專(zhuān)利名稱(chēng)：碳化硅超快速高溫整流二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用半導(dǎo)體材料制作的整流器，特別涉及以碳化硅制作的高溫高頻整流二極管。
功率電子技術(shù)是利用電子功率器件來(lái)處理電子功率的轉(zhuǎn)變，控制和調(diào)節(jié)的工程領(lǐng)域。電子功率，就其基本形式(交流或直流)、有效電壓或電流、頻率和功率而論，都是可被控制的。隨后，電子功率的控制又常被用來(lái)維持或獲得或調(diào)整某些其它的非電學(xué)因素、諸如馬達(dá)的速度，加熱裝置的溫度或光的產(chǎn)生或測(cè)量。電子功率的控制也被用于構(gòu)成電子計(jì)算機(jī)的操作、控制和應(yīng)用的基礎(chǔ)的邏輯電路。
在現(xiàn)代技術(shù)中、固體器件已在電子功率的轉(zhuǎn)變、控制和調(diào)整的多數(shù)應(yīng)用中、以及在計(jì)算機(jī)工業(yè)中幾乎獲得普遍的承認(rèn)。半導(dǎo)體器件的可靠性大、速度快、效率高、尺寸小而且往往造價(jià)低廉。
固體器件的一個(gè)基本類(lèi)型是整流二極管。如熟悉電子器件的技術(shù)人員所周知，二極管是半導(dǎo)體器件的最簡(jiǎn)單的型式，二極管最直接的應(yīng)用是整流，也即將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳌６O管由于它允許電子沿一個(gè)方向流通，但是阻塞了電子沿另一個(gè)方向的通路而作為電子通路的單向壁壘。因此，二極管作為開(kāi)關(guān)器件是實(shí)用的。按電子學(xué)術(shù)語(yǔ)，二極管被認(rèn)為是流過(guò)正向(正偏置)電流，而阻擋反向(反偏置)電流。任一指定的二極管的特性、一般可用施加于二極管的電壓(V)和電流(I)之間的關(guān)系來(lái)測(cè)定。
如熟悉電子器件的技術(shù)人員進(jìn)一步周知，然而反方向的電流不總是完全被阻斷。當(dāng)施加反向電壓(VR)時(shí)，有一小量反向電流(IR)將流過(guò)二極管。因此，任一二極管的反向電流被定義為在指定的反向電壓所流過(guò)的電流值。但是，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)使二極管的整流或阻擋電子能力開(kāi)始完全崩潰的電壓值。這一點(diǎn)被稱(chēng)為反向擊穿電壓(VBR)，并表示在該點(diǎn)，二極管耗盡區(qū)內(nèi)的電子進(jìn)行了雪崩倍增或隧道穿通、在此電壓下，電流將顯著增大，其結(jié)果一般因它產(chǎn)生的高瓦數(shù)和有害的熱而毀壞該二極管。
因而，二極管的性能一般用五個(gè)基本特性參數(shù)表征正向電流(IF)，控制二極管在不燒毀的情況下的電流值;
正向電壓(VF)，反向電流(IR)，產(chǎn)生所要求的正向電流電平所需的電壓電平;在指定的反向電壓下，通過(guò)二極管漏泄的電流值;
反向擊穿電壓(VBR)，超過(guò)該電壓，反向電流開(kāi)始急速上升的反向電壓;
反向恢復(fù)時(shí)間(trr)，二極管恢復(fù)正向?qū)ú㈤_(kāi)始重新阻擋反向電流所需的時(shí)間。
反向恢復(fù)時(shí)間是定義一個(gè)指定的二極管或整流器可控制的交流頻率的重要特性。交流電流的頻率越高，為將此電流整流，二極管必須響應(yīng)的越快。
任一此類(lèi)器件的特性，當(dāng)然在很大程度上依賴(lài)于制作半導(dǎo)體器件的材料。不同的材料具有不同的固有的電子特性，對(duì)于任一指定的半導(dǎo)體材料，可制造的器件質(zhì)量一般將依賴(lài)晶體的結(jié)構(gòu)，純度和用這種材料可完成的適量摻雜。
碳化硅早已是一種用于制造此類(lèi)半導(dǎo)體電子器件的應(yīng)選材料。碳化硅具有若干使它在理論上有益于此類(lèi)應(yīng)用的特性。這些特性包括帶隙寬、熱導(dǎo)率高，介電常數(shù)低、飽和電子遷移率高，擊穿電場(chǎng)高、少數(shù)載流子壽命低、以及離解溫率高?？偫紤]，這些性能預(yù)示由碳化硅制作的半導(dǎo)體器件應(yīng)該可在比用其它半導(dǎo)體材料制作的器件高許多的溫度、以及在更快的速度和更高的功率電平下工作。
盡管如此，由碳化硅制作的整流二極管和其它半導(dǎo)體電子器件尚須使它成為一種除在實(shí)驗(yàn)研究之外的任何情況都可生存的狀態(tài)，還必須使它獲得商業(yè)潛力。這沒(méi)有獲得成就，至少部分原因在于，在加工碳化硅中所碰到的困難。它是一種極其硬的材料，常常被用作磨料。它往往必須在極高的溫度下工作，在那種高溫下，其它材料不能工作，而且從半導(dǎo)體的觀點(diǎn)看，其結(jié)晶大大超過(guò)150種聚(晶類(lèi))型，大多數(shù)的晶類(lèi)由相當(dāng)小的熱力學(xué)上的差異才能區(qū)別開(kāi)。由于后一種原因，對(duì)于一定器件所需的碳化硅單晶薄膜的生產(chǎn)和作為襯底材料用及其它應(yīng)用的碳化硅大單晶的生產(chǎn)仍是個(gè)難以捉摸的目標(biāo)。另外，對(duì)其它材料已被成功地開(kāi)發(fā)的一定的摻雜工藝，當(dāng)用于碳化硅時(shí)，已被證實(shí)是失敗的。最后，還必須使適合整流目的Pn結(jié)成功地獲得實(shí)用的和商業(yè)的潛力。
