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CN111883577B - 一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管 - Google Patents

一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管 Download PDF

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CN111883577B CN202010546031.2A CN202010546031A CN111883577B CN 111883577 B CN111883577 B CN 111883577B CN 202010546031 A CN202010546031 A CN 202010546031A CN 111883577 B CN111883577 B CN 111883577B
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Abstract

本发明公开的一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,包括材料为n型SiC的衬底,衬底一面依次外延有缓冲层、漂移区、沟道扩展区,沟道扩展区上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽,每个阳极沟槽侧壁和底端均外延p+结区,沟道扩展区上最高面外延p型接触区,p+结区、p型接触区上覆盖连接欧姆接触阳极,衬底另一面覆盖连接欧姆接触阴极;本发明一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管通过在沟道区与阳极之间设置超薄p型接触区,避免了传统碳化硅单极二极管需要同时兼顾阳极与p型、n型碳化硅之间的接触问题,简化了电极制作工艺,降低了器件工艺的复杂度,提高了器件的可行性。

Description

一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域,具体涉及一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管。
背景技术
碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大,热导率高,临界雪崩击穿电场强度高,饱和载流子漂移速度大,热稳定性好等特点,是制造功率半导体器件的理想材料。SiC高压器件与同等级的硅器件相比,具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的热特性,更适合应用于电力电子电路。
SiC功率肖特基二极管(SBD)作为最早实现商品化的SiC单极型功率器件,兼具了通态压降低与快反向恢复速度的优势,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,但这也使高压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。硅基混合pn-肖特基势垒(MPS)二极管可以通过调节额外载流子的注入率,使器件的压降与反向恢复时间得到较好的兼顾。但SiC pn结的门槛电压明显高于SiC MPS二极管所使用的肖特基势垒,电导调制效应只能在器件遭受浪涌冲击时起作用,且注入空穴所需的门槛电压较高。于此同时,由于SiC JBS二极管及SiC MPS二极管阳极金半接触高温性能较差,二者均难以承受较高的工作温度,大大限制了SiC材料高温性能的发挥。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,解决了现有SiC单极二极管抗浪涌性能差的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,包括材料为n型SiC的衬底,衬底一面依次外延有缓冲层、漂移区、沟道扩展区,沟道扩展区上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽,每个阳极沟槽侧壁和底端均外延p+结区,沟道扩展区上最高面外延p型接触区,p+结区、p型接触区上覆盖连接欧姆接触阳极,衬底另一面覆盖连接欧姆接触阴极。
本发明的特点还在于:
衬底厚度为5.0μm~500μm。
缓冲层掺杂浓度为5×1017cm-3~1×1019cm-3,厚度为0.5μm~1.0μm。
漂移区掺杂浓度为1×1014cm-3~1×1017cm-3,厚度为5.0μm~200μm。
沟道扩展区厚度为0.5μm~3.5μm,沟道扩展区掺杂浓度由上表面至下表面渐变,且上表面的掺杂浓度不低于下表面的掺杂浓度,上表面掺杂浓度为2×1014cm-3~1×1018cm-3,下表面的掺杂浓度为1×1014cm-3~2×1016cm-3
p+结区掺杂浓度为1×1018cm-3~2×1019cm-3,结深为0.3μm~0.8μm。
p型接触区掺杂浓度为1×1014cm-3~1×1018cm-3,厚度为1.0nm~50nm。
本发明一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管有益效果是:
(1)具有更优的耐高温性能:沟道区最高面连接有超薄的p型接触区,该超薄p型接触区与阳极电极形成欧姆接触,避免了SiC肖特基势垒二极管中沟道区表面n型区存在的阳极金半接触高温稳定性差的问题,提高了二极管的耐高温性能;
(2)具有更优的抗浪涌性能:沟道区开设若干个矩形的阳极沟槽,每个阳极沟槽的侧壁和底端均连接p+结区,沟道区最高面连接有超薄的p型接触区,p+结区、p型接触区外连接欧姆接触阳极,由于p+结区连接欧姆接触阳极,当二极管遭受浪涌冲击时,p+结区向沟道扩展区与漂移区注入空穴,降低器件电阻,实现抗浪涌性能的提升;
(3)具有沟道区电子加速输运功能:由于沟道扩展区杂质浓度自上至下呈递减分布规律设置,沟道扩展区会存在自上指向下的电场,加速电子的输运,提高二极管的工作速度;
(4)具有更简化的制作工艺:由于超薄p接触区与p+结区的设置,二极管欧姆接触阳极只与p型区连接,在制作欧姆接触阳极时,只需要实现阳极与p型碳化硅的欧姆接触工艺目标,避免了SiC MPS二极管以及SiC JBD二极管需要同时兼顾阳极与p型、n型碳化硅之间的接触问题,简化了工艺;
(5)具有更优的耐高压性能:沟道区开设若干个矩形的阳极沟槽,每个阳极沟槽的侧壁和底端均连接p+结区,沟道区最高面连接有超薄的p型接触区,阴极与阳极之间存在pn结,pn结势垒起到了良好的耐压作用,提高了耐高压性能。
附图说明
图1是本发明一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管结构示意图;
图2是本发明制备的一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管在3300V下正向导通特性数值仿真结果示意图;
