[发明专利]在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P+-N-N+型SiC超快恢复二极管及工艺

权利要求书

1.一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于结构为： 阳极电极/(P⁺)4H-nc-SiC/(N)缓变6H-nc-SiC/(N) 4H-c-SiC/(N⁺)4H-c-SiC/阴极电极；

包括有N⁺型4H-c-SiC衬底(2)、从N⁺型4H-c-SiC衬底一侧面外延生长的N型4H-c-SiC外延层(3)、沉积于N型4H-c-SiC外延片上的N型缓变6H-nc-SiC多层膜(4)、沉积于N型6H-nc-SiC多层膜外侧的P⁺型4H-nc-SiC单层膜(5)，所述的于N⁺型4H-c-SiC衬底(2)和P⁺型4H-nc-SiC单层膜(5)外侧分别有欧姆连接的阴极电极(1)和阳极电极(6)；

沿着阴极电极(1)至阳极电极(6)方向的各层的N型掺杂浓度逐渐减小；

所述的N型缓变6H-nc-SiC多层膜(4)中包括有4层，且沿阴极电极(1)至阳极电极(6)方向，设置的N型6H-nc-SiC多层膜(4)中的N型掺杂浓度、纳米晶粒尺寸逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于：所述N⁺型4H-c-SiC衬底(2)的多数载流子为电子，浓度约1.0×10¹⁹cm^-3，厚度为250±2 μm。

3.根据权利要求1所述的一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于：所述的N型4H-c-SiC外延层(3)，它在N⁺型4H-c-SiC单晶衬底(2)上生长，多数载流子为电子，浓度约1.0×10¹⁷cm^-3，厚度为10 μm，偏离(0001)面8°，表面微管密度低于30 μP·cm^-2。

4.根据权利要求1所述的一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于：所述N型缓变6H-nc-SiC多层膜(4)中的各层在沉积过程中，沿着生长方向按掺杂浓度从高到低逐渐降低、纳米晶粒从大到小逐层生长，共4层。

5.根据权利要求4所述的一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于：所述N型6H-nc-SiC多层膜(4)为磷掺杂，沿着生长方向第1——第4层的载流子浓度分别为5.0×10¹⁶ cm^-3、1.0×10¹⁶ cm^-3、1.0×10¹⁵ cm^-3、1.0×10¹⁴ cm^-3；第1——第4层的纳米晶粒尺寸分别为12.0 nm、10.0 nm、8.0 nm、6.0 nm，每层厚度1.0 μm。

6.根据权利要求1所述的一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于：所述P⁺型4H-nc-SiC单层膜(5)的P⁺型掺杂为硼掺杂，载流子浓度为5.0×10¹⁸ cm^-3，厚度为0.5 μm。

7.根据权利要求1所述的一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管，其特征在于：所述的阴极电极(1)为NiAu合金电极薄膜；所述的阳极电极(6)为TiAu合金电极薄膜。

8.一种如权利要求1-7之一所述的在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管的工艺，其特征在于包括以下步骤： 

(一)选择衬底，厚度250±2μm、载流子浓度约为1.0×10¹⁹的N⁺型4H-c-SiC衬底(2)上外延厚度为10 μm、载流子浓度1.0×10¹⁷cm^-3的N型4H-c-SiC单晶外延层(3)，并且双面抛光，外延层表面偏离(0001)面8°，微管密度低于30 μP·cm^-2；

(二)衬底预处理，在室温下，采用刻蚀液蚀掉N⁺型4H-c-SiC衬底(2)和N型4H-c-SiC外延层(3)表面的SiO₂层；

(三) N型6H-nc-SiC梯度掺杂多层膜(4)的制备，采用PECVD法，以H₂为稀释气，以SiH₄和CH₄为混合反应源气，以PH₃为掺杂气，在PECVD系统反应室内的N型4H-c-SiC外延层(3)上，逐次生长多层N^-型6H-nc-SiC薄膜，其工艺参数是：

稀释比：H₂/( H₂+CH₄+SiH₄)=(90—99) vol%；

PECVD反应室极限真空度：不低于1.0×10^-4 Pa；

混合反应源气掺杂比：PH₃/(CH₄+SiH₄)=0.1—10.0 vol%；

       薄膜生长时选用射频电源的频率：13.6——95.2 MHz；

薄膜生长射频功率密度：0.3 — 0.8 W/cm²；

       薄膜生长衬底温度：Ts=823±10 K；

       薄膜生长负直流偏压：V_b=-50 — -250 V；

       薄膜生长时反应气体压力：P=0.7 — 1.0 Torr；

缓变6H-nc-SiC多层膜的结构：沿着生长方向第1至 4层的载流子浓度/纳米晶粒尺寸分别为5.0×10¹⁶ cm^-3/12.0 nm、1.0×10¹⁶ cm^-3/10.0 nm、1.0×10¹⁵ cm^-3/8.0 nm、1.0×10¹⁴ cm^-3/6.0 nm，每层厚度1.0 μm；

 (四) P⁺型4H-nc-SiC单层膜(5)的制备，采用PECVD法，以H₂为稀释气，以SiH₄和CH₄为混合反应源气，以B₂H₆为掺杂气，在PECVD系统反应室内于N型缓变6H-nc-SiC多层膜(4)之上沉积P⁺型4H-nc-SiC单层膜(5)，其工艺参数是：

PECVD反应室极限真空度：不低于1.0×10^-4 Pa；

稀释比：H₂/( H₂+CH₄+SiH₄)=(90—99) vol%；

混合反应源气掺杂比：B₂H₆/(CH₄+SiH₄)=0.5—5.0 vol%；

       薄膜生长时选用射频电源的频率：13.6——95.2 MHz；

薄膜生长射频功率密度：0.3 — 0.8 W/cm²；

       薄膜生长衬底温度：Ts=673±5 K；

       薄膜生长负直流偏压：V_b=-50 — -250 V；

       薄膜生长时反应气体压力：P=0.7 — 1.0 Torr；

       薄膜厚度：0.5 μm；

    (五)阴极电极和阳极电极制备，采用电子束蒸发法，分别在N⁺型4H-c-SiC衬底(2)、P⁺型4H-nc-SiC单层膜(5)的外侧对应蒸镀AuNi合金电极薄膜、AuTi合金电极薄膜，分别形成AuNi/(N⁺)4H-c-SiC、AuTi/(P⁺)4H-c-SiC欧姆接触；

其工艺参数是：

电子束蒸发室极限真空度：不低于1.0×10^-4 Pa；

       灯丝直流电流：I=5-10 A；

       衬底温度：Ts=573±5 K；

材料：AuNi合金(阴极)；AuTi合金(阳极)；

电极薄膜的厚度：1.0 μm；

(六)最终形成TiAu电极/(P⁺)4H-nc-SiC/(N)缓变6H-nc-SiC/(N) 4H-c-SiC/(N⁺)4H-c-SiC/NiAu电极结构的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管。