但是，最近已出現(xiàn)若干進(jìn)展，成功地完成碳化硅的單晶體和薄膜的生長(zhǎng)。這些進(jìn)展被包含在數(shù)項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)中。這些專(zhuān)利是下列美國(guó)專(zhuān)利Davis等人的No4-“β-sic薄膜的生長(zhǎng)及在其上制作的半導(dǎo)體器件”(系列號(hào)07/113.921。1987、10、26申請(qǐng));Davis等人的No4-“α-Sic薄膜的均勻外延生長(zhǎng)及在其上制作的半導(dǎo)體器件”(系列號(hào)07/113，573。1987、10、26申請(qǐng));Palmour的No4，865、685?！疤蓟璧母煞ǜg”以及Davis等人的No4，866，005“為生產(chǎn)大的和器件純度的碳化硅單晶的碳化硅的提純”。
確定有某性能參量的Pn結(jié)的適當(dāng)生產(chǎn)是制作整流二極管的基礎(chǔ)步驟。所以，已指示了碳化硅在理論上的有利條件，和制造改進(jìn)這種包括整流器的器件結(jié)的必要性，則制造這種碳化硅結(jié)的方法就具有顯著的意義。大多數(shù)的成果研制出生產(chǎn)被稱(chēng)為“熔合”結(jié)的方法。在這種結(jié)中，P型和n型碳化硅的交錯(cuò)區(qū)相互接觸，形成Pn結(jié)。典型的工藝包括將一種摻雜劑金屬直接熔在碳化硅的表面上，使得一些摻雜劑溶解到碳化硅內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)反型的摻雜區(qū)，其邊緣形成Pn結(jié)。另一些方法采用，先單獨(dú)形成P型和n型碳化硅部分，再用多種方法將它們相互熔合，形成Pn結(jié)。另一些工藝、努力促成在相反導(dǎo)電類(lèi)型的碳化硅襯底上，外延生長(zhǎng)P型或者n型碳化硅。其它一些方法、包括解決基本工藝辦法。在一個(gè)相關(guān)的美國(guó)(續(xù))申請(qǐng)中，已說(shuō)明成功的利用離子注入工藝導(dǎo)致適當(dāng)?shù)慕Y(jié);“摻雜劑在碳化硅單晶內(nèi)的注入和電激活”系列號(hào)No，07/365，333，1989，5，24申請(qǐng)。
同樣，做一些實(shí)驗(yàn)，已在碳化硅內(nèi)制作出效果良好的整流二極管。這些試驗(yàn)包括在特定的金屬與n型，或與P型碳化硅之間的整流接觸(肖特基二極管)，前述的熔合技術(shù)，將金屬整流接觸沉積到碳化硅上的電弧或?yàn)R射工藝，在包括碳化硅的二極管材料之間建立多級(jí)傳遞、以及用玻璃狀的非晶材料薄層作碳化硅整流器件中的有源層。
更近一些，如本文前面所述，已說(shuō)明用化學(xué)汽相淀積(CVD)在硅上，或在碳化硅襯底上生產(chǎn)高品位的碳化硅外延層的碳化硅生長(zhǎng)工藝。用這些工藝、其它一些研究者也做了試驗(yàn)，成功地在碳化硅上形成整流二極管。例如，庫(kù)羅達(dá)(Kuroda)等人的“在低溫、多級(jí)受控的VPE生長(zhǎng)Sic單晶”第19次固體器件和材料討論會(huì)補(bǔ)從摘要，東京，1987，PP223-230，介紹了他們的試驗(yàn)、用CVD工藝形成鄰接的P和n外延層，生產(chǎn)碳化硅二極管。在他們的文章中，庫(kù)羅達(dá)(Kuroda)等人報(bào)導(dǎo)了所生產(chǎn)的二極管的反向擊穿電壓大約的為100V，3V左右時(shí)正向電流大約為400μA。
Kuroda沒(méi)有報(bào)導(dǎo)反向恢復(fù)時(shí)間這一整流二極管的重要特性及生產(chǎn)一種緩變的Pn結(jié)。如熟悉此類(lèi)器件的技術(shù)人員所知，結(jié)的特性基本上確定了整個(gè)器件的特性，一個(gè)緩變結(jié)是這樣的一種結(jié)，在結(jié)內(nèi)的第度存在于兩相反類(lèi)型電荷載流子(電子或空穴)之間，可跨結(jié)延伸一些距離，包括大到1μ或1μm以上的距離。相反，一個(gè)突變結(jié)表現(xiàn)為從一種整流子類(lèi)型到另一種載流子類(lèi)型的陡峭的變化。熟悉此類(lèi)器件技術(shù)人員更進(jìn)一步周知，確定一個(gè)結(jié)是緩變結(jié)還是突變結(jié)的一種技術(shù)是測(cè)量二極管的電流對(duì)電壓的關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)直接畫(huà)出電容對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)時(shí)，呈現(xiàn)一種非線(xiàn)性關(guān)系。然而，在電容平方的倒數(shù)或電容立方的倒數(shù)與電平之間存在一種線(xiàn)性關(guān)系。若電容平方的倒數(shù)與電壓之間的關(guān)系是線(xiàn)性的，可以認(rèn)為二極管具有一個(gè)突變結(jié)。另一種情況，若電容的立方的倒數(shù)對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，可以認(rèn)為結(jié)是緩變的。如庫(kù)羅達(dá)(Kuroda)的陳述，用他的工藝制作的二極管呈現(xiàn)這種緩變結(jié)。
另外，Kurada二極管工作在微安范圍內(nèi)，比應(yīng)該在多數(shù)功率設(shè)備中使用的別的二極管的電流量值要小些。最后，盡管碳化硅的一個(gè)合乎要求的特性是它產(chǎn)生藍(lán)光的能力，但對(duì)于整流二極管來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的特性是在高溫度工作，而Kuroad沒(méi)有說(shuō)明任一效果良好的二極管不在室溫下應(yīng)用。
所以，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種以碳化硅制成、可以在高頻，高反向電壓和高溫工作的，具有突變結(jié)和低正向電阻的整流二極管。
