一种超高压碳化硅晶闸管及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种超高压碳化硅晶闸管，包括位于同一平面内的碳化硅P+发射区和两个N型碳化硅衬底，碳化硅P+发射区位于两个N型碳化硅衬底之间，N型碳化硅衬底和碳化硅P+发射区上表面依次外延生长有碳化硅P发射区、碳化硅N+缓冲层、碳化硅N‑型长基区、碳化硅P‑短基区及碳化硅N+发射区，N型碳化硅衬底和碳化硅P+发射区背面覆盖有阳极欧姆电极；碳化硅N+发射区与碳化硅P‑短基区形成台阶，碳化硅N+发射区上覆盖有阴极欧姆电极；碳化硅P‑短基区两端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，碳化硅N+发射区和门极欧姆电极之间设置有门‑阴极隔离区。能进一步加快关断速度，减少关断损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种超高压碳化硅晶闸管及其制备方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种超高压碳化硅晶闸管，本专利技术还涉及该超高压碳化硅晶闸管的制备方法。
技术介绍
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发功率半导体器件。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优点。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。晶闸管，作为流控型的功率开关器件，损耗包括通态损耗、断态损耗和开关损耗。对于门极可关断(GTO)晶闸管来说，开通损耗远小于关断损耗，而关断损耗主要来自于关断过程中的拖尾电流，这是由GTO晶闸管本身结构决定的，通常可以减少额外载流子的寿命来减少关断损耗，但减小少子寿命又会使得通态特性变差；另外，N型外延层的少子寿命高于P型外延层的少子寿命，使用低质量P型碳化硅衬底制作N长基区碳化硅晶闸管器件会引入的大串联电阻问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超高压碳化硅晶闸管，能在满足高功率应用需求的同时，减少关断损耗。本专利技术的另一目的是提供上述超高压碳化硅晶闸管的制备方法，能够提高关断速度。本专利技术所采用的技术方案是，一种超高压碳化硅晶闸管，包括位于同一平面内的碳化硅P+发射区和两个N型碳化硅衬底，碳化硅P+发射区位于两个N型碳化硅衬底之间，N型碳化硅衬底和碳化硅P+发射区上表面依次外延生长有碳化硅P发射区、碳化硅N+缓冲层、碳化硅N-型长基区、碳化硅P-短基区及碳化硅N+发射区，N型碳化硅衬底和碳化硅P+发射区背面覆盖有阳极欧姆电极；碳化硅N+发射区与碳化硅P-短基区形成台阶，碳化硅N+发射区上覆盖有阴极欧姆电极；碳化硅P-短基区两端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，碳化硅N+发射区和门极欧姆电极之间设置有门-阴极隔离区。本专利技术的特点还在于，碳化硅P发射区的掺杂浓度为1x1017cm-3，碳化硅P发射区的厚度为2.0μm；碳化硅N+缓冲层的掺杂浓度为5x1016cm-3～1x1017cm-3，碳化硅N+缓冲层的厚度为2.0μm～3.0μm；碳化硅N-型长基区的掺杂浓度为2x1014cm-3，碳化硅N-型长基区的厚度为160μm；碳化硅P-短基区的掺杂浓度为2x1017cm-3～5x1017cm-3，碳化硅P-短基区的厚度为1.5μm～3.0μm；碳化硅N+发射区的掺杂浓度为2x1019cm-3，碳化硅N+发射区的厚度为2.5μm～3.5μm；N型碳化硅衬底的厚度为1μm～3μm。