CN114284344B - 一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极、碳化硅N+衬底、碳化硅N‑外延层、肖特基接触电极和多个离子注入区单元，多个离子注入区单元在碳化硅N‑外延层的内部上层周期性排布；所述碳化硅N‑型外延层上部为电流扩散区，所述电流扩散区的电流通过所述离子注入区的排布被优化分布，具体原理为使电流在扩散区有更多的方向扩散，从而使电流的分布更加均匀，从而使电流导通引起的热功率的分布也更加均匀，降低了器件正向导通的温度，提高了器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管。
背景技术
第三代半导体碳化硅(SiC)属于宽禁带半导体材料，具有饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、热导率大、介电常数抗辐射能力强等特点，相比同样是第三代半导体材料的氮化镓(GaN)，SiC热导率是GaN的三倍，并且能够达到比GaN更高的击穿电压，因此在高温和高压领域应用更具优势，适用于600V甚至1200V以上的高温大电力领域，如新能源汽车、汽车快充充电桩、光伏和电网。
碳化硅结势垒肖特基二极管(JBS)以其良好的散热、高击穿电压、低导通电阻和接近零的开关损耗等优点，在功率整流、逆变器续流和功率因数校正(PFC)系统中得到了广泛的应用。
对于大电流SiC JBS(额定电流在50A以上)，正向工作时以导通损耗为主，由于自热效应，芯片温度升高，使器件面临严峻的热管理限制。在每个JBS的元胞中，电流通常集中在离子注入区的边缘附近，而肖特基结中央的位置电流密度最低，这种电流分布不均匀的现象随着元胞的增大越加明显，会增加芯片正向导通时的温度。缩小元胞是一种有效的优化电流分布的方法，但由于离子注入区深度的限制，元胞有一个最小的宽度范围。因此，亟待一种新型的版图布局，以进一步优化元胞中的电流分布，从而降低JBS的整体温度。
发明内容
本发明的目的是解决现存技术问题中的不足，提供了一种优化电流分布的SiCJBS器件的版图布局，缓解了JBS元胞中电流分布不均匀的现象。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
本发明提供第一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3、肖特基接触电极4和多个离子注入区单元5；
欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3从下到上依次堆叠设置；多个离子注入区单元5在碳化硅N-外延层3的内部上层周期性排布；肖特基接触电极4位于多个离子注入区单元5之上；
每个离子注入区单元5包括：4个方形注入区9，4个方形注入区9位于矩形的四角，在矩形的中心设有一个中心方形注入区91；所述矩形的长边长度为2a、短边长度为a，横向条形注入区6横向穿过每个方形注入区9及中心方形注入区91的中心，纵向条形注入区7纵向穿过每个方形注入区9及中心方形注入区91的中心。所述方形注入区9、中心方形注入区91、横向条形注入区6、纵向条形注入区7之间所围成的区域为肖特基接触区8。
本发明提供第二种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3、肖特基接触电极4和多个离子注入区单元5；
欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3从下到上依次堆叠设置；多个离子注入区单元5在碳化硅N-外延层3的内部上层周期性排布；肖特基接触电极4位于多个离子注入区5之上；
每个离子注入区单元5包括：4个方形注入区9，4个方形注入区9位于矩形的四角，在矩形的中心设有一个中心方形注入区91；所述矩形的长边长度为2a、短边长度为a，位于矩形四角的方形注入区9的中心被横向的横向条形注入区6、纵向设置的纵向条形注入区7穿过；中心方形注入区91的外部设有一个环形注入区10，所述环形注入区10为与中心方形注入区91中心重合的矩形；方形注入区9、横向条形注入区6、纵向设置的纵向条形注入区7、和环形注入区10外部所围成的区域为第一肖特基接触区11，所述环形注入区10内部和中心方形注入区91外部之间的区域为第二肖特基接触区12。
作为优选方式，四方形注入区9的边长为4μm；并且/或者中心方形注入区91的边长为4μm。
作为优选方式，相邻方形注入区9纵向的间距a为6μm。
作为优选方式，横向条形注入区6、纵向条形注入区7的条宽为1μm。
作为优选方式，环形注入区10的每条边的宽度为1μm。
作为优选方式，四方形注入区9、中心方形注入区91、横向条形注入区6、纵向条形注入区7、环形注入区10的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
作为优选方式，欧姆接触电极1的材料为镍合金，肖特基接触电极4的材料为钛。