本發(fā)明的整流器包括一片單晶碳化硅襯底，其襯底為第一導(dǎo)電類(lèi)型，具有充足的載流子濃度;一層在襯底上的第一碳化硅外延層，具有與襯底相同的導(dǎo)電類(lèi)型;以及一層在第一外延層上的第二碳化硅外延層，具有與第一外延層相反的導(dǎo)電類(lèi)型。第一和第二外延層分別具有不同量級(jí)的載流子濃度，其濃度差足以使?jié)舛鹊偷耐庋訉釉诜雌孟禄旧鲜呛谋M的。第一和第二外延層在兩層之間形成一個(gè)突變的Pn結(jié)。
下面結(jié)合附圖，考慮本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明，會(huì)使本發(fā)明的上述和其它目的，優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，以及完成本發(fā)明的方法變得更加容易明白，


了優(yōu)選的和典型的實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明整流二極管的原理示意圖;
圖2是依本發(fā)明的園形臺(tái)面整流二極管的透視圖;
圖3和圖4是本發(fā)明整流二極管的另一實(shí)施例的原理示意圖;
圖5是依本發(fā)明的整流二極管的電流對(duì)電壓的曲線(xiàn)圖，突出在-400V偏置下，在室溫和350℃的反向漏電流;
圖6是電流對(duì)正偏置電壓的曲線(xiàn)圖，突出了在室溫和350℃的到400mA的正向電壓降;
圖7表示依本發(fā)明的二極管的電容和反偏置電壓到-20V的關(guān)系曲線(xiàn);
圖8是本發(fā)明的二極管的電容量平方倒數(shù)對(duì)控制電壓的曲線(xiàn)圖，并表示二者間的線(xiàn)性關(guān)系;
圖9是對(duì)根據(jù)本發(fā)明的二極管用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)得的鋁原子濃度對(duì)深度的曲線(xiàn)圖;
圖10是對(duì)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)400V二極管用電容-電壓測(cè)量測(cè)得的在n型層的施主載流子濃度對(duì)深度(深到-20V反偏置)的曲線(xiàn)圖;
圖11和圖12分別表示工作在室溫和350℃下顯示依本發(fā)明的二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的開(kāi)關(guān)電路中的電流和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn);
圖13是從本發(fā)明二極管測(cè)得的和預(yù)計(jì)的反向擊穿電壓值，擊穿時(shí)耗盡層的寬度，載流子的濃度和最大電場(chǎng)演變而來(lái)的綜合曲線(xiàn)圖;
圖14和圖15是依本發(fā)明的另一種二極管分別工作在室溫和350℃時(shí)，電流對(duì)電壓的曲線(xiàn)圖。
圖1是本發(fā)明整流二極管10的第一實(shí)施例的原理示意圖。該整流二極管10包括一個(gè)單晶碳化硅襯底11，該襯底賦予襯底11為第一種導(dǎo)電類(lèi)型具有充足的載流子濃度，或者為P型，或n型。如熟悉電子器件的技術(shù)人員所周知，載流子的兩種類(lèi)型是電子和空穴。電子是原子內(nèi)的粒子、空穴代表原子內(nèi)的空位，電子可移動(dòng)到空穴內(nèi)。當(dāng)一些電子移動(dòng)到這種原子位置時(shí)，它們就留下一些未填充的位置，就是空穴、因而任何電子器件中的電流可以被認(rèn)為是電子流，可以是空穴流、只是各自沿相反方向流動(dòng)。如熟悉本工藝的技術(shù)人員所進(jìn)一步周知，在一種材料，如在碳化硅中，載流子一般由摻雜劑摻入;摻雜劑就是在每個(gè)框架位置上的原子具有比半導(dǎo)體材料本身具有的電子數(shù)目多或少的原子。具有多余電子的摻雜劑通稱(chēng)施主原子，提供額外的電子。具有比碳化硅原子所有的電子數(shù)還少的原子提供額外的空穴，并通稱(chēng)為受主原子。
第一單晶碳化硅外延層12位于襯底11之上，其導(dǎo)電類(lèi)型與襯底11的導(dǎo)電類(lèi)型P或n相同，但載流子濃度小于襯底11的載流子濃度。例如，當(dāng)襯底11和外延層12都是n型時(shí)、襯底中的載流子較大的數(shù)通常用簡(jiǎn)記標(biāo)號(hào)n+代表，而第一外延層中較少的或正常的濃度常簡(jiǎn)單地用n代表。
第二單晶碳化硅外延層13位于第一外延層12上，其導(dǎo)電類(lèi)型與第一外延層相反，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，載流子濃度大于第一外延層12的濃度。這樣，如在前面優(yōu)選實(shí)施例的討論中，當(dāng)襯底11是n+，第一外延層是n時(shí)，第二外延層13就標(biāo)以P+。P+外延層13的載流子濃度與n+襯底11的載流子濃度不必彼此相等。如本文所用的，與一般標(biāo)號(hào)n相比，標(biāo)號(hào)n+或P+僅僅指明，襯底11中的載流子多于外延層12的載流子，同樣，第二外延層13的載流子多于第一外延層12的載流子。
如熟悉整流結(jié)的技術(shù)人員周知，結(jié)的P側(cè)和n側(cè)的各自載流子濃度顯著不同，大約有一個(gè)量級(jí)或一個(gè)量級(jí)以上的差別、結(jié)每一側(cè)的載流子都有移動(dòng)并建立一種平衡的趨勢(shì)，這導(dǎo)致從一側(cè)移動(dòng)的載流子多于從另一側(cè)移動(dòng)的載流子。詳細(xì)地說(shuō)，有較多的載流子從粒子數(shù)高的一側(cè)移動(dòng)到濃度低的一側(cè)。例如，如果結(jié)是P+n結(jié)，移動(dòng)進(jìn)入n層的空穴將多于移動(dòng)進(jìn)入P+層的電子。在反向偏置條件下也將顯示出這種特性的本身，因而，載流子濃度低的層將是在反偏置下，載流子顯著被耗盡的層。
