[发明专利]一种N型碳化硅半导体肖特基二极管结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种N型碳化硅半导体器件的结构，更具体地说是涉及一种N型碳化硅半导体肖特基二极管的新结构。

背景技术

使用硅器件的传统集成电路大都只能工作在250℃以下，不能满足高温、高功率及高频等要求。当中，新型半导体材料碳化硅(SiC)最受人注目和研究。

碳化硅半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照电子器件。

碳化硅禁带宽度宽(210eV≤E_g≤710eV)，漏电流比硅小几个数量级。而且，碳化硅热稳定性极好，本征温度可达800℃以上，它保证了在高温工作时的长期可靠性。通过分析优值，如Johnson优值(JFOM-通过材料的击穿电场、饱和电子漂移速度来反映相应器件的高功率、高频率性能)、Keyes优值(KFOM-通过材料的热导率、饱和电子漂移速度及介电常数反映相应器件的开关速度和热限制)及热优值(QFOM-通过材料的击穿电场、击穿电场及热导率反映相应器件的散热性能)，会发现碳化硅SiC这几个优值都比现在常用的半导体材料高出很多，是实现结合高温与高频高功率的一种理想材料。

碳化硅击穿电场较高，是硅材料的8倍，这对功率器件甚为关键。导通电阻是与击穿电场的立方成反比，所以碳化硅SiC功率器件的导通电阻只有硅器件 的百至二百分之一，显着降低电子设备的能耗。因此，碳化硅SiC功率器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。用碳化硅SiC所制造出来的功率器件具有低比导通电阻，高工作频率和高温工作稳定性的优点，拥有很广阔的应用前景。

随着6H、4H-SiC体材料的相继商品化，碳化硅SiC器件工艺，如氧化、掺杂、刻蚀及金属、半导体接触，都日渐成熟，这些为碳化硅SiC器件的研制及应用奠定了基础。

600V和1200V N型碳化硅肖特基二极管是最早商品化的碳化硅器件，一般的碳化硅N型肖特基二极管的器件结构如图1所示，这结构的组成主要可以分为有源区与终端区，有源区由肖特基金属接触与PN结並连，终端区由场限环组成。因为碳化硅PN结的导通电压一般大于3V而肖特基金属接触的导通电压是1V左右，当正向导通电压少于3V时，导通电流主要是电子电流从衬底的阳极流经肖特基势垒进入表面阴极电极，所以是单一载流子器件。当器件处于反向偏置时，电子尝试从表面跨越肖特基势垒而进入碳化硅半导体内，在一般反偏置不是很大时，在表面电极內只有非常小的一部份电子能获得足够能量跨越势垒进入碳化硅半导体内而形成反向漏电流的一部份，当反偏较大时，有源区里的P型掺杂区的耗尽层会连接起来把表面的肖特基金属接触屏蔽起來，使得表面电极里的电子更难进入碳化硅半导体内，从而使得碳化硅肖特基二极管反向时，除了漏电流外是不导电的，所以肖特基二极管便成为单向导通器件。要形成图1的器件结构是要在碳化硅体內形成P型掺杂区的。基于碳化硅SiC的键强度高，杂质扩散所要求的温度(＞1800℃)，大大超过标准器件工艺的条件，所以器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制掺杂和高温离子注入掺 杂。

外延掺杂可利用碳化硅源气体流量变化，使掺杂浓度控制在从轻掺杂(10¹⁴/cm³)到简并掺杂(＞10¹⁹/cm³)的范围。硅烷、丙烷是碳化硅SiC典型的外延气体源。6H-SiC在硅(Si)面N型衬底上同质外延典型的生长速率为3μm/h。在生长反应室中，通过调节气体源的比例来进行位置竞争外延，使杂质位于晶格位置。在碳(C)面衬底上的生长则不同，但对其生长机制尚无深刻了解。

因为不能采用扩散工艺掺杂，离子注入工艺在器件制作中非常重要。铝(Al)和硼(B)为典型的P型掺杂元素，产生相对深的受主能级(分别为211meV和300meV)，Al的电离能小于B的电离能，Al要求的激活温度比B低；而B原子比Al原子轻，注入引起的损伤较少，且注入范围更深，应根据器件工艺要求来选择注入元素。