[發(fā)明專利]一種基于n長基區(qū)碳化硅晶閘管及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711209284.5
• 申請(qǐng)日: 2017-11-27
• 公開（公告）號(hào): CN108039367B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蒲紅斌;劉青;王曦;李佳琪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L29/74
• 分類號(hào): H01L29/74;H01L29/16;H01L21/332
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 談耀文

本發(fā)明公開的一種基于n長基區(qū)碳化硅晶閘管，包括自下而上依次設(shè)置的陽極歐姆電極、碳化硅p⁺發(fā)射區(qū)外延層、碳化硅n⁺緩沖層、碳化硅n型長基區(qū)外延層、碳化硅p^?短基區(qū)外延層、碳化硅n⁺發(fā)射區(qū)外延層；碳化硅n⁺發(fā)射區(qū)外延層上覆蓋有陰極歐姆電極；碳化硅p^?短基區(qū)外延層上部鑲嵌有兩個(gè)碳化硅p⁺區(qū)；每個(gè)碳化硅p⁺區(qū)上覆蓋有門極歐姆電極，門極歐姆電極與碳化硅n⁺發(fā)射區(qū)外延層設(shè)置有隔離層。在高質(zhì)量的n型碳化硅襯底上外延生長得到的p⁺外延層來取代p型碳化硅襯底，能夠?qū)⒋?lián)電阻減小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于n長基區(qū)碳化硅晶閘管，還涉及上述碳化硅晶閘管的制作方法。

背景技術(shù)

長期以來，在特高壓直流輸電(UHVDC)系統(tǒng)中，硅晶閘管一直處于壟斷地位，但其電壓阻斷能力和耐dv/dt、di/dt能力已逐漸逼近硅材料所能達(dá)到的物理極限，且不可工作在高溫(大于125℃)環(huán)境下，因此，我們需要尋求新的半導(dǎo)體材料來研究和制作晶閘管。

碳化硅(4H-SiC)，作為發(fā)展較為成熟的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有比硅材料更寬的禁帶寬度，約是硅的3倍；更高的擊穿場強(qiáng)，約為硅的十倍；更高的載流子飽和速度，約是硅的2倍；更高的熱導(dǎo)率，約是硅的3倍；優(yōu)良的Baliga材料優(yōu)選因子等；因此，采用碳化硅制作的電力電子器件比硅的同類器件具有導(dǎo)通電阻小、開關(guān)頻率高、效率高和高溫性能好等特點(diǎn)。

在10-30kV阻斷電壓范圍的應(yīng)用市場上，碳化硅晶閘管最具有吸引力。目前研究較多的碳化硅晶閘管是采用p長基區(qū)結(jié)構(gòu)，原因是若采用n長基區(qū)，就需要在p型碳化硅襯底上制作，而在相同的摻雜濃度下，p型碳化硅襯底的電阻率比n型碳化硅襯底高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不利于降低正向壓降和通態(tài)損耗；但是在1988年，第一個(gè)碳化硅晶閘管的問世是采用N長基區(qū)，大概可以承受約30-50V的阻斷電壓。為了滿足更高阻斷電壓的需求，厚且少子壽命長的外延層是必須的。厚且輕摻雜的N型外延層的少子壽命遠(yuǎn)大于相同厚度和濃度的p型外延層，而且目前工藝發(fā)展迅速，可以采用研磨或化學(xué)機(jī)械拋光的方法去掉高阻p型襯底。因此，研究n長基區(qū)的超高壓碳化硅晶閘管具有重要意義。

M.E.Levinshtein等于2016年在Semiconductor Science and Technology上第50卷發(fā)表的《High-Voltage Silicon-Carbide Thyristor with an n-type Blocking Base》文章中，分析了制造n長基區(qū)碳化硅晶閘管的可能性，若只是簡單地將傳統(tǒng)的18kV p長基區(qū)碳化硅晶閘管的施主層被替換成受主層、受主層被替換成施主層，且具有一個(gè)濃度高且薄的阻止層，得到的n長基區(qū)的碳化硅晶閘管，常溫下，在任何的輸入信號(hào)下無法開通。但是如果去掉阻止層或降低阻止層摻雜濃度和略微增加其厚度，是可以開通的。在150℃下，具有濃度高的阻止層的N長基區(qū)碳化硅晶閘管也是可以開通的，但這個(gè)結(jié)構(gòu)是在N型襯底上制作的，所以導(dǎo)通時(shí)n⁺⁺襯底-p⁺⁺發(fā)射區(qū)這個(gè)pn結(jié)是反偏的，因此轉(zhuǎn)折導(dǎo)通時(shí)的最小壓降約90V。

現(xiàn)有的硅晶閘管使用p型碳化硅作襯底，制作出與硅晶閘管結(jié)構(gòu)相同的n長基區(qū)晶閘管器件，電阻率大；并且p長基區(qū)碳化硅GTO晶閘管性能較差，工藝比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供本發(fā)明一種基于n長基區(qū)碳化硅晶閘管，解決了現(xiàn)有的晶閘管電阻率大的問題。

本發(fā)明的另一目的在于提供本發(fā)明一種基于n長基區(qū)碳化硅晶閘管的制作方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中晶閘管制作工藝復(fù)雜的問題。