在特定的實(shí)施例中，整流二極管，一般標(biāo)為10，將包括一個(gè)與襯底的歐姆接觸14和另一個(gè)與第二外延層的歐姆接觸15。在特定的實(shí)施例中，與襯底11的歐姆接觸14可以包括一種金屬，如鎳，而與第二外延層13的歐姆接觸13的歐姆接觸15可以包括一種金屬，如鋁或一種雙金屬，例如，由鋁合金制作的接觸。在另一優(yōu)選的實(shí)施例中，整流二極管還可以包括一個(gè)靠近Pn結(jié)的二氧化硅鈍化層16。
在如圖1所示的實(shí)施例中，整流二極管有一臺(tái)面結(jié)構(gòu)，其中，外延層12和13與襯底11的一部分有一個(gè)比襯底的其余部分較薄的剖面輪廓。按此結(jié)構(gòu)，分立的二極管，一般是彼此相連的成批制作，在不損傷外延層或不影響Pn結(jié)、換言之、或不改變晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的情況下分開(kāi)。另外，管芯的大小可以調(diào)整，以應(yīng)付各種電流的需要。
如圖2所示，在一個(gè)實(shí)施例中，外延層12和13以及歐姆接觸15一般是園形的。最后的園形Pn結(jié)避免了由其它幾何形狀引起的場(chǎng)效應(yīng)和電荷濃度問(wèn)題。另外，該形狀便于鈍化，并且如上所述，便于將二極管劃開(kāi)，而不損傷它的結(jié)。另一種結(jié)構(gòu)，如平面二極管也是可行的，但是除要求本發(fā)明的外延生長(zhǎng)工藝外，還要求擴(kuò)散或離子注入工藝。
根據(jù)實(shí)際粒子數(shù)，可將本發(fā)明的整流二極管制成具有合乎要求的擊穿電壓。這種二極管的特性如圖13所示，從中可以看出，例如，當(dāng)要設(shè)計(jì)擊穿電壓為100V的二極管時(shí)，所要求的濃度近似2.4×1017/cm3，而且要求擊穿時(shí)耗盡層寬度為0.68μm。所以，在n型的情況，為防止該外延層的厚度是擊穿電壓的極限參數(shù)，其厚度一般要超過(guò)這個(gè)最小耗盡層的厚度。那么，對(duì)于這種擊穿電壓為100V的二極管，第一外延層12的厚度至少應(yīng)在0.68μm的量級(jí)，載流子濃度大約為2.4×1017/cm3。襯底的載流子濃度應(yīng)該再大一個(gè)數(shù)量級(jí);而第二外延層13的載流子濃度應(yīng)大致與襯底有相同的數(shù)量級(jí)。如圖所示，圖13的實(shí)線(xiàn)部分代表根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線(xiàn)，而虛線(xiàn)部分代表預(yù)期從測(cè)試外推的關(guān)系曲線(xiàn)。
特別是，依發(fā)明的二極管將有一個(gè)從圖13的AG線(xiàn)上選定的擊穿電壓(以V表示)，該電壓在CD線(xiàn)上確定一個(gè)直接水平對(duì)著的點(diǎn)。相對(duì)應(yīng)的耗盡層寬度(μm)是在圖13上從CD線(xiàn)上已確定的點(diǎn)直接下降到正下方的EF線(xiàn)上的一點(diǎn)，與該點(diǎn)直接水平對(duì)著的AG線(xiàn)上的一點(diǎn)所選定的。相對(duì)應(yīng)的載流子濃度(原子/cm3)是在圖13上從CD線(xiàn)和EF線(xiàn)上已確定的點(diǎn)直接垂直下降到正下方的GH線(xiàn)上的一點(diǎn)選定的。
第一實(shí)施例的二極管的特殊結(jié)構(gòu)，即用了濃度較高的n+優(yōu)選襯底，n第一外延層和P+第二外延層、給出一個(gè)低的正向電阻和一個(gè)高的擊穿電壓，而濃度較高的第二外延層13又易于給出一個(gè)突變結(jié)。其效果是(得到)一個(gè)在正向電壓為3V時(shí)正向電流約為200mA，反向擊穿電壓超過(guò)400V的二極管。先前的二極管如Kuroda介紹的二極管，同樣在3V的正向電壓下，其正向電流只有約400μA。同樣，Kuroda二極管在-100V就呈現(xiàn)擊穿。簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明的二極管比已有技術(shù)的二極管、在正偏置時(shí)其性能要好500倍左右，在反偏置時(shí)要好4倍左右。
這些特殊效果最好用圖5和圖6的曲線(xiàn)圖說(shuō)明。
在第一實(shí)施例中采用P+n結(jié)導(dǎo)致n型外延層成為二極管在反偏置時(shí)的最顯著地被耗盡的層。氮是一種典型優(yōu)選n型摻雜劑，并且可以被稱(chēng)為“淺”施主，其效果使得載流子濃度隨溫度的變化-以及二極管的最終電學(xué)性能-比深能級(jí)摻雜劑更適中。如熟悉此種器件的技術(shù)人員周知，低摻雜外延層的載流子濃度基本上控制著器件的反偏置特性。所以，載流子濃度應(yīng)該盡可能按所要求地保持恒定。因而，在一定的情況下，低摻雜外延層用n型勝于用P型，因?yàn)榈?典型的n型摻雜劑)電離隨溫度的變化小于鋁(典型的P型摻雜劑)電離隨溫度的變化。
第一實(shí)施例特殊結(jié)構(gòu)的另一原因是，與更有利的較低電阻率n+襯底相比，能避免高電阻率的P+襯底。而且外延層的P+特性按要求地促進(jìn)了n外延層的耗盡。因?yàn)?，本發(fā)明的二極管是用碳化硅制成的，它們可在比由其它材料，如硅制成的半導(dǎo)體器件工作的典型溫度還高的溫度下良好地工作。例如，圖5表示，當(dāng)本發(fā)明的整流二極管工作在350℃溫度時(shí)，在-400V的反向漏電流不大于80μA。圖6表示同樣的二極管在25℃和350℃時(shí)的正向偏置特性。
