[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

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件领域，具体是指一种在4H型单晶碳化硅外延层上制备的基区渐变P⁺-N-N⁺型SiC超快恢复二极管及工艺。

背景技术

用于功率变换或控制、通信领域的快速恢复二极管(Fast Recovery Diode, 简称FRD)，通常与绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT)等三端功率开关器件配合或单独使用，能导通负载中的无功电流，缩短电容的充电时间，并抑制因弥散电感而引起的电磁干扰，具有广泛的研发、应用价值。

已有P⁺-N^--N⁺型晶体碳化硅(3c-SiC、4H-SiC、6H-SiC等结构类型)、晶体硅(c-SiC)材料的商用FRD，一般均采用外延、扩散、离子注入等工艺制造。这些器件内的基区(亦称为漂移区)掺杂是均匀的，也没有纳米晶SiC(Nanocrystalline SiC, nc-SiC)结构。c-SiC材料的FRD的反向恢复时间(T_rr)降低到50纳秒(50ns)，软化因子(S)≥0.8。在研制过程中形成了发射率控制及少子寿命控制两大关键技术。

张甲阳等用ISE-TCAD软件设计了基区掺杂渐变的4H-SiC单晶材料PIN二极管[4H-SiC PiN二极管开关特性研究，西安电子科技大学硕士学位论文，2010年]，将传统的漂移区划分成三层，掺杂浓度依次渐变，分别是l×l0¹⁴cm^-3、7×l0¹⁵cm^-3和8×l0¹⁷cm^-3。模拟显示，改进后的二极管的正向I-V特性基本不变，反向恢复速度提高约10％，软化因子S增大30％，器件的反向击穿电压发生退化。对比发现，漂移区三层渐变掺杂结构比漂移区两层渐变掺杂结构具有更为优越的性能。

刘静等人采用数值拟合的方法[SiGeC/Si异质结快速软恢复功率二极管的研究，西安理工大学博士学位论文，2009年]，提出了SiGeC材料的迁移率模型和能带结构模型，将SiGeC/Si异质结技术用于功率二极管反向恢复特性的改进。阐述了Si基应变材料的压应变和张应变的形成机理，分析了SiGeC/Si能带结构特点，依据导带、价带、带隙变化量ΔE_c、ΔE_v、ΔE_g的关系，得出SiGeC/Si异质结能带结构属于“负反向势垒”。基于异质结电流传输机理，SiGeC/Si功率二极管实现了低通态压降下高电流密度的传输，改善了二极管的反向恢复特性，同时具有较低的反向漏电流。与少子寿命控制技术相比，SiGeC/Si异质结能带工程更有效地协调功率二极管中通态压降、反向漏电流和反向恢复时间三者之间的矛盾，获得性能优良的器件。

以色列人German A. Ashkinazi等提出基区渐变的AlGaAs及GaAsP大功率P⁺-N^--N⁺型超快恢复二极管[IEEE Transactions on Electron Devices, 40 (1993): 285.]。他们用改变AlGaAs及GaAsP材料组分的办法来调节P⁺-N^--N⁺型二极管基区的能带分布，形成“辅助的”及“阻碍的”准电场并调控二极管内载流子的输运。结果显示，具有“辅助”准电场的二极管的正向导通电压降低，反向恢复的峰值电流降低，反向恢复特性变软。