图3是本发明制备的一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管在3300V的反向阻断特性数值仿真结果示意图。
图中,1.衬底,2.缓冲层,3.漂移区,4.沟道扩展区,5.p+结区,6.p型接触区,7.欧姆接触阳极,8.阳极沟槽,9.欧姆接触阴极。
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。
本发明一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,如图1所示,包括材料为n型SiC的衬底1,衬底1一面依次外延有缓冲层2、漂移区3、沟道扩展区4,沟道扩展区4上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽8,每个阳极沟槽8侧壁和底端均外延p+结区5,沟道扩展区4上最高面外延p型接触区6,p+结区5、p型接触区6上覆盖连接欧姆接触阳极7,衬底1另一面覆盖连接欧姆接触阴极9。
衬底1厚度为5.0μm~500μm。
缓冲层2掺杂浓度为5×1017cm-3~1×1019cm-3,厚度为0.5μm~1.0μm。
漂移区3掺杂浓度为1×1014cm-3~1×1017cm-3,厚度为5.0μm~200μm。
沟道扩展区4厚度为0.5μm~3.5μm,沟道扩展区4掺杂浓度由上表面至下表面渐变,且上表面的掺杂浓度不低于下表面的掺杂浓度,上表面掺杂浓度为2×1014cm-3~1×1018cm-3,下表面的掺杂浓度为1×1014cm-3~2×1016cm-3
p+结区5掺杂浓度为1×1018cm-3~2×1019cm-3,结深为0.3μm~0.8μm。
p型接触区6掺杂浓度为1×1014cm-3~1×1018cm-3,厚度为1.0nm~50nm。
实施例1
一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,包括衬底1,衬底1材料为n型4H-SiC,厚度为5.0μm,衬底1一面依次外延有缓冲层2、漂移区3、沟道扩展区4,缓冲层2掺杂浓度为1×1019cm-3,厚度为0.5μm,漂移区3掺杂浓度为1×1014cm-3,厚度为200μm,沟道扩展区4厚度为0.5μm,沟道扩展区4掺杂浓度由上表面至下表面渐变,且上表面的掺杂浓度不低于下表面的掺杂浓度,上表面掺杂浓度为2×1014cm-3,下表面的掺杂浓度为1×1014cm-3,沟道扩展区4上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽8,每个阳极沟槽8侧壁和底端均覆盖p+结区5,掺杂浓度为1×1018cm-3,结深为0.3μm,沟道扩展区4上最高面覆盖p型接触区6,掺杂浓度为1×1014cm-3,厚度为1.0nm,p+结区5、p型接触区6上覆盖欧姆接触阳极7,衬底1另一面覆盖欧姆接触阴极9。
实施例2
一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,包括衬底1,衬底1材料为n型4H-SiC,厚度为50μm,衬底1一面依次外延有缓冲层2、漂移区3、沟道扩展区4,缓冲层2掺杂浓度为1×1018cm-3,厚度为0.5μm,漂移区3掺杂浓度为2×1015cm-3,厚度为28.5μm,沟道扩展区4厚度为1.5μm,沟道扩展区4掺杂浓度由上表面至下表面渐变,且上表面的掺杂浓度不低于下表面的掺杂浓度,上表面掺杂浓度为5×1015m-3,下表面的掺杂浓度为2×1015cm-3,沟道扩展区4上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽8,每个阳极沟槽8侧壁和底端均覆盖p+结区5,掺杂浓度为5×1018cm-3,结深为0.5μm,沟道扩展区4上最高面覆盖p型接触区6,掺杂浓度为2×1017cm-3,厚度为10nm,p+结区5、p型接触区6上覆盖欧姆接触阳极7,衬底1另一面覆盖欧姆接触阴极9。
实施例3
一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,包括衬底1,衬底1材料为n型4H-SiC,厚度为500μm,衬底1一面依次外延有缓冲层2、漂移区3、沟道扩展区4,缓冲层2掺杂浓度为5×1017cm-3,厚度为1.0μm,漂移区3掺杂浓度为1×1017cm-3,厚度为5.0μm,沟道扩展区4厚度为3.5μm,沟道扩展区4掺杂浓度由上表面至下表面渐变,且上表面的掺杂浓度不低于下表面的掺杂浓度,上表面掺杂浓度为1×1018cm-3,下表面的掺杂浓度为2×1016cm-3,沟道扩展区4上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽8,每个阳极沟槽8侧壁和底端均覆盖p+结区5,掺杂浓度为2×1019cm-3,结深为0.8μm,沟道扩展区4上最高面覆盖p型接触区6,掺杂浓度为1×1018cm-3,厚度为50nm,p+结区5、p型接触区6上覆盖欧姆接触阳极7,衬底1另一面覆盖欧姆接触阴极9。
为了说明本发明一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管的性能,通过以下数值仿真进行证明。
使用Sentaurus TCAD计算机仿真软件对上述实施例2制备的4H-SiC耐高压抗浪涌pn单极二极管进行了数值仿真,仿真中采用的结构为本发明4H-SiC耐高压抗浪涌pn单极二极管的元胞。经数值仿真,上述SiC耐高压抗浪涌pn单极二极管的正向特性曲线如图2所示,反向特性曲线如图3所示。
如图2所示,本发明4H-SiC耐高压抗浪涌单极二极管的门槛电压为2V,门槛电压小于SiC PiN二极管的门槛电压;当正向电流密度上升至100A/cm2时,本发明4H-SiC耐高压抗浪涌单极二极管以多子电子导电的单极模式进行工作,正向压降为3.3V;当正向电流密度上升至1000A/cm2时,本发明4H-SiC耐高压抗浪涌单极二极管以电子、空穴共同导电的双极模式进行工作,正向压降仅为3.75V,;表明本发明二极管具有优秀的抗浪涌能力。
如图3所示,本发明4H-SiC耐高压抗浪涌单极二极管击穿电压大于3500V,在阻断电压为3300V时,器件的漏电流密度低于1.0μA/cm2。相比于相同电压等级的4H-SiC MPS及4H-SiC JBS二极管,本发明4H-SiC耐高压抗浪涌单极二极管具有更优的耐高压性能。
通过上述方式,本发明一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,有效的提升了高压碳化硅单极二极管的通态特性,增强了碳化硅单极二极管的抗浪涌能力,理论上提高了碳化硅单极二极管的耐高温性能;本发明一种耐高温抗浪涌碳化硅单极二极管通过在沟道区与阳极之间设置超薄p型接触区,避免了传统碳化硅单极二极管需要同时兼顾阳极与p型、n型碳化硅之间的接触问题,简化了电极制作工艺,降低了器件工艺的复杂度,提高了器件的可行性。

