CN107591455B - 一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，包括SiC衬底；在SiC衬底上制作有第一外延层，即缓冲层；在第一外延层上制作有第二外延层，即漂移区；在第二外延层上端表面设置有多个沟槽结构，包围沟槽且延伸至沟道区的p结区；还包括位于诸沟槽外围且封闭的结终端；沟槽底、沟槽侧壁以及沟槽之间第二外延层表面覆盖有肖特基金属，肖特基金属覆盖有阳极压焊块；覆盖阳极压焊块边缘及结终端的绝缘介质薄膜，称为钝化层；SiC衬底背面覆盖有欧姆金属，欧姆金属覆盖有阴极压焊块；肖特基金属与阳极压焊块共同组成阳极，欧姆金属与阴极压焊块共同组成阴极。本发明的结构，更好的兼顾了器件的正向特性与反向特性。

Description

一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管

技术领域

本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管。

背景技术

SiC功率肖特基二极管(SBD)作为最早实现商品化的SiC功率器件，兼具了通态压降低与反向恢复时间几乎为零的优势，适合作为续流二极管与Si基IGBT等开关器件组成混合Si-SiC电力电子电路，降低开关损耗。随应用电路电压的提高，耐压性能良好的SiC结势垒肖特基二极管(JBS)成为主流。由于通态时器件中无电导调制，SiC JBS二极管保持了良好的反向恢复特性，但这也使耐压较高的SiC JBS二极管难以获得高的电流密度，不利于降低器件的通态损耗。

Na Ren等2014年在IEEE Transactions on Electron Devices发表文章《Designand experimental study of 4H-SiC trenched junction barrier schottky diodes》，文中通过向SiC JBS二极管中引入阳极沟槽，获得更大的设计窗口，使沟槽JBS二极管(TJBS)的比通态电阻较常规平面JBS二极管下降了约17％，有效改善了常规平面JBS二极管难以兼顾低导通压降与高阻断电压的缺点。然而，SiC TJBS二极管的设计窗口及其在兼顾低导通压降与高阻断电压方面的能力仍存在提升空间。

鉴于此，急需研制一种高性能、高可行性的技术方案，用于扩大SiC TJBS二极管的设计窗口，更好地兼顾器件的低导通压降与高阻断电压。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，解决了现有技术在SiC TJBS二极管的设计窗口及其在兼顾低导通压降与高阻断电压方面的能力不足的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，包括SiC衬底，该SiC衬底的材料掺杂类型为n型；

在SiC衬底上制作有第一外延层，即缓冲层，该缓冲层的材料掺杂类型为n型；

在第一外延层上制作有第二外延层，即漂移区，该漂移区的材料掺杂类型为n型；

在第二外延层上端表面设置有多个沟槽结构，包围沟槽的p结区，以沟槽剖面中心为界，两侧p结区分别呈台阶状，包括与沟槽底接触的第二外延层中的第一p结区、与沟槽侧壁接触的第二外延层中的第二p结区、在沟槽一侧第二外延层上端表面与沟槽侧壁相接触的第三p结区；

还包括位于诸沟槽外围且封闭的结终端，结终端包括终端台面以及位于终端台面下第二外延层中的终端p结区，终端台面侧壁的高度不小于沟槽的深度，不大于第二外延层厚度与终端p结区深度之和，终端p结区数量大于等于1；

沟槽底、沟槽侧壁以及沟槽之间第二外延层表面覆盖有肖特基金属，肖特基金属覆盖有阳极压焊块；

覆盖阳极压焊块边缘及结终端的绝缘介质薄膜，称为钝化层；

SiC衬底背面覆盖有欧姆金属，欧姆金属覆盖有阴极压焊块；

上述的肖特基金属与阳极压焊块共同组成阳极，欧姆金属与阴极压焊块共同组成阴极。

本发明的SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，其特征还在于：

所述的SiC衬底上端表面积为1μm²-2000cm²，选用4H-SiC或6H-SiC。

所述的缓冲层掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10²²cm^-3，厚度为0.1μm-5μm，上端表面积为1μm²-2000cm²，选用4H-SiC或6H-SiC。

