CN114284343B - 一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，属于半导体器件技术领域。本发明的器件在传统JBS器件结构基础上采用了新型的P+区注入版图结构，增加了肖特基接触区域面积和肖特基结电流的同时，通过P+注入区条形图形增加了耗尽区面积，降低了碳化硅结势垒肖特基二极管在高温时的电流衰退和功率损耗增加，也防止了二极管肖特基区域增加后反向击穿电压的降低，解决了JBS器件在大电流高温下工作环境下正向工作电流衰退严重、功率损耗明显增加的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管。
背景技术
宽禁带半导体碳化硅具有极高的热、化学及机械稳定性。高热导率、高临界击穿电场强度、高饱和载流子速度以及其他优良的物理特性，使碳化硅成为一种理想的半导体材料用于制作功率器件。高的热导率可以使碳化硅器件适合与高温设备配套使用，碳化硅器件功率密度高且容易冷却，可以节省设备安装成本以及***的重量和体积；高的电子饱和速度可以使碳化硅器件工作在频率高且电流密度大的环境中。
碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)做为最先替代硅基器件的宽禁带功率半导体器件，不仅拥有低导通电阻与高击穿电压的优点，还具有近乎理想的反向恢复特性，在高频电力电子应用方面优势巨大。碳化硅结势垒肖特基(JBS)二极管采用了JBS结构，除继承SiCSBD二极管优良特性外，还改善了4H-SiC SBD难以兼顾反向耐压和正向压降的问题。其正向压降低、导通电阻低、开关损耗小的优点使得SiC JBS器件的应用对于降低电路运行时的功率损耗和提高电路***的工作效率有着很大的帮助。SiC JBS二极管因此成为高耐压，高速，大电流的功率二极管，被认为是发展最快，前景最好的一类二极管。
4H-SiC JBS二极管的正向电流主要为热电子发射电流，随着温度上升，器件势垒高度基本不变，在较低正向电压下由于电子在高温下具有更大的能量，更容易越过势垒，所以正向电流具有正温度系数。在较高正向电压下，JBS器件电流主要由外延层的电阻所决定，温度升高导致材料内部载流子的声子散射增强，从而降低了迁移率，导致电阻率随温度的上升而上升，使导通电阻增大。这导致了工作电流随着温度升高而降低，表现为负温度系数。所以SiC JBS二极管在高温环境下正向工作电流会随温度上升而发生衰退，正向导通功率损耗也随之增加。
因此，如何解决碳化硅结势垒二极管在高温环境下工作表现退化的问题成为了亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管。
为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：
一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极5、碳化硅N+衬底1、碳化硅N-外延层2、肖特基接触电极4和多个P+注入区3；
欧姆接触电极5、碳化硅N+衬底1和碳化硅N-外延层2从下至上依次层叠设置；多个P+注入区3设置在碳化硅N-外延层2的上层；肖特基接触电极4位于多个P+注入区3上；
P+注入区3包括方形注入区6和条形注入区7，条形注入区7沿横向和纵向等间距排布，横向上相邻条形注入区7之间的间距为c，纵向上相邻条形注入区7之间的间距为d，c＝d，方形注入区6位于相邻条形注入区7之间区域的中心，横向上相邻方形注入区6之间的间距为a，纵向上相邻方形注入区6之间的间距为b，a＝b，且c＞a，d＞b。
作为优选方式，方形注入区6为正方形。
作为优选方式，方形注入区6为边长2μm的正方型。
作为优选方式，a＝b＝10μm。
作为优选方式，条形注入区7的宽度e为1μm。
作为优选方式，条形注入区7的边界和最邻近的方形注入区6的边界之间的距离为4.5μm，条形注入区7的宽度为e，即a/2-e/2＝4.5μm。
作为优选方式，c＝d＝11μm。
作为优选方式，方形注入区6和条形注入区7的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
作为优选方式，欧姆接触电极5的材料为镍合金，肖特基接触电极4的材料为钛。
作为优选方式，碳化硅N-外延层(2)的掺杂浓度为1E16cm-3～2E16cm-3，厚度为5微米～6微米；
并且/或者碳化硅N+衬底(1)的掺杂浓度为1E20cm-3，厚度为180微米。
上述改进能尽可能地增加肖特基接触区域面积，同时保护反向击穿电压。