Claims (4)

1.一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,其特征在于,包括材料为n型SiC的衬底(1),所述衬底(1)一面依次外延有缓冲层(2)、漂移区(3)、沟道扩展区(4),所述沟道扩展区(4)上开设多个剖面呈矩形的阳极沟槽(8),每个所述阳极沟槽(8)侧壁和底端均外延p+结区(5),所述沟道扩展区(4)上最高面外延p型接触区(6),所述p+结区(5)、p型接触区(6)上覆盖连接欧姆接触阳极(7),所述衬底(1)另一面覆盖连接欧姆接触阴极(9);
所述沟道扩展区(4)厚度为0.5μm~3.5μm,所述沟道扩展区(4)掺杂浓度由上表面至下表面渐变,且上表面的掺杂浓度不低于下表面的掺杂浓度,上表面掺杂浓度为2×1014cm-3~1×1018cm-3,下表面的掺杂浓度为1×1014cm-3~2×1016cm-3
所述p+结区(5)掺杂浓度为1×1018cm-3~2×1019cm-3,结深为0.3μm~0.8μm;
所述p型接触区(6)掺杂浓度为1×1014cm-3~1×1018cm-3,厚度为1.0nm~50nm。
2.根据权利要求1所述一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,其特征在于,所述衬底(1)厚度为5.0μm~500μm。
3.根据权利要求1所述一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,其特征在于,所述缓冲层(2)掺杂浓度为5×1017cm-3~1×1019cm-3,厚度为0.5μm~1.0μm。
4.根据权利要求1所述一种SiC耐高压抗浪涌pn结单极二极管,其特征在于,所述漂移区(3)掺杂浓度为1×1014cm-3~1×1017cm-3,厚度为5.0μm~200μm。
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