所述的漂移区厚度为1μm-200μm，掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10¹⁷cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²，选用4H-SiC或6H-SiC。

所述的第二外延层各个沟槽深度为0.1μm-5μm，宽度为0.1μm-5μm，长度为0.1μm-1m；各个沟槽两侧壁之间的夹角不为0，相邻沟槽间距为0.1μm-20μm；俯视视角时沟槽为长条形、圆形、环形、矩形、三角形、六边形、渐开线形或螺旋线形，或其组合图形。

所述的第一p结区与第三p结区的纵向深度为0.1μm-1μm，第一p结区、第二p结区及第三p结区的材料掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10²²cm^-3，沟槽外侧第二外延层上端表面与沟槽侧壁相接的第三p结区宽0.025μm-9.95μm，包围两相邻沟槽的第三p结区不相接且间距为0.05μm-19.95μm。

所述的肖特基金属厚度为0.1μm-5μm，阳极压焊块厚度为0.1μm-100μm；所述的欧姆金属厚度为0.1μm-5μm，阴极压焊块厚度为0.1μm-100μm。

所述的钝化层选用氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化铪或聚酰亚胺之一，或氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化铪、聚酰亚胺中任意两种或多种的组合，其厚度为0.1μm-1mm。

所述的肖特基金属、欧姆金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料为Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一，或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。

本发明的有益效果是，该台阶状结势垒结构，增强了结势垒区的电场屏蔽效果，扩大了肖特基势垒二极管的设计窗口，更好的兼顾了器件的正向特性与反向特性，更好的兼顾了低导通电阻与高阻断电压，为高性能的SiC肖特基势垒二极管提供可行的技术方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例应用于1200V 4H-SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管的主器件结构示意图(即图1的局部)；

图3是本发明实施例应用于1200V 4H-SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管数值仿真的正向电流电压关系曲线，图中虚线为常规4H-SiC沟槽型结势垒肖特基二极管数值仿真的正向电流电压关系曲线；

图4是本发明实施例应用于1200V 4H-SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管数值仿真的导电沟道表面电场强度分布曲线，图中虚线为常规4H-SiC沟槽型结势垒肖特基二极管数值仿真的导电沟道表面电场强度分布曲线。

图中，1.SiC衬底，2.第一外延层，3.第二外延层，4.第一p结区，5.沟槽底，6.第二p结区，7.沟槽侧壁，8.第三p结区，9.阳极，10.钝化层，11.结终端，12.阴极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的结构是，包括SiC衬底1，该SiC衬底1的材料掺杂类型为n型，上端表面积为1μm²-2000cm²，还可以选用4H-SiC、6H-SiC或SiC的其他晶型，

在SiC衬底1上制作有第一外延层2，即缓冲层，该缓冲层的材料掺杂类型为n型，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10²²cm^-3，厚度为0.1μm-5μm，上端表面积为1μm²-2000cm²，还可以选用4H-SiC、6H-SiC或SiC的其他晶型；

在第一外延层上制作有第二外延层3，即漂移区，该漂移区的材料掺杂类型为n型，厚度为1μm-200μm，掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10¹⁷cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²，还可以选用4H-SiC、6H-SiC或SiC的其他晶型；

在第二外延层3上端表面设置有多个沟槽结构，通过刻蚀第二外延层3上端表面获得，各个沟槽深度为0.1μm-5μm，宽度为0.1μm-5μm，长度为0.1μm-1m，各个沟槽两侧壁之间的夹角不为0(即为斜面)，相邻沟槽间距为0.1μm-20μm，俯视视角时沟槽为长条形、圆形、环形、矩形、三角形、六边形、渐开线形或螺旋线形，或其组合图形；

包围沟槽的p结区，以沟槽剖面中心为界，两侧p结区分别呈台阶状，包括与沟槽底5接触的第二外延层3中的第一p结区4、与沟槽侧壁7接触的第二外延层3中的第二p结区6、在沟槽一侧第二外延层3上端表面与沟槽侧壁相接触的第三p结区8；