本发明的有益效果是：本发明通过将方形P+注入区以较宽间距排布，从而增加肖特基接触区域，提高SiC JBS二极管的热电子发射电流，使二极管在较高正向电压下依旧保持正向电流正温度系数，从而解决SiC JBS器件在高温下正向电流衰退正向导通功率增加的问题。同时，条形注入区设置在方形注入区之间，将方形注入区包围，增加了反向电压下的耗尽区面积，从而提高了器件的反向击穿电压，解决了在较大肖特基接触面积下击穿电压降低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管的结构主视图；
图2本发明的适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管的俯视图；
图3为传统碳化硅结势垒肖特基二极管多个P+注入区的结构主视图；
图4为传统碳化硅结势垒肖特基二极管多个P+注入区的俯视图。
图5为传统结势垒肖特基二极管和本发明实施例的适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管的在25℃和175℃下正向IV特性曲线；
图6为传统结势垒肖特基二极管和本发明实施例的适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管在25℃和175℃下正向功率损耗曲线；
图7为传统结势垒肖特基二极管和本发明实施例的适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管的反向特性曲线。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、碳化硅N+衬底，2、碳化硅N-外延层，3、多个P+注入区，4、肖特基接触电极，5、欧姆接触电极，6、方形P+注入区，7、条形P+注入区。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1和图3所示，本发明实施例提供的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极5、碳化硅N+衬底1、碳化硅N-外延层2、肖特基接触电极4和多个P+注入区3；
欧姆接触电极5、碳化硅N+衬底1和碳化硅N-外延层2从下至上依次层叠设置；多个P+注入区3设置在碳化硅N-外延层2的上层；肖特基接触电极4位于多个P+注入区3上；
P+注入区3包括方形注入区6和条形注入区7，条形注入区7沿横向和纵向等间距排布，横向上相邻条形注入区7之间的间距为c，纵向上相邻条形注入区7之间的间距为d，c＝d，方形注入区6位于相邻条形注入区7之间区域的中心，横向上相邻方形注入区6之间的间距为a，纵向上相邻方形注入区6之间的间距为b，a＝b，且c＞a，d＞b。
具体的，方形注入区6为边长2μm的正方型。a＝b＝10μm。条形注入区7的宽度e为1μm。条形注入区7的边界和最邻近的方形注入区6的边界之间的距离为4.5μm，条形注入区7的宽度为e，即a/2-e/2＝4.5μm。c＝d＝11μm。方形注入区6和条形注入区7的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
欧姆接触电极5的材料为镍合金，肖特基接触电极4的材料为钛。
碳化硅N-外延层(2)的掺杂浓度为1E16cm-3～2E16cm-3，厚度为5微米～6微米；
并且/或者碳化硅N+衬底(1)的掺杂浓度为1E20cm-3，厚度为180微米。
上述实施例中，为了便于将如图2所示的传统结势垒肖特基二极管的性能与本发明的结势垒肖特基二极管作对比，本实施例采用相同掺杂水平、相同尺寸制作SiC结势垒肖特基二极管：碳化硅N-外延层2的掺杂浓度为1E16cm-3，碳化硅N-外延层2的厚度为6微米；采用金属Ti合金作为肖特基接触电极4，采用金属Ni作为欧姆接触电极5；碳化硅N+衬底层1厚度为180微米，掺杂浓度为1E20cm-3；P+注入区3掺杂浓度为5E19cm-3，宽度为2微米，结深为0.6微米，间距为6微米。
流片制备如图1、图3的器件结构，在二极管肖特基电极4上施加电压，得到25℃和175℃下正向IV特性曲线，如图5所示，其中，实线图例曲线表示本发明实施例的JBS器件的25℃下正向IV曲线，划线图例曲线表示本发明实施例的JBS器件的175℃下正向IV曲线，点划线图例曲线表示传统JBS器件的25℃下正向IV曲线，点线图例曲线表示传统JBS器件的175℃下正向IV曲线。从图5可以得到，在50A常规工作电流下，如图1所示的本发明实施例的JBS器件温度从25℃升到175℃时，正向电流衰退了16％；在50A常规工作电流下，如图3所示的传统JBS器件温度从25℃升到175℃时，正向电流衰退了33％。可见本发明实施例的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管有效缓解了高温下JBS二极管正向电流衰退的问题。
