雙向耐壓碳化硅固態(tài)開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電力電子技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種雙向耐壓碳化娃固態(tài)開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]耐高壓、耐大電流、抗輻射、芯片化的半導(dǎo)體固態(tài)開關(guān)在航空航天、電力電子及功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間。傳統(tǒng)硅基固態(tài)開關(guān)性能已經(jīng)逼近材料極限，難以進(jìn)一步提升。寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料的禁帶寬度三倍于硅，擊穿場強(qiáng)比硅高一個數(shù)量級以上，可以大幅提升固態(tài)開關(guān)的耐壓、耐大電流、抗輻射能力以及小型化集成化水平。
[0003]已有的耐高壓、耐大電流的碳化硅固態(tài)開關(guān)主要包括碳化硅晶閘管、碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管、碳化硅集成門極換流晶閘管與碳化硅絕緣柵雙極型晶體管等。其中碳化硅晶閘管在導(dǎo)通電流存在時關(guān)斷較為困難，而其它開關(guān)依賴于其中的非對稱結(jié)構(gòu)(包括緩沖層等)實現(xiàn)有效關(guān)斷(即導(dǎo)通電流存在時的關(guān)斷)，使得僅需要門極關(guān)斷電壓或者脈沖電流，就可以有效關(guān)斷。1997年11月出版的《IEEE Electron Device Letters》第18卷第11期雜志中 “700-V Asymmetrical 4H_SiC Gate Turn-Off Thyristors (GTO，s)，，(P518-520)一文公開了基于N型重?fù)诫s襯底的非對稱結(jié)構(gòu)碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管器件，其通過在襯底和漂移層之間增加緩沖層，實現(xiàn)了導(dǎo)通電流存在條件下開關(guān)的有效關(guān)斷。公開的碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管、碳化硅集成門極換流晶閘管和碳化硅絕緣柵雙極型晶體管等都采用了類似的非對稱結(jié)構(gòu)，均可實現(xiàn)有效關(guān)斷。同時，非對稱結(jié)構(gòu)中緩沖層的存在，還可以改善漂移層的電場均勻性，從而可在耐壓不變的情況下，減小漂移層的厚度，降低開態(tài)電阻，提升開關(guān)頻率，降低器件成本。
[0004]由于N型重?fù)诫s襯底及緩沖層等非對稱結(jié)構(gòu)的引入，使得已有的碳化硅固態(tài)開關(guān)的反向耐壓要比正常工作時的正向耐壓要低很多。美國專利US7391057和US7615801公布了基于低摻雜高純半絕緣N型或者P型襯底的雙向耐壓碳化硅器件結(jié)構(gòu)與制造方法，可以實現(xiàn)雙向耐壓的碳化硅器件，并且以雙向耐壓碳化硅晶閘管為例介紹了該方法，但是并未提及是否解決了碳化硅晶閘管在導(dǎo)通電流存在時難以有效關(guān)斷的問題，同時其工藝過程需要在襯底的正反面進(jìn)行同等復(fù)雜度的加工，還需要在碳化硅器件側(cè)面(通常僅為數(shù)百um)通過等離子體刻蝕或者機(jī)械研磨/拋光的方法向內(nèi)形成具有一定坡度的對稱凹槽，其加工難度很大，且工藝特殊性較強(qiáng)，對固態(tài)開關(guān)的工藝難度、可靠性、可實現(xiàn)性等產(chǎn)生較大的影響。
[0005]因此，現(xiàn)有技術(shù)需要解決的技術(shù)問題是:提供一種可靠、有效且工藝簡單的新型碳化硅固態(tài)開關(guān)，可以實現(xiàn)有效關(guān)斷與雙向耐壓。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種雙向耐壓碳化硅固態(tài)開關(guān)，可以在可靠、有效且工藝簡單的前提下同時實現(xiàn)開關(guān)的有效關(guān)斷與雙向耐壓。