作为优选方式，碳化硅N-外延层3的掺杂浓度为8.5E15cm-3～1.35E16cm-3，厚度为5微米～11微米。
作为优选方式，碳化硅N+衬底2的掺杂浓度为1E20cm-3，厚度为180微米～380微米。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过优化布局的离子注入区单元排布，减缓了电流密度在P+离子注入区的集中，从而使电流在JBS元胞内分布更均匀。
(2)本发明通过对电流分布的优化，使电流产生的热功率在元胞内更加均匀地耗散，从而降低了器件工作时的温度。
(3)本发明利用电流分布优化带来的温度降低，减小了器件面临的热管理限制，提高了器件工作时的可靠性，使器件的工作寿命进一步增长。
附图说明
图1为本发明的具体实施例1的俯视版图结构；
图2为本发明的具体实施例2的俯视版图结构；
图3为本发明实施例1和2中提供的优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管的主视图。
1为欧姆接触电极，2为碳化硅N+衬底，3为碳化硅N-外延层，4为肖特基接触电极，5为离子注入区单元，6为横向条形注入区，7为纵向条形注入区，8为肖特基接触区，9为方形注入区，91为中心方形注入区，10为环形注入区，11为第一肖特基接触区，12为第二肖特基接触区。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图3所示，本实施例提供一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3、肖特基接触电极4和多个离子注入区单元5；
欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3从下到上依次堆叠设置；多个离子注入区单元5在碳化硅N-外延层3的内部上层周期性排布；肖特基接触电极4位于多个离子注入区单元5之上；
如图1所示，每个离子注入区单元5包括：4个方形注入区9，4个方形注入区9位于矩形的四角，在矩形的中心设有一个中心方形注入区91；所述矩形的长边长度为2a、短边长度为a，横向条形注入区6横向穿过每个方形注入区9及中心方形注入区91的中心，纵向条形注入区7纵向穿过每个方形注入区9及中心方形注入区91的中心。所述方形注入区9、中心方形注入区91、横向条形注入区6、纵向条形注入区7之间所围成的区域为肖特基接触区8。
优选的，四方形注入区9的边长为4μm；并且/或者中心方形注入区91的边长为4μm。
优选的，相邻方形注入区9纵向的间距a为6μm。
优选的，横向条形注入区6、纵向条形注入区7的条宽为1μm。
优选的，四方形注入区9、中心方形注入区91、横向条形注入区6、纵向条形注入区7的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
优选的，欧姆接触电极1的材料为镍合金，肖特基接触电极4的材料为钛。
优选的，碳化硅N-外延层3的掺杂浓度为8.5E15cm-3～1.35E16cm-3，厚度为5微米～11微米。
优选的，碳化硅N+衬底2的掺杂浓度为1E20cm-3，厚度为180微米～380微米。
具体的，本实施例以正向额定电流为50A，反向击穿电压为650V的SiC结势垒肖特基二极管作为具体实施例，碳化硅N-外延层3的厚度为6微米，掺杂浓度为1.35E16cm-3；
所述所有离子注入区的宽度长度和大小，均可以根据实际需要进行调整，以权衡器件的正向性能和反向性能。
在器件正向导通时，由于器件的固有特性，仅肖特基接触区导通电流，形成电流扩散区，即所述肖特基接触区8。由所述方形注入区9、中心方形注入区91、横向条形注入区6、纵向条形注入区7之间所围成的近似为方形的肖特基接触区8，电流拥有了四个横向的扩散方向，缓解了电流在离子注入区周围集中的问题，使电流更加均匀地分布在电流扩散区中，因此由电流导通产生的热功率也更加分散，器件温度得以降低。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3、肖特基接触电极4和多个离子注入区单元5；
欧姆接触电极1、碳化硅N+衬底2、碳化硅N-外延层3从下到上依次堆叠设置；多个离子注入区单元5在碳化硅N-外延层3的内部上层周期性排布；肖特基接触电极4位于多个离子注入区5之上；
如图2所示，每个离子注入区单元5包括：4个方形注入区9，4个方形注入区9位于矩形的四角，在矩形的中心设有一个中心方形注入区91；所述矩形的长边长度为2a、短边长度为a，位于矩形四角的方形注入区9的中心被横向的横向条形注入区6、纵向设置的纵向条形注入区7穿过；中心方形注入区91的外部设有一个环形注入区10，所述环形注入区10为与中心方形注入区91中心重合的矩形；方形注入区9、横向条形注入区6、纵向设置的纵向条形注入区7、和环形注入区10外部所围成的区域为第一肖特基接触区11，所述环形注入区10内部和中心方形注入区91外部之间的区域为第二肖特基接触区12。