第一p结区4与第三p结区8的纵向深度为0.1μm-1μm，第一p结区4、第二p结区6及第三p结区8的材料掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10²²cm^-3，沟槽外侧第二外延层上端表面与沟槽侧壁相接的第三p结区8宽0.025μm-9.95μm，包围两相邻沟槽的第三p结区8不相接且间距为0.05μm-19.95μm；

还包括位于诸沟槽外围且封闭的结终端11，结终端11包括终端台面以及位于终端台面下第二外延层中的终端p结区，终端台面侧壁的高度不小于沟槽的深度，不大于第二外延层3厚度与终端p结区深度之和，终端p结区数量大于等于1；

沟槽底5、沟槽侧壁7以及沟槽之间第二外延层3表面覆盖有肖特基金属，该肖特基金属厚度为0.1μm-5μm；

肖特基金属覆盖有阳极压焊块，该阳极压焊块厚度为0.1μm-100μm；

覆盖阳极压焊块边缘及结终端11的绝缘介质薄膜，称为钝化层10，钝化层10选用氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化铪或聚酰亚胺之一，或氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化铪、聚酰亚胺中任意两种或多种的组合，其厚度为0.1μm-1mm；

SiC衬底1背面覆盖有欧姆金属，该欧姆金属厚度为0.1μm-5μm；

欧姆金属覆盖有阴极压焊块，该阴极压焊块厚度为0.1μm-100μm；

上述的肖特基金属与阳极压焊块共同组成阳极9，欧姆金属与阴极压焊块共同组成阴极12；

上述的肖特基金属、欧姆金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料为Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一，或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。

本发明在于创新的将沟槽型结势垒二极管(TJBS)的p结区延伸至沟道区域(相比于常规的TJBS即增加了图1中的8，p结区4、6、8相连后中线一侧的形状类似与台阶，即以沟槽剖面中心为界，两侧p结区分别呈台阶状，因此称为SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管。

实施例

下面以1200V SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管为例，对本发明进行进一步的详细说明。

参照图2，本实施例的主器件结构是，包括SiC衬底1，该SiC衬底1的晶型为4H-SiC，材料掺杂类型为n型，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为320μm；

在SiC衬底1上制作第一外延层2，即缓冲层，该缓冲层为4H-SiC，掺杂类型为n型，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，厚度为0.5μm；

在第一外延层上制作第二外延层3，即漂移区，该漂移区为4H-SiC，掺杂类型为n型，厚度为12μm，掺杂浓度为9×10¹⁵cm^-3；

在第二外延层3上端表面的多个沟槽结构，通过刻蚀第二外延层3上端表面获得，各沟槽深度为1μm，宽度为3μm，各沟槽间距为2μm，俯视视角时沟槽为长条形；

包围沟槽的p结区，以沟槽剖面中心为界，两侧p结区分别呈台阶状，包括在沟槽底5下第二外延层中的第一p结区4、沟槽侧壁7外第二外延层中的第二p结区6、在沟槽一侧第二外延层上端表面与沟槽侧壁相接的第三p结区8；第一p结区4及第三p结区8的纵向深度为0.5μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，沟槽外侧第二外延层上端表面与沟槽侧壁相接的第三p结区8宽0.3μm，包围两相邻沟槽的第三p结区8不相接且间距为1.4μm；

覆盖沟槽底5、侧壁7以及沟槽之间第二外延层表面的肖特基金属镍，厚度为0.2μm；

覆盖肖特基金属的阳极压焊块银，厚度为2μm；

覆盖衬底背面的欧姆金属镍，厚度为0.2μm；

覆盖欧姆金属的阴极压焊块铝，厚度为2μm；

上述的肖特基金属与阳极压焊块共同组成阳极9，欧姆金属与阴极压焊块共同组成阴极12。

本发明的性能，通过以下数值仿真进行验证。

使用Silvaco TCAD软件，对上述1200V 4H-SiC沟槽型台阶状结势垒二极管的正向电流电压特性及1200V反向阻断状态下导电沟道表面的电场分布进行了数值仿真，仿真中采用的器件结构如图2所示，经数值仿真，1200V4H-SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管的正向电流密度与电压的关系曲线如图3所示，1200V反向阻断状态下导电沟道表面的电场分布曲线如图4所示，图3与图4中虚线表示常规的1200V 4H-SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管的特性曲线。

