一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，包括SiC衬底，在SiC衬底之上依次制作有第一外延层、第二外延层、第三外延层、第四外延层、第五外延层、第六外延层，第六外延层分为多个凸台；在第三外延层上部镶嵌有结终端，并且结终端位于第四外延层和第五外延层的末端之外；还包括绝缘介质薄膜，绝缘介质薄膜覆盖在各个凸台侧壁、各个凸台之间的第五外延层表面以及结终端台面的侧壁与表面；在第六外延层的各个凸台上端面覆盖有阳极；在SiC衬底下端面覆盖有阴极。本发明专利技术还公开了该种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法。本发明专利技术的结构独特，器件性能优异；本发明专利技术的制作方法，便于实施。

【技术实现步骤摘要】
一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管及制作方法
本专利技术属于半导体器件
，涉及一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，本专利技术还涉及该种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大、热导率高、临界雪崩击穿电场强度高、饱和载流子漂移速度大及热稳定性好等优点，是制造电力半导体器件的理想材料。SiC高压器件与同等级的硅器件相比，具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的耐高温特性，更适合应用于电力电子电路。SiC晶闸管作为SiC高压器件中的一种，具有阻断电压高、通态压降低、安全工作区(SOA)大以及无栅氧化层可靠性问题等优点，能突破硅晶闸管的物理极限，有效提升高压直流输电系统(HVDC)与智能电网电能传输系统的功率密度与效率。相比于SiC电控晶闸管(SiCETT)，SiC光触发晶闸管(SiCLTT)在简化驱动电路与抗电磁干扰方面具有更多优势。因铝受主在SiC中的电离能较高(0.19eV)，p型SiC材料具有较高的电阻率。为了避免使用电阻率较高的p型衬底，耐压10kV及以下的SiC晶闸管一般需采用p型长基区结构。采用p型长基区结构的SiC晶闸管，p+发射区空穴浓度较低，影响p+-n发射结注入效率，导致SiCLTT存在开通延迟时间大的问题。为了缩短开通延迟时间，一般使用紫外激光脉冲对SiCLTT进行触发，而激光源存在体积大、效率低的问题。鉴于此，紫外发光二极管(UVLED)被用于触发SiCLTT。但UVLED光功率密度较小，难以满足高压SiCLTT的触发需求。N.Dheilly等2011年在ElectronicsLetters发表文章《OpticaltriggeringofSiCthyristorsusingUVLEDs》，文中利用330nm波长的UVLED对SiCLTT进行了触发，光脉冲宽度为20μs，SiCLTT经2.6μs的延迟后电压才开始下降。N.Dheilly等的工作首次实现了SiCLTT的UVLEDs触发，但SiCLTT开通延迟时间较大，仍需改进。S.L.Rumyantsev等2013年在SemiconductorScienceandTechnology发表文章《Opticaltriggeringofhigh-voltage(18kV-class)4H-SiCthyristors》，文中首次在SiCLTT中引入了放大门极结构，通过引入放大门极，触发光功率密度得到降低，但仍旧存在开通延迟时间大的问题。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高性能、高可行性的技术方案，用于改善UVLED触发SiCLTT开通延迟时间大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，解决了现有SiCLTTp+-n发射结注入效率低，开通延迟时间大，所需触发光功率高的问题。本专利技术的另一目的是提供该种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，包括SiC衬底，该SiC衬底的材料为n型4H-SiC，在SiC衬底之上制作有第一外延层，即n+发射区，该第一外延层的材料为n型4H-SiC；在第一外延层之上制作有第二外延层，即p+缓冲层，该第二外延层的材料为p型4H-SiC；在第二外延层之上制作有第三外延层，即p-长基区，该第三外延层的材料为p型4H-SiC；在第三外延层之上制作有第四外延层，即下层薄n基区，该第四外延层的材料为n型4H-SiC；在第四外延层之上制作有第五外延层，即上层薄n-基区，该第五外延层的材料为n型4H-SiC；在第五外延层之上制作有第六外延层，即p+发射区，分为尺寸相同的多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该第六外延层的材料为p型4H-SiC；在第三外延层上部镶嵌有结终端，并且结终端位于第四外延层和第五外延层的末端之外，呈p型；还包括绝缘介质薄膜，绝缘介质薄膜覆盖在第六外延层的各个凸台侧壁、各个凸台之间的第五外延层表面以及结终端台面的侧壁与表面，位于各个凸台之间的部分的高度低于凸台的上端面；在第六外延层的各个凸台上端面覆盖有阳极；在SiC衬底下端面覆盖有阴极。本专利技术的另一技术方案是，一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法，按照以下步骤实施：步骤1：采用CVD的方法，在SiC衬底上表面向上依次生长第一外延层、第二外延层、第三外延层、第四外延层、第五外延层、第六外延层；其中SiC衬底的掺杂类型为n型，厚度为1μm-500μm，其掺杂浓度为1×1014-1×1022cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；第一外延层的掺杂类型为n型，厚度为0.1μm-3μm，其掺杂浓度为5×1017-1×1022cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；第二外延层的掺杂类型为p型，厚度为0.1μm-3μm，其掺杂浓度为5×1016-1×1022cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；第三外延层的掺杂类型为p型，厚度为1μm-500μm，其掺杂浓度为1×1014-3×1016cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；第四外延层的掺杂类型为n型，厚度为0.1μm-2.4μm，其掺杂浓度为1×1016-1×1022cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；第五外延层的掺杂类型为n-型，厚度为0.1μm-2.4μm，其掺杂浓度为1×1014-1×1017cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；第六外延层的掺杂类型为p型，厚度为0.1μm-6μm，其掺杂浓度为1×1018-1×1022cm-3，上端表面积为1μm2-2000cm2；步骤2：在第六外延层上采用曝光技术，获得图形化表面；步骤3：在图形化表面上进行刻蚀，采用干法刻蚀，形成第六外延层的多个凸台，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-6.1μm，各凸台的高度不小于第六外延层的厚度；步骤4：在外延层上表面采用曝光技术，获得图形化表面；步骤5：在图形化表面上进行刻蚀，采用干法刻蚀，形成终端台面，该终端台面高度为0.2μm-500μm，其高度不小于第四外延层与第五外延层厚度之和；步骤6：对步骤5得到的器件进行离子注入，在终端台面向下形成结终端，注入离子为铝离子或硼离子；结终端的厚度不大于1μm，宽度为1μm-1mm；离子注入的能量为100eV-700KeV，注入温度为0℃-900℃，注入的剂量为1×1010-1×1016cm-2；步骤7：去除光刻掩膜，进行高温退火，高温退火温度为900℃-2100℃，退火气氛为惰性气体氛围；步骤8：在器件上表面生长绝缘介质薄膜，所述绝缘介质薄膜覆盖第六外延层的凸台侧壁、凸台之间第五外延层的表面以及终端台面的侧壁与表面；所述绝缘介质薄膜厚度为0.1μm-2μm；步骤9：对绝缘介质薄膜进行刻蚀，将第六外延层的各个凸台上表面的绝缘介质薄膜去除，保留其他部分的绝缘介质薄膜；步骤10：在第六外延层的凸台上表面淀积阳极金属；步骤11：在SiC衬底的背面淀积阴极金属；步骤12：对步骤11得到的制品在氮气或惰性气体保护下快速热退火，退火温度为500℃-1200℃，退火时间为10秒-10分钟；步骤13：在阳极金属上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：包括SiC衬底(1)，该SiC衬底(1)的材料为n型4H‑SiC，在SiC衬底(1)之上制作有第一外延层(2)，即n

