納米晶嵌入單晶外延碳化硅的高穩(wěn)定低損耗微波二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體微波器件領(lǐng)域，具體是指納米晶嵌入單晶外延碳化娃的高穩(wěn)定 低損耗微波二極管。
【背景技術(shù)】
[0002] 晶體碳化娃（SiC)具有禁帶寬度大、臨界擊穿場強高、熱導(dǎo)率高、電子遷移率與空 穴遷移率的比值大、硬度大、耐氧化及耐腐蝕性等優(yōu)點，成為制作高溫、高頻、大功率和抗福 射器件極具潛力的寬帶隙半導(dǎo)體材料。在功率系統(tǒng)中，一個良好的整流器件應(yīng)具有較小的 導(dǎo)通電阻、較低的泄漏電流、較高的擊穿電壓W及極快的開關(guān)速度等特性，因此SiC二極管 成為候選器件。
[0003] 雷達等通信設(shè)備亟需低損耗高頻微波二極管，而娃、神化嫁等材料的微波二極管 一般采用突變結(jié)或緩變結(jié)結(jié)構(gòu)，因為耐壓低、恢復(fù)慢、損耗大、溫度穩(wěn)定性差而無法滿足要 求。
[0004] 已有P+-N--N+型晶體碳化娃（3c-SiC、4H-SiC、6H-SiC等結(jié)構(gòu)類型）材料的商用微 波二極管，一般采用外延工藝制造。該些器件內(nèi)的陽極、基區(qū)、陰極各個部分的慘雜均勻。 mA級電流條件下P+-N^N+型c-SiC材料的微波二極管的反向過程時間（TJ可達到20納砂 (20ns)，肖特基管的T"可達到10ns，但是反向峰值電流I較大，因而損耗較大。
[0005] 在制作微波二極管時要求降低結(jié)電容，W利于提高器件工作頻率[J.Phys.D: Appl.化ys.，Vol. 40 (2007) : 6355 - 6385.]，降低插入損耗，改善器件的電壓用勺溫 度巧旨、定性。田愛華等介紹了體積小重量輕的SiC微波脈沖功率晶體管[微納電子技術(shù)， Vol.48,No. 11 (2011): 697-701.]。因為 4H-c-SiC的電子遷移率比細-c-SiC的更高， 一般器件采用制造。但是4H-c-SiC的成。-產(chǎn)i，6H-c-SiC的成。-/ [I邸EElectron DeviceLetters, 14 (1993) : 548-550]。因此細-c-SiC二極管的電壓F--溫度撲系 式盧(nAT/d 滬)+/70+/成。中的ln(///巧與/成。有互補性，使得巧記間的 線性關(guān)系穩(wěn)定，特別適用于高溫工作。戶巧^系式中n為理想因子，巧J玻爾茲曼常數(shù)，/為 理查遜常數(shù)，0為結(jié)勢壘高度，成。為器件導(dǎo)通電阻。
[0006]nc-SiC在信息與通信、電力電子技術(shù)方面的應(yīng)用前景引起了重視。已有使用結(jié)終 端技術(shù)研制4H-SiC同質(zhì)外延薄膜及其高壓肖特基二極管的報道[4H-SiC同質(zhì)外延薄膜及 其高壓肖特基二極管器件研究，湖南大學(xué)博±論文，2010年]。采用姍射法在不同溫度下 制備的3C-SiC、4H-SiC納米晶薄膜[物理學(xué)報，53 (2004) =2780-2785.]，具有優(yōu)良的場電 子發(fā)射特性。利用陽CVD在500°C下研制的6H-nc-SiC薄膜[半導(dǎo)體學(xué)報，27 (2006): 1767-1770.]，發(fā)現(xiàn)可通過改變氨的流量來調(diào)節(jié)6H-nc-SiC的晶粒大小、有序度W及材料的 帶隙寬度。
[0007] 因為nc-SiC與c-SiC的結(jié)構(gòu)不同，它們的導(dǎo)電性能差別很大，nc-SiC器件有獨 特的性能。本發(fā)明人過去申請的"納米碳化娃/晶體碳化娃雙緩變結(jié)快速恢復(fù)二極管及其 制備方法"發(fā)明專利（專利號化201210329426. 2)獲得授權(quán)；申請的"在4H型單晶碳化娃 外延層上制備的基區(qū)漸變P+-N-N+型SiC超快恢復(fù)二極管及工藝"發(fā)明專利（專利申請?zhí)?2014104270724)正在實質(zhì)審查當中。
[0008] 迄今為止，還未見用P/N型交替局域耗盡技術(shù)制備SiC二極管的報道。本發(fā)明利 用P/N交替局部耗盡結(jié)構(gòu)，降低P+-N-N+型微波二極管陽極與基區(qū)之間的結(jié)電容；還研制成 P7N+復(fù)合陰極，改善基區(qū)與陰極之間的歐姆接觸并降低結(jié)電容。所得器件的溫度穩(wěn)定性更 高，損耗更低，反向過程時間更短，浪涌電流及其電磁干擾被抑制。且與本發(fā)明人已申請的 前述二項發(fā)明在結(jié)構(gòu)和原理上不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種溫度穩(wěn)定性更高，損耗更低， 反向過程時間更短，浪涌電流及其電磁干擾被抑制的納米晶嵌入單晶外延碳化娃的高穩(wěn)定 低損耗微波二極管。