通过对比可以看出，1200V 4H-SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管的正向导通电阻低于常规的1200V 4H-SiC沟槽型结势垒肖特基二极管的通态电阻，1200V反向阻断状态下，本发明1200V 4H-SiC沟槽型台阶状肖特基势垒二极管导电沟道表面电场强度也低于常规的1200V 4H-SiC沟槽型结势垒肖特基二极管导电沟道表面的电场强度，具有台阶状结势垒的肖特基势垒二极管正向特性与反向特性均得到明显提升。

Claims (3)

1.一种SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，其特征在于：包括SiC衬底(1)，该SiC衬底(1)的材料掺杂类型为n型，所述的SiC衬底(1)上端表面积为1μm²-2000cm²，选用4H-SiC或6H-SiC；

在SiC衬底(1)上制作有第一外延层(2)，即缓冲层，该缓冲层的材料掺杂类型为n型，缓冲层掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10²²cm^-3，厚度为0.1μm-5μm，上端表面积为1μm²-2000cm²，选用4H-SiC或6H-SiC；

在第一外延层上制作有第二外延层(3)，即漂移区，该漂移区的材料掺杂类型为n型，漂移区厚度为1μm-200μm，掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10¹⁷cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²，选用4H-SiC或6H-SiC；第二外延层(3)各个沟槽深度为0.1μm-5μm，宽度为0.1μm-5μm，长度为0.1μm-1m；各个沟槽两侧壁之间的夹角不为0，相邻沟槽间距为0.1μm-20μm；俯视视角时沟槽为长条形、圆形、环形、矩形、三角形、六边形、渐开线形或螺旋线形，或其组合图形；

在第二外延层(3)上端表面设置有多个沟槽结构，包围沟槽的p结区，以沟槽剖面中心为界，两侧p结区分别呈台阶状，包括与沟槽底(5)接触的第二外延层(3)中的第一p结区(4)、与沟槽侧壁(7)接触的第二外延层(3)中的第二p结区(6)、在沟槽一侧第二外延层(3)上端表面与沟槽侧壁(7)相接触的第三p结区(8)；第一p结区(4)与第三p结区(8)的纵向深度为0.1μm-1μm，第一p结区(4)、第二p结区(6)及第三p结区(8)的材料掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10²²cm^-3，沟槽外侧第二外延层上端表面与沟槽侧壁相接的第三p结区(8)宽0.025μm-9.95μm，包围两相邻沟槽的第三p结区(8)不相接且间距为0.05μm-19.95μm；

还包括位于诸沟槽外围且封闭的结终端(11)，结终端(11)包括终端台面以及位于终端台面下第二外延层中的终端p结区，终端台面侧壁的高度不小于沟槽的深度，不大于第二外延层(3)厚度与终端p结区深度之和，终端p结区数量大于等于1；

沟槽底(5)、沟槽侧壁(7)以及沟槽之间第二外延层(3)表面覆盖有肖特基金属，肖特基金属覆盖有阳极压焊块；

覆盖阳极压焊块边缘及结终端(11)的绝缘介质薄膜，称为钝化层(10)；

SiC衬底(1)背面覆盖有欧姆金属，欧姆金属覆盖有阴极压焊块；

上述的肖特基金属与阳极压焊块共同组成阳极(9)，欧姆金属与阴极压焊块共同组成阴极(12)，肖特基金属厚度为0.1μm-5μm，阳极压焊块厚度为0.1μm-100μm；所述的欧姆金属厚度为0.1μm-5μm，阴极压焊块厚度为0.1μm-100μm。

2.根据权利要求1所述的SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，其特征在于：所述的钝化层(10)选用氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化铪或聚酰亚胺之一，或氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化铪、聚酰亚胺中任意两种或多种的组合，其厚度为0.1μm-1mm。

3.根据权利要求1所述的SiC沟槽型台阶状结势垒肖特基二极管，其特征在于：所述的肖特基金属、欧姆金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料为Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一，或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。

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