优选的，环形注入区10的每条边的宽度为1μm。
环形注入区10的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
所述所有离子注入区的宽度长度和大小，均可以根据实际需要进行调整，以权衡器件的正向性能和反向性能。
类似于实施例1，电流在所述第一肖特基接触区11和第二肖特基接触区12中，均拥有了八个的横向扩散方向，进一步缓解了电流在离子注入区周围集中的问题，达到甚至超过了实施例1中的优化效果。此外，实施例1和实施例2中采用的四方形元胞，也同时保证了器件的优秀反向性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极(1)、碳化硅N+衬底(2)、碳化硅N-外延层(3)、肖特基接触电极(4)和多个离子注入区单元(5)；
欧姆接触电极(1)、碳化硅N+衬底(2)、碳化硅N-外延层(3)从下到上依次堆叠设置；多个离子注入区单元(5)在碳化硅N-外延层(3)的内部上层周期性排布；肖特基接触电极(4)位于多个离子注入区单元(5)之上；
其特征在于：每个离子注入区单元(5)包括：4个方形注入区(9)，4个方形注入区(9)位于矩形的四角，在矩形的中心设有一个中心方形注入区(91)；所述矩形的长边长度为2a、短边长度为a，横向条形注入区(6)横向穿过每个方形注入区(9)及中心方形注入区(91)的中心，纵向条形注入区(7)纵向穿过每个方形注入区(9)及中心方形注入区(91)的中心；所述方形注入区(9)、中心方形注入区(91)、横向条形注入区(6)、纵向条形注入区(7)之间所围成的区域为肖特基接触区(8)。
2.一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极(1)、碳化硅N+衬底(2)、碳化硅N-外延层(3)、肖特基接触电极(4)和多个离子注入区单元(5)；
欧姆接触电极(1)、碳化硅N+衬底(2)、碳化硅N-外延层(3)从下到上依次堆叠设置；多个离子注入区单元(5)在碳化硅N-外延层(3)的内部上层周期性排布；肖特基接触电极(4)位于多个离子注入区(5)之上；
其特征在于：每个离子注入区单元(5)包括：4个方形注入区(9)，4个方形注入区(9)位于矩形的四角，在矩形的中心设有一个中心方形注入区(91)；所述矩形的长边长度为2a、短边长度为a，位于矩形四角的方形注入区(9)的中心被横向的横向条形注入区(6)、纵向设置的纵向条形注入区(7)穿过；中心方形注入区(91)的外部设有一个环形注入区(10)，所述环形注入区(10)为与中心方形注入区(91)中心重合的矩形；方形注入区(9)、横向条形注入区(6)、纵向设置的纵向条形注入区(7)、和环形注入区(10)外部所围成的区域为第一肖特基接触区(11)，所述环形注入区(10)内部和中心方形注入区(91)外部之间的区域为第二肖特基接触区(12)。
3.根据权利要求1或2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：方形注入区(9)的边长为4μm；并且/或者中心方形注入区(91)的边长为4μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：相邻方形注入区(9)纵向的间距a为6μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：横向条形注入区(6)、纵向条形注入区(7)的条宽为1μm。
6.根据权利要求2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：环形注入区(10)的每条边的宽度为1μm。
7.根据权利要求2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：方形注入区(9)、中心方形注入区(91)、横向条形注入区(6)、纵向条形注入区(7)、环形注入区(10)的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
8.根据权利要求1或2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：欧姆接触电极(1)的材料为镍合金，肖特基接触电极(4)的材料为钛。
9.根据权利要求1或2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：碳化硅N-外延层(3)的掺杂浓度为8.5E15cm-3～1.35E16cm-3，厚度为5微米～11微米。
10.根据权利要求1或2所述的一种优化电流分布的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：碳化硅N+衬底(2)的掺杂浓度为1E20cm-3，厚度为180微米～380微米。
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