圖3和圖4表明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，它的n型外延層有較高的載流子濃度，而P型層成為在反偏置時(shí)最終最顯著地被耗盡的層。圖3表明一個(gè)由單晶碳化硅形成的n+型襯底20，一層在襯底20上，具有導(dǎo)電類(lèi)型相同的n+型碳化硅單晶外延層21和一層在第一外延層21之上具有與第一外延層21相反的導(dǎo)電類(lèi)型的P型第二單晶外延層22。如符號(hào)n+和P所代表的，第一外延層21的載流子濃度至少比第二外延層22大一個(gè)數(shù)量級(jí)，以致第二外延層在反偏置下是最顯著地被耗盡的層。在最佳實(shí)施例中，在第二外延層22上設(shè)有一個(gè)第三單晶外延層23，具有與第二外延層22相同的P型導(dǎo)電類(lèi)型，其載流子濃度最好比第二外延層的載流子濃度大，以便減低整個(gè)二極管的接觸電阻。
如先前的實(shí)施例，Davis型CVD，在第一和第二外延層21和22間提供一個(gè)突變Pn結(jié)。
由于(大家都)清楚的緣故，雖然沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，但二極管還包括各自的襯底的歐姆接觸和第二外延層或第三外延層(若存在的話(huà))的歐姆接觸。由本發(fā)明可以看出，此實(shí)施例也提供了優(yōu)良的二極管特性。如先前對(duì)第一實(shí)施例所述，在一定的情況，P型層有些不適合做為在反偏下被顯著耗盡的層，因?yàn)闇囟葘?duì)由理論預(yù)料到的激活了P型摻雜劑的濃度的影響較大。然而，實(shí)際上在實(shí)驗(yàn)上已測(cè)定，P型外延層有些被另外存在的施主原子所補(bǔ)償，因而P型層的粒子數(shù)不像理論所預(yù)料的隨溫度起伏那樣大。
用非故意補(bǔ)償?shù)腜層，或用故意補(bǔ)償n型做反偏置下的主要耗盡層，在該層內(nèi)可獲得較小的載流子濃度。較小的載流子濃度本身又為二極管提供一個(gè)較高的擊穿電壓合乎理想的好結(jié)果。如熟悉碳化硅的技術(shù)人員所周知，不能制作出載流子濃度低于1×1016/cm3的未補(bǔ)償?shù)膎晶體或外延層。一般說(shuō)來(lái)，這是由于CVD生長(zhǎng)工藝的性質(zhì)和所用的源氣的純度產(chǎn)生的結(jié)果。
對(duì)最小載流子濃度的這些限制，用n層和P層的輕補(bǔ)償可以克服，因此，可獲得低到5×1014/cm3的載流子數(shù)目。這將導(dǎo)致上述的較高的擊穿電壓。在此實(shí)施例中，可預(yù)料，在-55℃～350℃的溫度范圍內(nèi)的反向擊穿電壓可高達(dá)-5000V。同樣，在20℃～350℃的溫度范圍內(nèi)，在低至2.7V的正向電壓下，正向電流可達(dá)10A。另外，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間小于20ns，經(jīng)常小于10ns。當(dāng)然，如熟悉半導(dǎo)體二極管的技術(shù)人員所周知，對(duì)任一特定的二極管，器件的有型尺寸將限制或容許一些工作特性。在指定的額定正向電壓下，較大的結(jié)容許較大的電流。
不用說(shuō)，雖然圖3所示的結(jié)構(gòu)具有n+襯底，然后是n+、P-、P+外延層排列。同樣，該二極管也可包括一個(gè)P+襯底和第一外延層，然后是n-和n+外延層，當(dāng)在反偏置下n型層最顯著地被耗盡時(shí)，具有早已介紹過(guò)的另外一種優(yōu)點(diǎn)。
圖4表示本發(fā)明的另一個(gè)六角形的二極管。六角形二極管相對(duì)于比圖2所示的圖形臺(tái)面二極管提供另一種優(yōu)點(diǎn)。雖然六角形有角，但這些角度較緩。而且，六角形比相同尺寸的管芯具有較大的結(jié)面積，而且在玻璃灌封器件中易于封裝。
圖14和圖15表明用6A-Sic制成的本發(fā)明二極管的另一些特性，以及在室溫(圖14)和350℃(圖15)測(cè)定并且繪出的電流對(duì)電壓(I-V)曲線(xiàn)關(guān)系。特定器件具有一個(gè)n+襯底，一層n+第一外延層，一層P-第二外延層，以及一層P+第三外延層。在室溫，峰值反向電壓達(dá)到455V，在該電壓下發(fā)生雪崩擊穿。擊穿在約420V開(kāi)始出現(xiàn)，其反向漏電流為4μA，在450V增加到50μA。此后，器件工作在電流隨電壓線(xiàn)性增加的雪崩狀態(tài)。圖14的右側(cè)表明此類(lèi)器件的正偏置特性。在室溫6H-Sic的帶隙約為2.9eV。這就給出一個(gè)相應(yīng)于二極管的導(dǎo)通電壓的，范圍約為2.4～2.5V的自建結(jié)電勢(shì)。此后，電流急速隨電壓增加，并受Sic的串聯(lián)電阻限制。換言之，如電阻完全不存在(實(shí)際上不可能)，電流將是無(wú)限的，但在室溫導(dǎo)通電壓將仍維持在2.4～2.5V范圍。
圖15表明二極管工作在350℃時(shí)的電流-電壓特性曲線(xiàn)。在反偏置時(shí)，擊穿電壓仍保持相同。然而預(yù)擊穿電壓，如曲線(xiàn)在-400V和-450伏間的園彎曲處所表征的，稍有增加。這可能是由于熱產(chǎn)生的載流子，而不是對(duì)二極管的反向飽和電流(Js)有貢獻(xiàn)的那些載流子。在350℃JS約為10-14A/cm2。
當(dāng)把二極管加熱到350℃時(shí)，導(dǎo)通電壓約降低到2.0V。這種電壓隨溫度增高而降低的現(xiàn)象可能是材料帶隙的降低，而且增加了本征載流子濃度的結(jié)果。
