[发明专利]一种基于n长基区碳化硅晶闸管及其制作方法

说明书

本发明公开的一种基于n长基区碳化硅晶闸管，包括自下而上依次设置的阳极欧姆电极、碳化硅p⁺发射区外延层、碳化硅n⁺缓冲层、碳化硅n型长基区外延层、碳化硅p^‑短基区外延层、碳化硅n⁺发射区外延层；碳化硅n⁺发射区外延层上覆盖有阴极欧姆电极；碳化硅p^‑短基区外延层上部镶嵌有两个碳化硅p⁺区；每个碳化硅p⁺区上覆盖有门极欧姆电极，门极欧姆电极与碳化硅n⁺发射区外延层设置有隔离层。在高质量的n型碳化硅衬底上外延生长得到的p⁺外延层来取代p型碳化硅衬底，能够将串联电阻减小约两个数量级。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种基于n长基区碳化硅晶闸管，还涉及上述碳化硅晶闸管的制作方法。

背景技术

长期以来，在特高压直流输电(UHVDC)系统中，硅晶闸管一直处于垄断地位，但其电压阻断能力和耐dv/dt、di/dt能力已逐渐逼近硅材料所能达到的物理极限，且不可工作在高温(大于125℃)环境下，因此，我们需要寻求新的半导体材料来研究和制作晶闸管。

碳化硅(4H-SiC)，作为发展较为成熟的第三代宽禁带半导体材料，具有比硅材料更宽的禁带宽度，约是硅的3倍；更高的击穿场强，约为硅的十倍；更高的载流子饱和速度，约是硅的2倍；更高的热导率，约是硅的3倍；优良的Baliga材料优选因子等；因此，采用碳化硅制作的电力电子器件比硅的同类器件具有导通电阻小、开关频率高、效率高和高温性能好等特点。

在10-30kV阻断电压范围的应用市场上，碳化硅晶闸管最具有吸引力。目前研究较多的碳化硅晶闸管是采用p长基区结构，原因是若采用n长基区，就需要在p型碳化硅衬底上制作，而在相同的掺杂浓度下，p型碳化硅衬底的电阻率比n型碳化硅衬底高约两个数量级，不利于降低正向压降和通态损耗；但是在1988年，第一个碳化硅晶闸管的问世是采用N长基区，大概可以承受约30-50V的阻断电压。为了满足更高阻断电压的需求，厚且少子寿命长的外延层是必须的。厚且轻掺杂的N型外延层的少子寿命远大于相同厚度和浓度的p型外延层，而且目前工艺发展迅速，可以采用研磨或化学机械抛光的方法去掉高阻p型衬底。因此，研究n长基区的超高压碳化硅晶闸管具有重要意义。

M.E.Levinshtein等于2016年在Semiconductor Science and Technology上第50卷发表的《High-Voltage Silicon-Carbide Thyristor with an n-type Blocking Base》文章中，分析了制造n长基区碳化硅晶闸管的可能性，若只是简单地将传统的18kV p长基区碳化硅晶闸管的施主层被替换成受主层、受主层被替换成施主层，且具有一个浓度高且薄的阻止层，得到的n长基区的碳化硅晶闸管，常温下，在任何的输入信号下无法开通。但是如果去掉阻止层或降低阻止层掺杂浓度和略微增加其厚度，是可以开通的。在150℃下，具有浓度高的阻止层的N长基区碳化硅晶闸管也是可以开通的，但这个结构是在N型衬底上制作的，所以导通时n⁺⁺衬底-p⁺⁺发射区这个pn结是反偏的，因此转折导通时的最小压降约90V。

现有的硅晶闸管使用p型碳化硅作衬底，制作出与硅晶闸管结构相同的n长基区晶闸管器件，电阻率大；并且p长基区碳化硅GTO晶闸管性能较差，工艺比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供本发明一种基于n长基区碳化硅晶闸管，解决了现有的晶闸管电阻率大的问题。

本发明的另一目的在于提供本发明一种基于n长基区碳化硅晶闸管的制作方法，解决了现有技术中晶闸管制作工艺复杂的问题。