第二场板210中的栅极绝缘层218加上绝缘层220的总厚度t2。不过，如果第一场板208中的栅极绝缘层218没有延伸至第二场板210的绝缘层220底下，则栅极绝缘层218厚度t1也应小于绝缘层220的厚度t3。因此，由于第二场板210较厚的绝缘层220可比较薄的栅极绝缘层218承受较高的电位差，故可进一步提升边缘终端区20b的击穿电压。
请继续参照图2A，基板200包括一第一导电型衬底222(如N+衬底)与形成于其上的第一导电型外延层224(如N-外延)。第一电极202直接接触有源区20a内的基板表面200a，且有源区20a内有至少一沟槽式栅极226，其中沟槽式栅极226譬如是多晶硅或金属所构成的结构，当然本发明并不限于此。
图2B是图2A的沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管的耗尽区位置图。由于第二场板210底下的绝缘层(与栅极绝缘层)的厚度较大，较厚的绝缘层(与栅极绝缘层)可承受较高的电位差，所以第二场板210能使基板200内的耗尽区230往元件边缘扩大，这点从耗尽区230内以及第一场板208与第二场板210底下的电位线也能得到证明，因此元件的击穿电压得以提升。
图3是本发明的第二实施例的一种沟槽式绝缘栅双极性晶体管(TrenchIGBT)的剖面示意图。在图3中显示包含一有源区30a与一边缘终端区30b的沟槽式绝缘栅双极性晶体管30。
请参照图3，沟槽式绝缘栅双极性晶体管30基本包括一基板300、位于基板300表面300a上的第一电极302(即射极)与位于基板300背面300b的第二电极304(即集极)。第一电极302位于基板300表面300a，第二电极304则配置在基板300背面300b，其中第二电极304的材料譬如AlSiCu之类的金属材料。在有源区30a旁的边缘终端区30b的基板300表面300a具有一沟槽306。沟槽306内设有第一场板308和第二场板310。第一电极302从有源区30a延伸至沟槽306并覆盖第一场板308，因此第一场板308的长度小于边缘终端区30b内的第一电极302的长度。第一场板308包括一个L形电板312、L形电板312底下的栅极绝缘层314与L形电板312上方通过至少一第一导电插塞316与其电性连接的第一电极302，其中L形电板312的材料如多晶硅，且L形电板312的形状与位置与第一实施例的L形电板一样；第一导电插塞316例如钨插塞。
请继续参照图3，第二场板310至少包括一层绝缘层318与绝缘层318上方的第一电极302，绝缘层318是覆盖沟槽306的尾部并完全覆盖L形电板312，其中绝缘层318的材料可用内层介电层(ILD)的材料。通过第一导电插塞316就能使得第二场板310与第一场板308电性相连。另外，有源区30a内的基板表面300a内则有至少一沟槽式栅极320，其中沟槽式栅极320譬如是多晶硅或金属所构成的结构，当然本发明并不限于此。至于绝缘层318完全覆盖有源区30a内的沟槽式栅极320。第一电极302可通过至少一第二导电插塞322穿过绝缘层318而与有源区30a内的基板300电性连接。第二导电插塞322例如钨插塞。基板300则包括一第二导电型衬底324(如P+衬底)、形成于第二导电型衬底324上的一第一导电型缓冲层326(如N+bufferlayer)与形成于其上的第一导电型外延层328(如N-外延)。另外，栅极绝缘层314还可延伸至第二场板310的绝缘层318底下。这层栅极绝缘层314同样存在沟槽式栅极320与第一导电型外延层328之间。而在绝缘层318表面以及位在两导电插塞316与322、第一电极302、L形电板312和绝缘层318之间还有一势垒层(barrierlayer)330，其材料如Ti/TiN。
图4是本发明的第三实施例的一种沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管的剖面示意图。在图4中显示包含一有源区40a与一边缘终端区40b的沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管40，并且使用与图3相同的元件符号来代表相同或类似的构件。
请参照图4，沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管40包括基板400、位于基板400表面400a上的第一电极402(即源极)与位于基板400背面400b的第二电极404(即漏极)。在本实施例中，基板400包括一第一导电型衬底406(如N+衬底)与形成于其上的第一导电型外延层408(如N-外延)。至于第三实施例的其它构件则可参照第二实施例，在此不再赘述。
综上所述，本发明通过结构上的设计，使边缘终端区的电板长度与厚度均增加，因此能使耗尽区扩大，进一步提升击穿电压。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (26)