圖7和圖8表明依本發(fā)明制成的二極管的突變結(jié)的特性曲線(xiàn)。圖7為直接測(cè)出的對(duì)外加電壓的曲線(xiàn)圖，并顯示非線(xiàn)性關(guān)系，但當(dāng)電壓變得更正時(shí)，電容還是成比例的增加。更重要的是，圖8表示當(dāng)把電容平方的倒數(shù)對(duì)外加電壓繪成圖時(shí)，基本演變一直線(xiàn)關(guān)系，這說(shuō)明該結(jié)是突變結(jié)，而不是緩變結(jié)。如先前對(duì)現(xiàn)有技術(shù)二極管的介紹，當(dāng)電容平方的倒數(shù)對(duì)電壓的曲線(xiàn)圖仍是非線(xiàn)性，而電容量立方的倒數(shù)對(duì)外加電壓的曲線(xiàn)圖變?yōu)榫€(xiàn)性時(shí)，該結(jié)是緩變的，導(dǎo)致較低的擊穿電壓的器件和不能快速工作的二極管。
圖9表示另一種測(cè)試技術(shù)的結(jié)果，進(jìn)一步表明圖8所示的結(jié)果。如附形所示，圖9是鋁(P+外延層內(nèi)的受主原子)的粒子數(shù)及其穿過(guò)Pn結(jié)的變化的SIMS曲線(xiàn)圖。圖中所示的急速垂直下降表示在結(jié)附近受主原子總數(shù)快速而急劇的變化，并賦予本發(fā)明二極管以預(yù)期的性能。圖10表示用電容-電壓測(cè)試法確定的未補(bǔ)償?shù)膎型外延層的載流子濃度，這里所示，反映在圖13中，一個(gè)VBR為580V的二極管，是由在n型的載流子濃度近似為2.2×1016/cm3產(chǎn)生的。
依本發(fā)明制做的二極管還具有在高頻工作的能力，即它可把高頻交變的電流整流。如熟悉此種器件的技術(shù)人員所知，當(dāng)將反偏置施加給一整流二極管時(shí)，二極管阻擋反向電流通過(guò)，在結(jié)附近建立起一耗盡區(qū)。該區(qū)具有一定電容量，這要在去掉反偏施加正偏之后，花費(fèi)時(shí)間放掉。
這個(gè)時(shí)間間隔通稱(chēng)反向恢復(fù)時(shí)間(trr)。在碳化硅中，少數(shù)載流子的壽命是很短的，所以與少數(shù)載流子壽命成正比的反向恢復(fù)時(shí)間應(yīng)是很短的。然而，在本發(fā)明之前，從未說(shuō)明好到足以提供可測(cè)反向恢復(fù)時(shí)間的整流Pn結(jié)，如圖11和圖12的圖形所示，可是本發(fā)明的整流二極管已被證實(shí)具有足以容許實(shí)驗(yàn)測(cè)量反向恢復(fù)時(shí)間數(shù)據(jù)的質(zhì)量，已確定最大反向恢復(fù)時(shí)間約短到5-8ns。在更高溫度的同樣測(cè)試也是與預(yù)期的相符合的。一般，在硅中，整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在100～200ns已被認(rèn)為是快的。Schottky二極管稍快些，但反偏壓被限制到近似-200V。因而，反向恢復(fù)時(shí)間是任一指定的特殊器件的一種特性。已證實(shí)依本發(fā)明制作的二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間始終如一地小于10ns。
本發(fā)明的整流二極管是根據(jù)本文先前提出的Davis等人披露的成功地在離軸的Sic襯底上制作Sic外延層的CVD方法制作的。為了限定和清楚起見(jiàn)，在引用的參考文獻(xiàn)中描述的化學(xué)汽相淀積技術(shù)被稱(chēng)為“Davis型”CVD。在用Daivs型CVD制作的二極管中，襯底包括α-Sic，并具有一個(gè)對(duì)其底面偏離離軸1°以上，基本指向<1120>方向的平坦界面表面。如本文中所用的，黑體印刷符號(hào)，例如，“2”代表Miller指數(shù)關(guān)系中的“負(fù)”軸，即一個(gè)在為晶體選定的基本Miller指數(shù)軸的相反方向上測(cè)量的軸。第一外延層也包括α-Sic并均勻地淀積在襯底界面的表面上。
因?yàn)樵谏L(zhǎng)外延層時(shí)，可以摻雜，不要求注入，因此可以避免由注入可能引起的晶體損傷。此外，注入工藝不能容許鄰接n和n+或P和P+層。在一個(gè)n上可以注入一個(gè)n+層，但在n+層上，不對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償(存在的施主和受主原子的有效數(shù))不能注入一個(gè)n層。
此外，CVD生長(zhǎng)允許厚度控制，在某種程度上允許最終厚度的控制，因而達(dá)到控制擊穿電壓的目的。最后，外延層的晶體特性一般在結(jié)構(gòu)上較好，并具有比體生長(zhǎng)層較少的雜質(zhì)。
在本文討論的實(shí)施例中，舉證的數(shù)據(jù)是從由α型6H-Sic制成的二極管搜集到的。然而，還可將其它聚型材料制備作外延層和襯底，并具有特性?xún)?yōu)點(diǎn)。例如，4H，15R，和3C聚型材料均可制成依本發(fā)明的二極管。6H聚型的帶隙寬，因而預(yù)料可在高溫工作，一般成批制成。4H聚型的帶隙最寬(3.2ev)，鉛和氮的摻雜能級(jí)較淺，電子遷移率比6H聚型的大。3C聚型同樣具有比6H高的電子遷移率，較淺的帶隙和相應(yīng)較低的Pn結(jié)的自建電勢(shì)。最后，15R聚型具有比6H低的氮摻雜劑的激活性，以及較高的電子遷移率。
如熟悉整流二極管及其制造和特性的技術(shù)人員所了解的，一旦確立特定的一組特性，即可完成具有寬范圍特性的二極管的制作。因而，依已列舉的本發(fā)明的二極管的特性，預(yù)料盡本發(fā)明作用的可能，二極管的反向擊穿電壓可大到-5000V?？深A(yù)料此種二極管從約-50℃到至少350℃的溫度范圍內(nèi)具有此種特性。選定的二極管實(shí)施例其反向漏電流直到指定的標(biāo)稱(chēng)反向擊穿電壓不大于25μA。在其它實(shí)施例中，在高達(dá)350℃的溫度下，反向漏電流不大于100μA。已列舉的特定實(shí)施例的反向漏電流在-400V，25℃時(shí)不大于8μA。
已經(jīng)說(shuō)明在350℃的溫度，在2.8V時(shí)的正向電流為400mA。在室溫(25℃)在3.2V時(shí)觀察到的正向電流一般為400mA，低至2.7V也觀察到400mA的正向電流。
