一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管

技术领域

本发明涉及功率半导体技术领域，尤其涉及一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管。

背景技术

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高临界击穿场强、高热导率及高载流子饱和速率等特性。上述材料优势使得碳化硅功率半导体器件在新能源发电、高铁牵引设备、混合动力汽车等中高耐压等级应用领域具有广阔的应用前景。在超结结构中，由于在N型外延层内设置了P型区，当漂移区加反向电压时，在水平方向上会产生电场，如果N型外延层和P型区达到电荷平衡状态，此时漂移区内电荷会被完全耗尽，此时电场在漂移区内实现了均匀分布，由此可以大幅提高器件的击穿电压。此外，超结结构中器件的击穿电压与N型外延层、P型区的掺杂浓度无关，因此可以通过提高N型外延层、P型区的掺杂浓度来进一步降低器件的导通电阻。一般来讲，在碳化硅肖特基二极管中，高的反向击穿电压和低的正向导通电阻之间存在折中关系，而选用超结结构能够显著改善两者之间的折中。此外，对于超结结构来说，还需要严格控制N型外延层、P型区的掺杂浓度及宽度，以保障实现电荷平衡。

2016年，Zhong等人在“X.Zhong,B.Wang,and K.Sheng,“Design andexperimental demonstration of 1.35kV SiC super junction Schottky diode,”inProc.28

发明内容

为克服上述的技术问题，本发明提供了一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管。

本发明解决技术问题的方案提供一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管，包括衬底层，外延层，P型注入区，氧化层，金属电极层，金属电极层包括阳极金属层与阴极金属层，所述衬底层设置于阴极金属层之上，所述外延层下端与衬底层接触，上端与阳极金属层接触，所述外延层上开设矩形沟槽，氧化层设置于沟槽内部，氧化层与外延层之间设置P型注入区，所述P型注入区包裹氧化层，将氧化层与外延层分隔开，P型注入区侧面及底部与外延层接触，顶部与阳极金属层接触。

优选地，所述外延层分为第一外延层，第二外延层与第三外延层，所述第一外延层上端与阳极金属层接触，所述第三外延层下端与衬底层接触，所述第二外延层位于第一外延层及第三外延层之间。所述外延层为N型掺杂，厚度为10～100μm，掺杂浓度为1×10

优选地，所述氧化层深度为5～50μm，宽度为1～20μm。

优选地，所述衬底层为N型掺杂，厚度为80～200μm，掺杂浓度为1×10

优选地，所述P型注入区为P型掺杂，厚度为0.1～1μm,掺杂浓度为1×10

优选地，所述氧化层材料为二氧化硅。

优选地，两个所述P型注入区的间距为1～20μm。

相对于现有技术，本发明中具有超结结构的碳化硅肖特基二极管具有如下优点：

本发明为一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管，基于深槽刻蚀技术，采用离子注入的方式在沟槽侧壁形成P型注入区，用二氧化硅填充沟槽，该P型注入区与N型外延层形成两个背对背的PN结，当器件阴极施加高压时，PN结耗尽区同时在P型注入区和N型外延层扩展，直至完全耗尽，类似于本征层，使器件能承担更高的反向电压。因此，可以通过设置比普通碳化硅肖特基二极管更高的外延层浓度，进一步降低器件的导通电阻。此外，本发明通过设置掺杂浓度不同的第一外延层、第二外延层、第三外延层结构来降低器件击穿电压对于P型注入区掺杂浓度的敏感程度，增加工艺容差。

附图说明

图1是Zhong等人提出的碳化硅超结二极管结构简图。

图2是本发明提出的碳化硅超结二极管器件结构简图。

附图标记说明：

1、阳极金属层；2、氧化层；3、P型注入区；4、衬底层；5、阴极金属层；6、外延层；601、第一外延层；602、第二外延层；603、第三外延层

图3是两种器件结构的击穿电压对于P型注入区掺杂浓度的工艺窗口对比图。

图4是两种器件结构在P型注入区掺杂浓度为1×10

图5是两种器件结构在P型注入区掺杂浓度为5×10

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图2，本实施例提供了一种1.2kV碳化硅超结二极管器件结构，包括氧化层2，P型注入区3，衬底层4，外延层6，金属电极层，金属电极层包括阳极金属层1与阴极金属层5，所述衬底层4设置于阴极金属层5之上，所述外延层6下端与衬底层4接触，上端与阳极金属层1接触，所述外延层6上开设矩形沟槽，氧化层2设置于沟槽内部，氧化层2与外延层6之间设置P型注入区3，所述P型注入区3包裹氧化层2，将氧化层2与外延层6分隔开，P型注入区3侧面及底部与外延层6接触，顶部与阳极金属层1接触。

优选地，所述外延层6分为第一外延层601，第二外延层602与第三外延层603，所述第一外延层601上端与阳极金属层1接触，所述第三外延层603下端与衬底层4接触。所述第二外延层602位于第一外延层601及第三外延层603之间。所述外延层6为N型掺杂，厚度为12μm，所述第一外延层601厚度为3μm，掺杂浓度为2×10

优选地，所述氧化层2深度为6μm，宽度为3μm。

优选地，所述衬底层4为N型掺杂，厚度为100μm，掺杂浓度为1×10

优选地，所述P型注入区3为P型掺杂，厚度为0.2μm,掺杂浓度为3×10

优选地，所述氧化层2材料为二氧化硅。

优选地，两个所述P型注入区3的间距为1.6μm。

优选地，所述金属电极层，包括阳极金属层1与阴极金属层5的材料为铝。

相对于现有技术，本发明的具有超结结构的碳化硅肖特基二极管具有如下优点：

本发明为一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管，基于深槽刻蚀技术，采用离子注入的方式在沟槽侧壁形成P型注入区3，用二氧化硅填充沟槽，该P型注入区3与N型外延层6形成两个背对背的PN结，当器件阴极施加高压时，PN结耗尽区同时在P型注入区3和N型外延层6扩展，直至完全耗尽，类似于本征层，使器件能承担更高的反向电压。因此，可以通过设置比普通碳化硅肖特基二极管更高的外延层浓度，进一步降低器件的导通电阻。此外，本发明通过设置掺杂浓度不同的第一外延层601、第二外延层602、第三外延层603结构来降低器件击穿电压对于P型注入区3掺杂浓度的敏感程度，增加工艺容差。

请参阅图3，本发明通过对外延层6设置三层不同浓度的N型掺杂，能够扩大器件击穿电压的工艺窗口，对于P型注入区3掺杂浓度的敏感度有很好的抑制作用，图3为器件优化前后的工艺窗口对比，可以看出对于1.2kV碳化硅超结肖特基二极管来说，本发明结构的工艺窗口明显优于原有的器件结构。

请参阅图4，图4(a)是原有器件结构的P型注入区3掺杂浓度为1×10

请参阅图5，图5(a)是原有器件结构的P型注入区3掺杂浓度为5×10

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的专利保护范围内。