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括有： P+型4H納米晶碳化娃晶粒[(P+)4H-nc-SiC]填充端面包含有序孔的N+型細單晶碳化 娃[(N+)6H-c-SiC]襯底形成的（P+)4H-nc-SiC/(N+)6H-c-SiC復(fù)合陰極（1/1'); 在N+型細單晶碳化娃[(N+)6H-c-SiC]襯底另一側(cè)外延生長的N-型細單晶碳化娃 [(N-)6H-c-SiC]基區(qū)（2)，并在N-型細單晶碳化娃[(N-)6H-c-SiC]基區(qū)似外端面上刻 蝕了有序孔； 用P-型4H納米晶碳化娃晶粒[(p-)4H-nc-SiC]填充（N-)6H-c-SiC基區(qū)（2)端面的有 序孔而形成局部耗盡的（P〇4H-nc-SiC/(N〇6H-c-SiC過渡層； W及沉積于過渡層（3/3')外側(cè)的（P+)4H-nc-SiC薄膜陽極（4)， 所述的N+型細單晶碳化娃[(N+)6H-c-Si口襯底和N-型細單晶碳化娃[(N-)6H-c-Si口 基區(qū)（2)上的有序孔為尺寸相同、間隔一致、平面均勻分布設(shè)置； 其二極管結(jié)構(gòu)為：（P+)4H-nc-SiC/[(p-)4H-nc-SiC/(N-)6H-c-SiCV(N-)6H-c-SiC/ [(P+) 4H-nc-SiC/ (N+)6H-c-Si幻。
[0011] 進一步設(shè)置是所述的N+型細單晶碳化娃[(N+)6H-c-SiC]襯底的多數(shù)載流子為電 子，濃度 1. 〇Xl〇i8- 1. 〇Xl〇i9cm-3,厚度為 1-2 化。
[001引進一步設(shè)置是所述的N+型細單晶碳化娃[(N+)6H-c-SiC]襯底端面的有序孔的邊 長3-5ym，孔間間隔3-5ym，深度滿足穿透該襯底即可。
[0013] 進一步設(shè)置是所述的P+型4H納米晶碳化娃晶粒[(P+)4H-nc-Si口的晶粒直徑 為8-20皿，多數(shù)載流子為空穴，濃度約1.0Xl0is-1.0Xl0i9cm-3,且該P+型4H納米晶 碳化娃晶粒與N+型細單晶碳化娃能夠在二者的接觸面局部耗盡，形成的（P+) 4H-nc-SiC/ (N+)6H-c-SiC復(fù)合陰極（1/1')。
[0014] 進一步設(shè)置是礦型細單晶碳化娃[(N-)6H-c-Si口基區(qū)（2)的多數(shù)載流子為電 子，載流子濃度 5.OXl0n- 5.OXl0i4cm-3,厚度為 50-250Mm。
[0015] 進一步設(shè)置是所述的N-型細單晶碳化娃[(N-)6H-c-Si口基區(qū)（2)端面上的有序 孔邊長3 -5ym,孔間間隔約3 -5ym,深度3 -Sum。
[0016] 進一步設(shè)置是填充N-型細單晶碳化娃[(N-)6H-c-Si口基區(qū)（2)端面上的有序 孔所用的F型4H納米晶碳化娃晶粒[(P04H-nc-SiC]，其晶粒直徑為8-20nm，多數(shù)載流 子為空穴，濃度約5. 0Xl〇n- 5. 0Xl〇i4cm-3,（P-) 4H-nc-SiC/腫)6H-c-SiC在接觸面局部耗 盡，形成（P-) 4H-nc-SiC/ (N-)6H-c-SiC過渡層（3/3')。
[0017] 進一步設(shè)置是（P+)4H-nc-SiC薄膜陽極（4)的晶粒直徑為8-20 nm，多數(shù)載流子 為空穴，濃度1.〇Xl〇i8 - 1.〇Xl〇i9cm-3。
[0018] 進一步設(shè)置是分別在復(fù)合陰極（1/1')、薄膜陽極（4)外側(cè)蒸鍛Ni、AlTi合金薄 膜，形成歐姆接觸電極。
[0019] 本發(fā)明的發(fā)明機理是在N7N-型外延細型單晶碳化娃化H-c-SiC)的N-側(cè)端面 有序孔里沉積（P-)4H-nc-SiC與（N-)6H-c-SiC交替鑲嵌成為過渡層（3/3')，再沉積陽極 (P+)4H-nc-SiC;并在N+側(cè)端面有序孔里生長（P+)4H-nc-SiC與（N+)6H-c-SiC交替鑲嵌成 為復(fù)合陰極（1/1')，研制成P+-N--N+型（P+) 4H-nc-SiC/ [ (P-) 4H-nc-SiC/ (N-)6H-c-Si幻 / 腫)6H-c-SiC/ [ (P+) 4H-nc-SiC/ (N+)6H-c-Si幻高穩(wěn)定低損耗微波二極管。其中，P7N-交替 鑲嵌的過渡層（3/3')局部耗盡，能有效減少陽極與基區(qū)之間電容。P7N+交替鑲嵌的復(fù)合 陰極（1/1')局部耗盡，能有效減少陰極與基區(qū)之間電容；反向過程中N-基區(qū)與復(fù)合陰極 的P+區(qū)的內(nèi)建電場加速掃除基區(qū)中的少子。同時，由于P7N-結(jié)、N7N+結(jié)局部耗盡，二極管 正向?qū)娏鞯臄U散成份占主要優(yōu)勢、復(fù)合成份處絕對劣勢，因而熱電子發(fā)射機理穩(wěn)定。在 恒定電流密度J下，二極管的V-T關(guān)系盧?ln(///