已經(jīng)說(shuō)明反向恢復(fù)時(shí)間小于200ns，如小于100，20和10ns的trr，以及本文先前提到的，已列舉的特定實(shí)施例，其反向恢復(fù)時(shí)間在25℃時(shí)小于6ns，在350℃時(shí)小于7ns。
應(yīng)了解，此種整流二極管，比其最大典型工作參數(shù)獨(dú)特地評(píng)定等級(jí)。因而，依本發(fā)明的二極管，以及后文提出的權(quán)利要求還包含另外的可能呈現(xiàn)稍小于本文提出的各種典型特性的類(lèi)似的和等同的二極管。
盡管在說(shuō)明書(shū)及其附圖中，公開(kāi)了一些典型的優(yōu)選實(shí)施例中，采用了一些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，這些術(shù)語(yǔ)僅僅是按普通的和說(shuō)明的意義使用的，而無(wú)限制的目的，本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書(shū)中提出。
權(quán)利要求
1.一種以碳化硅制成的超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予所說(shuō)的襯底為第一導(dǎo)電類(lèi)型；一層在所說(shuō)的襯底上的單晶碳化硅第一外延層，具有與所說(shuō)的襯底相同的導(dǎo)電類(lèi)型；一層在所說(shuō)第一外延層上的單晶碳化硅第二外延層，具有與所說(shuō)的第一外延層相反的導(dǎo)電類(lèi)型；所說(shuō)的第一和第二外延層各自的載流子濃度具有足夠大的數(shù)量級(jí)的差別，以致濃度較低的那一層在反偏置時(shí)被顯著地耗盡；所說(shuō)的第一和第二外延層在所說(shuō)的層間形成一個(gè)突變的Pn結(jié)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的整流二極管，其中所說(shuō)的第一外延層的載流子濃度大于所說(shuō)的第二外延層的濃度，以致第二外延層在反偏置下被顯著地耗盡。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的整流二極管，其中，所說(shuō)的第二外延層的載流子濃度大于所說(shuō)的第一外延層的濃度，以致于所說(shuō)的第一外延層在反偏置下被顯著地耗盡。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的整流二極管，還進(jìn)一步包括一層在第二外延層上的第三外延層，其中所說(shuō)的第三外延層具有與第二外延層相同的導(dǎo)電類(lèi)型，其載流子濃度大于所說(shuō)的第二外延層的濃度，以降低所說(shuō)二極管的接觸電阻。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1的整流二極管，其中所說(shuō)的碳化硅襯底包括α-碳化硅，并具有一個(gè)其底面偏離離軸1°以上，基本上指向<1120>方向的平坦界面表面，將所說(shuō)的包括α-碳化硅的第一外延層均勻地沉積在所說(shuō)的襯底的界面表面上。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1的整流二極管，進(jìn)一步包括一層鄰接所說(shuō)的結(jié)熱生長(zhǎng)二氧化硅的鈍化層。
7.一種以碳化硅制成的超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予所說(shuō)的襯底為第一導(dǎo)電類(lèi)型;一層在所說(shuō)的襯底上的單晶碳化硅第一外延層，具有與所說(shuō)的襯底相同的導(dǎo)電類(lèi)型;一層在所說(shuō)的第一外延層上的單晶碳化硅第二外延層，具有與所說(shuō)的第一外延層相反的導(dǎo)電類(lèi)型，其載流子濃度大于所說(shuō)的第一單晶外延層的濃度，以致于第一外延層在反偏置下顯著地被耗盡;所說(shuō)的第一和第二外延層在所說(shuō)的層間形成一個(gè)突變的Pn結(jié)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其中，所說(shuō)的襯底是由n型α碳化硅形成的，所說(shuō)的第一外延層由n型α碳化硅形成的，以及所說(shuō)的第二外延層是由P型α碳化硅形成的。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其中所說(shuō)的第一單晶外延層的載流子濃度小于所說(shuō)的襯底的載流子濃度。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，進(jìn)一步包括一個(gè)由鎳制成的對(duì)所說(shuō)的襯底的歐姆接觸和一個(gè)由含鉛的雙金屬合金形成的對(duì)第二外延層的歐姆接觸。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其中所說(shuō)的碳化硅具有從6A，3C，4H和15R聚型材料構(gòu)成的組中選出的一種單聚型材料。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其中，外加電壓與電容間的關(guān)系是這樣的，電容平方的倒數(shù)與外加電壓的關(guān)系基本上是線(xiàn)性關(guān)系。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在-55℃到350℃之間的溫度范圍內(nèi)，其反向擊穿電壓高達(dá)-5000V。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在25℃的溫度下，在正向電壓低至2.7V時(shí)正向電流至少為400mA。