本专利技术所采用的另一种技术方案是，一种超高压碳化硅晶闸管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、先选取N型碳化硅衬底，进行清洗处理，再在N型碳化硅衬底上依次进行外延生长碳化硅P发射区、碳化硅N+缓冲层、碳化硅N-型长基区、碳化硅P-短基区及碳化硅N+发射区；步骤2、对经步骤1处理后的N型碳化硅衬底进行减薄处理；步骤3、对步骤1中的碳化硅N+发射区进行干法刻蚀形成台阶结构，暴露出碳化硅P-短基区；步骤4、在步骤1中的碳化硅P-短基区上表面进行P型离子注入形成碳化硅P+区；步骤5、在经步骤2得到的N型碳化硅衬底背面进行P型离子注入形成碳化硅P+发射区，且碳化硅P+发射区和N型碳化硅衬底厚度相等；步骤6、采用光刻剥离法在步骤4得到的碳化硅P+区上表面淀积Ni/Al合金层，形成门极欧姆电极；步骤7、采用光刻剥离法在经步骤3处理后的碳化硅N+发射区上淀积Ni金属层，形成阴极欧姆电极；步骤8、在经步骤5得到的N型碳化硅衬底和碳化硅P+发射区背面淀积Ni金属层，形成阳极欧姆电极；步骤9、在经步骤6得到的碳化硅N+发射区和门极欧姆电极之间淀积SiO2钝化层，并光刻形成门-阴极隔离区；步骤10、对经步骤9得到的门-阴极隔离区进行光刻形成接触孔，并淀积Al金属，经光刻形成阴极Pad和门极Pad，得到超高压碳化硅晶闸管。步骤1的N型碳化硅衬底清洗处理方法为RCA标准清洗法。N型碳化硅衬底为4H-SiC单晶衬底、6H-SiC单晶衬底或3C-SiC单晶衬底中的一种。步骤1中的N型碳化硅衬底的厚度为350μm。碳化硅P发射区的掺杂浓度和厚度分别为1x1017cm-3和2.0μm，碳化硅N+缓冲层的掺杂浓度和厚度分别为5x1016cm-3～1x1017cm-3和2.0～μm3.0μm，碳化硅N-型长基区的掺杂浓度和厚度分别为2x1014cm-3和160μm，碳化硅P-短基区的掺杂浓度和厚度分别为2x1017cm-3～5x1017cm-3和1.5μm～3.0μm，碳化硅N+发射区的掺杂浓度和厚度分别为2x1019cm-3和2.5μm～3.5μm。步骤2中的N型碳化硅衬底减薄处理方法为化学机械抛光法、研磨法、干式抛光法、湿法腐蚀法、等离子辅助化学腐蚀法或常压等离子腐蚀法中的一种。经步骤2减薄后的N型碳化硅衬底的厚度为1μm～3μm。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术的超高压碳化硅晶闸管，在相同的掺杂水平下，N型外延层的少子寿命高于P型外延层的少子寿命，因此N长基区的碳化硅晶闸管的性能优于P长基区的碳化硅晶闸管，能避免使用低质量P型碳化硅衬底制作N长基区碳化硅晶闸管器件所引入的大串联电阻问题；(2)本专利技术的超高压碳化硅晶闸管的制备方法，在N型碳化硅衬底背面通过离子注入形成n-p-n-GTO晶闸管，在关断过程中为电子的抽取提供另一条路径，进一步加快关断速度，减少关断损耗；(3)本专利技术的超高压碳化硅晶闸管的制备方法，方法工艺简单，易于实现。附图说明图1是本专利技术一种超高压碳化硅晶闸管的结构示意图；图2是本专利技术的制作方法步骤1完成后的结构示意图；图3是本专利技术的制作方法步骤2完成后的结构示意图；图4是本专利技术的制作方法步骤3完成后的结构示意图；图5是本专利技术的制作方法步骤4完成后的结构示意图；图6是本专利技术的制作方法步骤5完成后的结构示意图；图7是本专利技术的制作方法步骤8完成后的结构示意图；图8是本专利技术的制作方法步骤9完成后的结构示意图；图9a是本专利技术的制作方法得到的超高压碳化硅晶闸管正向阻断特性曲线图；图9b是本专利技术的制作方法得到的超高压碳化硅晶闸管导通特性曲线图；图9c是本专利技术的制作方法得到的超高压碳化硅晶闸管关断特性曲线图；图9d是本专利技术的制作方法得到的超高压碳化硅晶闸管的关断损耗曲线图。图中，1.碳化硅P发射区，2.碳化硅N+缓冲层，3.碳化硅N-型长基区，4.