1.一种沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，所述沟槽式功率半导体元件包括一有源区与一边缘终端区，而所述边缘终端结构包括：
一基板，在该有源区旁的该边缘终端区的该基板的表面具有一沟槽；
一第一电极，位于该基板的该表面；
一第二电极，配置在该基板的背面；
一第一场板，设置于该沟槽的侧壁并往该沟槽的尾部延伸，且该第一场板至少包括一L形电板、位于该L形电板底下的一栅极绝缘层以及该L形电板上的该第一电极；
一第二场板，至少包括一绝缘层与该绝缘层上方的该第一电极，其中该绝缘层覆盖该沟槽的该尾部并至少延伸覆盖该L形电板的尾端；以及
一势垒层，位于该绝缘层表面。
2.根据权利要求1所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，所述沟槽式功率半导体是沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管时，该第一电极直接接触该L形电板的表面，且该基板包括：
一第一导电型衬底；以及
一第一导电型外延层，形成于该第一导电型衬底上。
3.根据权利要求2所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该第二电极为阴极，且该第一电极包括：
一肖特基势垒金属层；以及
一阳极金属层，设置在该肖特基势垒金属层上。
4.根据权利要求2所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该第二场板的该绝缘层的厚度大于该第一场板的该栅极绝缘层的厚度。
5.根据权利要求2所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该栅极绝缘层还包括延伸至该第二场板的该绝缘层底下，且该第二场板的该绝缘层加上该栅极绝缘层的厚度大于该第一场板的该栅极绝缘层的厚度。
6.根据权利要求1所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，所述沟槽式功率半导体是沟槽式绝缘栅双极性晶体管时，该绝缘层完全覆盖该L形电板，且该基板包括：
一第二导电型衬底；
一第一导电型缓冲层，形成于该第二导电型衬底上；以及
一第一导电型外延层，形成于该第一导电型缓冲层上。
7.根据权利要求6所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该第一电极为射极，且该第二电极为集极。
8.根据权利要求6所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该边缘终端结构还包括一导电插塞，穿过该绝缘层电性连接该第一电极与该L形电板。
9.根据权利要求8所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该势垒层位于该导电插塞、该第一电极、该L形电板与该绝缘层之间。
10.根据权利要求1所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，所述沟槽式功率半导体是沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管时，该绝缘层完全覆盖该L形电板，且该基板包括：
一第一导电型衬底；以及
一第一导电型外延层，形成于该第一导电型衬底上。
11.根据权利要求10所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该第一电极为源极，且该第二电极为漏极。
12.根据权利要求10所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该边缘终端结构还包括一导电插塞，穿过该绝缘层电性连接该第一电极与该L形电板。
13.根据权利要求12所述的沟槽式功率半导体元件的边缘终端结构，其特征在于，该势垒层位于该导电插塞、该第一电极、该L形电板与该绝缘层之间。
14.一种沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该沟槽式功率半导体元件包括一有源区与一边缘终端区，所述沟槽式功率半导体元件包括：
一基板，在该有源区旁的该边缘终端区的该基板的表面具有一沟槽；
多个沟槽式栅极，位在该有源区的该基板的该表面内；
一第一电极，位于该有源区与该边缘终端区的该基板的该表面并覆盖这些沟槽式栅极；
一第二电极，配置在该基板的背面；
一第一场板，设置于该沟槽的侧壁并往该沟槽的尾部延伸，且该第一场板至少包括一L形电板、位于该L形电板底下的一栅极绝缘层以及该L形电板上的该第一电极；
一第二场板，至少包括一绝缘层与该绝缘层上方的该第一电极，其中该绝缘层覆盖该沟槽的该尾部并至少延伸覆盖该L形电板的尾端；以及
一势垒层，位于该绝缘层表面。
15.根据权利要求14所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，所述沟槽式功率半导体元件是沟槽式金属氧化物半导体肖特基势垒二极管时，该第一电极直接接触该L形电板的表面，且该基板包括：
一第一导电型衬底；以及
一第一导电型外延层，形成于该第一导电型衬底上。
16.根据权利要求15所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该第二电极为阴极，且该第一电极包括：
一肖特基势垒金属层；以及
一阳极金属层，设置在该肖特基势垒金属层上。
17.根据权利要求15所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该第二场板的该绝缘层的厚度大于该第一场板的该栅极绝缘层的厚度。
18.根据权利要求15所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该栅极绝缘层还包括延伸至该第二场板的该绝缘层底下，且该第二场板的该绝缘层加上该栅极绝缘层的厚度大于该第一场板的该栅极绝缘层的厚度。
19.根据权利要求14所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，所述沟槽式功率半导体元件是沟槽式绝缘栅双极性晶体管时，该绝缘层完全覆盖该L形电板，且该基板包括：
一第二导电型衬底；
一第一导电型缓冲层，形成于该第二导电型衬底上；以及
一第一导电型外延层，形成于该第一导电型缓冲层上。
20.根据权利要求19所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该第一电极为射极，且该第二电极为集极。
21.根据权利要求19所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该沟槽式功率半导体元件还包括：
一第一导电插塞，穿过该绝缘层电性连接该第一电极与该L形电板；以及
一第二导电插塞，穿过该绝缘层电性连接该第一电极与该有源区内的该基板。
22.根据权利要求21所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该势垒层位于该第一与该第二导电插塞、该第一电极、该L形电板与该绝缘层之间。
23.根据权利要求14所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，所述沟槽式功率半导体元件是沟槽式功率金属氧化物半导体场效应晶体管时，该绝缘层完全覆盖该L形电板，且该基板包括：
一第一导电型衬底；以及
一第一导电型外延层，形成于该第一导电型衬底上。
24.根据权利要求23所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该第一电极为源极，且该第二电极为漏极。
25.根据权利要求23所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该沟槽式功率半导体元件还包括：
一第一导电插塞，穿过该绝缘层电性连接该第一电极与该L形电板；以及
一第二导电插塞，穿过该绝缘层电性连接该第一电极与该有源区内的该基板。
26.根据权利要求25所述的沟槽式功率半导体元件，其特征在于，该势垒层位于该第一与该第二导电插塞、该第一电极、该L形电板与该绝缘层之间。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105453272B (zh) 2013-08-19 2020-08-21 出光兴产株式会社 氧化物半导体基板及肖特基势垒二极管元件
US9178015B2 (en) * 2014-01-10 2015-11-03 Vishay General Semiconductor Llc Trench MOS device having a termination structure with multiple field-relaxation trenches for high voltage applications
TWI546970B (zh) * 2014-05-13 2016-08-21 帥群微電子股份有限公司 半導體元件的終端結構及其製造方法
US9318587B2 (en) 2014-05-30 2016-04-19 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Injection control in semiconductor power devices
JP6763779B2 (ja) * 2014-11-18 2020-09-30 ローム株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
CN104900719A (zh) * 2015-05-12 2015-09-09 上海格瑞宝电子有限公司 一种沟槽肖特基二极管终端结构及其制备方法
CN112864222B (zh) * 2019-11-27 2022-04-12 苏州东微半导体股份有限公司 半导体功率器件
CN114300542B (zh) * 2021-12-31 2022-09-06 上海镓芯科技有限公司 一种薄膜型垂直结构的场效应功率晶体管