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在350℃的溫度下，在正向電壓低至2.2V時(shí)，正向電流至少為400mA。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，在整個(gè)約20℃至約350℃的溫度范圍內(nèi)，在正向電壓低至2.7V的正向電流可達(dá)10A。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在25℃的溫度下，直至指定的標(biāo)稱(chēng)反向擊穿電壓，其反向漏電流不大于25μA。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在350℃的溫度下，直至指定的標(biāo)稱(chēng)反向擊穿電壓，其反向漏電流不大于100μA。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在25℃的溫度下，在-400V的反向漏電流不大于8μA。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在350℃的溫度下，在-400V的反向漏電流不大于80μA。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間小于200ns。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間小于10ns。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在25℃的溫度下，其反向恢復(fù)時(shí)間小到6ns或更小。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，當(dāng)工作在350℃的溫度下，其反向恢復(fù)時(shí)間小到7ns或更小。
25.一種根據(jù)權(quán)利要求7的整流二極管，其擊穿電壓是從圖13的AG線(xiàn)上選定以伏為單位，在CD線(xiàn)確定一個(gè)直接水平對(duì)著的點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的耗盡層寬度(μm是在圖13上從所說(shuō)的已在CD線(xiàn)上確定的點(diǎn)直接垂直下降到正下方的EF線(xiàn)上的一點(diǎn)和直接水平對(duì)著的AG線(xiàn)上的一點(diǎn)選定的，以及其相對(duì)應(yīng)的載流子濃度(原子/cm3)是在圖13上從所說(shuō)的已在CD線(xiàn)和EF線(xiàn)上確定的點(diǎn)直接垂直下降到正下方的GH線(xiàn)上的一點(diǎn)選定的。
26.一種以碳化硅制成產(chǎn)超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予所說(shuō)的襯底為第一導(dǎo)電類(lèi)型;一層在所說(shuō)的襯底上的單晶碳化硅第一外延層，具有與所說(shuō)的襯底相同的導(dǎo)電類(lèi)型;一層在所說(shuō)的第一外延層上的單晶碳化硅第二外延層，具有與所說(shuō)的第一外延層相反的導(dǎo)電類(lèi)型;所說(shuō)的第一外延層的載流子濃度比所說(shuō)的第二外延層的濃度充分地大，以致所說(shuō)的第二外延層在反偏置下被顯著地耗盡;一層在所說(shuō)的第二外延層上的第三外延層，其導(dǎo)電類(lèi)型與所說(shuō)的第二外延層相同，其載流子濃度比第二外延層的濃度大，以降低所說(shuō)的二極管的接觸電阻，以及，所說(shuō)的第一和第二外延層在所說(shuō)的層間形成一個(gè)突變的Pn結(jié)。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求26的整流二極管，其中所說(shuō)的襯底和所說(shuō)的第一外延層包括n型α碳化硅，而所說(shuō)的第二和第三外延層包括P型α碳化硅。
28.一種根據(jù)權(quán)利要求26的整流二極管，當(dāng)工作在-55℃至350℃之間的溫度范圍內(nèi)，其反向擊穿電壓高達(dá)-5000V。
29.一種根據(jù)權(quán)利要求26的整流二極管，在約20℃至約350℃的溫度范圍內(nèi)，在正向電壓低至2.7V的正向電流高達(dá)10A。
30.一種根據(jù)權(quán)利要求26的整流二極管，當(dāng)工作在350℃的溫度時(shí)，直至指定的標(biāo)稱(chēng)反向擊穿電壓，其反向漏電流不大于100μA。
31.一種根據(jù)權(quán)利要求26的整流二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間小于20ns。
全文摘要
本發(fā)明是一個(gè)以碳化硅制成的超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予襯底第一導(dǎo)電類(lèi)型，一層在襯底上的第一單晶碳化硅外延層，并具有與襯底相同的導(dǎo)電類(lèi)型，和一層在第一外延層上的第二單晶碳化硅外延層，并具有與第一外延層相反的導(dǎo)電類(lèi)型。外延層之一的載流子濃度大于另一個(gè)層外延層的濃度，以致在反偏下濃度較小的外延層被顯著地耗盡。第一和第二外延層形成一個(gè)突變的PN結(jié)。
文檔編號(hào)H01L29/861GK1044737SQ89109809
公開(kāi)日1990年8月15日 申請(qǐng)日期1989年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月14日
發(fā)明者約翰·A·埃德蒙 申請(qǐng)人:克里研究公司