【技术特征摘要】
1.一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：包括SiC衬底(1)，该SiC衬底(1)的材料为n型4H-SiC，在SiC衬底(1)之上制作有第一外延层(2)，即n+发射区，该第一外延层(2)的材料为n型4H-SiC；在第一外延层(2)之上制作有第二外延层(3)，即p+缓冲层，该第二外延层(3)的材料为p型4H-SiC；在第二外延层(3)之上制作有第三外延层(4)，即p-长基区，该第三外延层(4)的材料为p型4H-SiC；在第三外延层(4)之上制作有第四外延层(5)，即下层薄n基区，该第四外延层(5)的材料为n型4H-SiC；在第四外延层(5)之上制作有第五外延层(6)，即上层薄n-基区，该第五外延层(6)的材料为n型4H-SiC；在第五外延层(6)之上制作有第六外延层(7)，即p+发射区，分为尺寸相同的多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该第六外延层(7)的材料为p型4H-SiC；在第三外延层(4)上部镶嵌有结终端(10)，并且结终端(10)位于第四外延层(5)和第五外延层(6)的末端之外，呈p型；还包括绝缘介质薄膜(8)，绝缘介质薄膜(8)覆盖在第六外延层(7)的各个凸台侧壁、各个凸台之间的第五外延层(6)表面以及结终端(10)台面的侧壁与表面，位于各个凸台之间的部分的高度低于凸台的上端面；在第六外延层(7)的各个凸台上端面覆盖有阳极(9)；在SiC衬底(1)下端面覆盖有阴极(11)。2.根据权利要求1所述的具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：所述的第六外延层(7)的各个凸台为叉指结构、平行长条状、圆环形、正方形或渐开线形台面之一，或其组合形状；各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-6.1μm，各凸台的高度不小于p+发射区的厚度。3.根据权利要求1所述的具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：所述的上层薄n基区的掺杂浓度低于下层薄n基区的掺杂浓度。4.根据权利要求1所述的具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：所述的SiC衬底(1)的厚度为1μm-500μm，该SiC衬底(1)的上端表面积为1μm2-2000cm2。5.根据权利要求1所述的具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：所述的第一外延层(2)的厚度为0.1μm-3μm，该第一外延层(2)的上端表面积为1μm2-2000cm2；第二外延层(3)的厚度为0.1μm-3μm，该第二外延层(3)的上端表面积为1μm2-2000cm2；第三外延层(4)的厚度为1μm-500μm，该第三外延层(4)的上端表面积为1μm2-2000cm2；第四外延层(5)的厚度为0.1μm-2.4μm，该第四外延层(5)的上端表面积为1μm2-2000cm2；第五外延层(6)的厚度为0.1μm-2.4μm，该第五外延层(6)的上端表面积为1μm2-2000cm2；第六外延层(7)的厚度为0.1μm-6μm，单个凸台的上端表面积为1μm2-2000cm2。6.根据权利要求1所述的具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：所述的阳极(9)由阳极金属与阳极压焊块组成，阳极压焊块覆盖在阳极金属的上表面，厚度为0.1μm-100μm；所述的阴极(11)由阴极金属与阴极压焊块组成，阴极压焊块覆盖在阴极金属的背面，厚度为0.1μm-100μm。7.根据权利要求6所述的具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，其特征在于：所述的阳极金属、阴极金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料为Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一，或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组...

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