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1348203A (zh) * 2000-09-22 2002-05-08 通用半导体公司 形成沟道金属氧化物半导体器件和端子结构的方法
US7491633B2 (en) * 2006-06-16 2009-02-17 Chip Integration Tech. Co., Ltd. High switching speed two mask schottky diode with high field breakdown

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6078090A (en) 1997-04-02 2000-06-20 Siliconix Incorporated Trench-gated Schottky diode with integral clamping diode
GB0002235D0 (en) * 2000-02-02 2000-03-22 Koninkl Philips Electronics Nv Trenched schottky rectifiers
US6396090B1 (en) 2000-09-22 2002-05-28 Industrial Technology Research Institute Trench MOS device and termination structure
US6740951B2 (en) 2001-05-22 2004-05-25 General Semiconductor, Inc. Two-mask trench schottky diode
TW583748B (en) * 2003-03-28 2004-04-11 Mosel Vitelic Inc The termination structure of DMOS device
US7466005B2 (en) 2004-03-11 2008-12-16 International Rectifier Corporation Recessed termination for trench schottky device without junction curvature
JP4609656B2 (ja) * 2005-12-14 2011-01-12 サンケン電気株式会社 トレンチ構造半導体装置
US7560787B2 (en) * 2005-12-22 2009-07-14 Fairchild Semiconductor Corporation Trench field plate termination for power devices
JP4620075B2 (ja) * 2007-04-03 2011-01-26 株式会社東芝 電力用半導体素子
US7897997B2 (en) * 2008-02-23 2011-03-01 Force Mos Technology Co., Ltd. Trench IGBT with trench gates underneath contact areas of protection diodes
JP2012064849A (ja) * 2010-09-17 2012-03-29 Toshiba Corp 半導体装置
US8614482B2 (en) * 2011-12-30 2013-12-24 Force Mos Technology Co., Ltd. Semiconductor power device having improved termination structure for mask saving

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1348203A (zh) * 2000-09-22 2002-05-08 通用半导体公司 形成沟道金属氧化物半导体器件和端子结构的方法
US7491633B2 (en) * 2006-06-16 2009-02-17 Chip Integration Tech. Co., Ltd. High switching speed two mask schottky diode with high field breakdown

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