碳化硅P-短基区，5.碳化硅N+发射区，6.碳化硅P+区，7.碳化硅P+发射区，8.门本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高压碳化硅晶闸管，其特征在于，包括位于同一平面内的碳化硅P+发射区(7)和两个N型碳化硅衬底(12)，所述碳化硅P+发射区(7)位于两个N型碳化硅衬底(12)之间，所述N型碳化硅衬底(12)和碳化硅P+发射区(7)上表面依次外延生长有碳化硅P发射区(1)、碳化硅N+缓冲层(2)、碳化硅N‑型长基区(3)、碳化硅P‑短基区(4)及碳化硅N+发射区(5)，所述N型碳化硅衬底(12)和碳化硅P+发射区(7)背面覆盖有阳极欧姆电极(10)；所述碳化硅N+发射区(5)与碳化硅P‑短基区(4)形成台阶，所述碳化硅N+发射区(5)上覆盖有阴极欧姆电极(9)；所述碳化硅P‑短基区(4)两端上部镶嵌有两个碳化硅P+区(6)，每个所述碳化硅P+区(6)上覆盖有门极欧姆电极(8)，所述碳化硅N+发射区(5)和门极欧姆电极(8)之间设置有门‑阴极隔离区(11)。

【技术特征摘要】
1.一种超高压碳化硅晶闸管，其特征在于，包括位于同一平面内的碳化硅P+发射区(7)和两个N型碳化硅衬底(12)，所述碳化硅P+发射区(7)位于两个N型碳化硅衬底(12)之间，所述N型碳化硅衬底(12)和碳化硅P+发射区(7)上表面依次外延生长有碳化硅P发射区(1)、碳化硅N+缓冲层(2)、碳化硅N-型长基区(3)、碳化硅P-短基区(4)及碳化硅N+发射区(5)，所述N型碳化硅衬底(12)和碳化硅P+发射区(7)背面覆盖有阳极欧姆电极(10)；所述碳化硅N+发射区(5)与碳化硅P-短基区(4)形成台阶，所述碳化硅N+发射区(5)上覆盖有阴极欧姆电极(9)；所述碳化硅P-短基区(4)两端上部镶嵌有两个碳化硅P+区(6)，每个所述碳化硅P+区(6)上覆盖有门极欧姆电极(8)，所述碳化硅N+发射区(5)和门极欧姆电极(8)之间设置有门-阴极隔离区(11)。2.如权利要求1所述的一种超高压碳化硅晶闸管，其特征在于，所述碳化硅P发射区(1)的掺杂浓度为1x1017cm-3，所述碳化硅P发射区(1)的厚度为2.0μm；所述碳化硅N+缓冲层(2)的掺杂浓度为5x1016cm-3～1x1017cm-3，所述碳化硅N+缓冲层(2)的厚度为2.0μm～3.0μm；所述碳化硅N-型长基区(3)的掺杂浓度为2x1014cm-3，所述碳化硅N-型长基区(3)的厚度为160μm；所述碳化硅P-短基区(4)的掺杂浓度为2x1017cm-3～5x1017cm-3，所述碳化硅P-短基区(4)的厚度为1.5μm～3.0μm；所述碳化硅N+发射区(5)的掺杂浓度为2x1019cm-3，所述碳化硅N+发射区(5)的厚度为2.5μm～3.5μm；所述N型碳化硅衬底(12)的厚度为1μm～3μm。3.一种超高压碳化硅晶闸管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、先选取N型碳化硅衬底(12)，进行清洗处理，再在N型碳化硅衬底(12)上依次进行外延生长碳化硅P发射区(1)、碳化硅N+缓冲层(2)、碳化硅N-型长基区(3)、碳化硅P-短基区(4)及碳化硅N+发射区(5)；步骤2、对经步骤1处理后的N型碳化硅衬底(12)进行减薄处理；步骤3、对步骤1中的碳化硅N+发射区(5)进行干法刻蚀形成台阶结构，暴露出所述碳化硅P-短基区(4)；步骤4、在步骤1中的碳化硅P-短基区(4)上表面进行P型离子注入形成碳化硅P+区(6)；步骤5、在经步骤2得到的N型碳化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲红斌，刘青，王曦，李佳琪，安丽琪，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61