[0007]本實用新型所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種雙向耐壓碳化硅固態(tài)開關(guān)，其特征在于:包括碳化硅芯片、轉(zhuǎn)接板、定位板、鍵合層，碳化硅芯片包括碳化硅上芯片與碳化硅下芯片，轉(zhuǎn)接板的中間內(nèi)嵌有若干個縱向貫穿轉(zhuǎn)接板的互聯(lián)金屬柱，定位板包括上定位板和下定位板，鍵合層包括上鍵合層和下鍵合層；上定位板用于將碳化硅上芯片固定于上鍵合層上，下定位板用于將碳化硅下芯片固定于下鍵合層上；碳化硅上芯片、上定位板通過上鍵合層與轉(zhuǎn)接板上表面連接，碳化硅下芯片、下定位板通過下鍵合層與轉(zhuǎn)接板下表面連接；所述轉(zhuǎn)接板的中間內(nèi)嵌有若干個縱向貫穿轉(zhuǎn)接板的互聯(lián)金屬柱，通過互聯(lián)金屬柱實現(xiàn)電學(xué)互聯(lián)。
[0009]所述碳化硅上芯片的陰極通過上鍵合層與轉(zhuǎn)接板連接；碳化硅上芯片可以是碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管芯片，或者是碳化硅集成門極換流晶閘管芯片，或者是碳化硅絕緣柵雙極型晶體管芯片。
[0010]所述碳化硅下芯片的陽極通過下鍵合層與轉(zhuǎn)接板連接在一起；碳化硅下芯片可以是碳化硅PiN 二極管芯片，或者是碳化硅肖特基勢皇二極管芯片，或者是碳化硅結(jié)勢皇肖特基二極管芯片。
[0011]所述轉(zhuǎn)接板的材料可以是陶瓷，或高純絕緣碳化硅，或高純氮化鋁，或玻璃等材料，其厚度小于或等于1_，轉(zhuǎn)接板的中間設(shè)置有若干個縱向通孔，通孔中填充金屬形成互聯(lián)金屬柱。
[0012]所述定位板中間設(shè)置有芯片定位孔，用于固定碳化硅芯片，芯片定位孔的橫截面面積大于或等于相應(yīng)固定的碳化硅芯片的橫截面面積，芯片定位孔的厚度小于相應(yīng)固定的碳化硅芯片的厚度，芯片定位孔的形狀與相應(yīng)固定的碳化硅芯片的外形一致，即上定位板的芯片定位孔的形狀與上碳化硅芯片的形狀一致，下定位板的芯片定位孔的形狀與下碳化硅芯片的形狀一致。
[0013]所述定位板的材料均采用陶瓷，或高純絕緣碳化硅，或高純氮化鋁，或玻璃等材料。
[0014]所述轉(zhuǎn)接板和定位板之間可以通過燒結(jié)、或沉積、或鍵合等方式連接在一起。
[0015]所述碳化硅芯片與定位板之間的空隙處設(shè)置有起填充作用的絕緣鈍化層。
[0016]所述絕緣鈍化層的材料可以采用聚酰亞胺，或氧化硅，或氮化硅等材料。
[0017]本實用新型的原理是:通過碳化硅上芯片實現(xiàn)正向耐壓與有效關(guān)斷功能，碳化硅下芯片實現(xiàn)反向耐壓功能，碳化硅上芯片和碳化硅下芯片通過轉(zhuǎn)接板、互聯(lián)金屬柱、焊接鍵合層實現(xiàn)極低阻抗、感抗、容抗的電學(xué)互聯(lián)，串聯(lián)在一起，從而實現(xiàn)雙向耐壓與有效關(guān)斷的固態(tài)開關(guān)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型充分綜合了已有的碳化硅芯片的優(yōu)點(即碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管芯片或碳化硅集成門極換流晶閘管芯片或碳化硅絕緣柵雙極型晶體管芯片的正向耐壓、有效關(guān)斷等優(yōu)點，碳化硅PiN 二極管芯片或碳化硅肖特基勢皇二極管芯片或碳化硅結(jié)勢皇肖特基二極管芯片單向耐壓等優(yōu)點)，實現(xiàn)了碳化硅固態(tài)開關(guān)的雙向耐壓與有效關(guān)斷；固態(tài)開關(guān)的體積與碳化硅芯片相當(dāng)；固態(tài)開關(guān)性能指標(biāo)的實現(xiàn)分散到碳化硅上下芯片、轉(zhuǎn)接板等組成上，設(shè)計自由度更大；采用常用的碳化硅器件與封裝工藝，加工不存在挑戰(zhàn)性的難題，可以保證可靠性，可實現(xiàn)性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型雙向耐壓碳化硅固態(tài)開關(guān)剖視圖；
[0020]圖2為本實用新型雙向耐壓碳化硅固態(tài)開關(guān)頂視圖。
[0021]其中，附圖標(biāo)記為:11_碳化娃上芯片，12_碳化娃下芯片，2_轉(zhuǎn)接板，31_上定位板，32-下定位板，4-互聯(lián)金屬柱，51-上鍵合層，52-下鍵合層，6-絕緣鈍化層。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)一步說明。
[0023]實施例1