在二极管肖特基电极4上施加电压，得到25℃和175℃下二极管正向导通功率耗散特性曲线，如图6所示，其中，实线图例曲线表示本发明实施例的JBS器件的25℃下正向导通功率曲线，点线图例曲线表示本发明实施例的JBS器件的175℃下正向导通功率曲线，划线图例曲线表示传统JBS器件的25℃下正向导通功率曲线，点划线图例曲线表示传统JBS器件的175℃下正向导通功率曲线。从图6可以得到，在50A常规工作电流下，如图1所示的本发明实施例的JBS器件温度从25℃升到175℃时，正向导通功率耗散增加了6.9％；在50A常规工作电流下，如图3所示的传统JBS器件温度从25℃升到175℃时，正向导通功率耗散增加了19％。可见本发明实施例的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管有效缓解了高温下JBS二极管正向导通功率增加的问题
图7为传统结势垒肖特基二极管和本发明实施例的适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管的反向特性曲线，划线图例曲线表示本发明实施例的JBS器件的反向特性曲线，实线图例曲线表示传统JBS器件的反向特性曲线。从图7可以得到本发明实施例的反向击穿电压为840V，传统JBS二极管的反向击穿电压为780V。可见本发明实施例的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管中的条形注入区设置有效提高了二极管的反向击穿电压。
本发明通过将方形P+注入区以较宽间距排布，从而增加肖特基接触区域，提高SiCJBS二极管的热电子发射电流，使二极管在较高正向电压下依旧保持正向电流正温度系数，从而有效解决SiC JBS器件在高温下正向电流衰退正向导通功率增加的问题。同时，条形注入区设置在方形注入区之间，将方形注入区包围，增加了反向电压下的耗尽区面积，从而提高了器件的反向击穿电压，解决了在较大肖特基接触面积下二极管击穿电压降低的问题。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，包括欧姆接触电极(5)、碳化硅N+衬底(1)、碳化硅N-外延层(2)、肖特基接触电极(4)和多个P+注入区(3)；
欧姆接触电极(5)、碳化硅N+衬底(1)和碳化硅N-外延层(2)从下至上依次层叠设置；多个P+注入区(3)设置在碳化硅N-外延层(2)的上层；肖特基接触电极(4)位于多个P+注入区(3)上；
其特征在于：P+注入区(3)包括方形注入区(6)和条形注入区(7)，条形注入区(7)沿横向和纵向等间距排布，横向上相邻条形注入区(7)之间的间距为c，纵向上相邻条形注入区(7)之间的间距为d，c＝d，方形注入区(6)位于相邻条形注入区(7)之间区域的中心，横向上相邻方形注入区(6)之间的间距为a，纵向上相邻方形注入区(6)之间的间距为b，a＝b，且c＞a，d＞b。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：方形注入区(6)为正方形。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：方形注入区(6)为边长2μm的正方型。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：a＝b＝10μm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：条形注入区(7)的宽度e为1μm。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：条形注入区(7)的边界和最邻近的方形注入区(6)的边界之间的距离为4.5μm，条形注入区(7)的宽度为e，即a/2-e/2＝4.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：c＝d＝11μm。
8.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：方形注入区(6)和条形注入区(7)的掺杂浓度为5E19cm-3，注入深度为0.6微米。
9.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：欧姆接触电极(5)的材料为镍合金，肖特基接触电极(4)的材料为钛。
10.根据权利要求1所述的一种适用于高温环境的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于：碳化硅N-外延层(2)的掺杂浓度为1E16cm-3～2E16cm-3，厚度为5微米～6微米；
并且/或者碳化硅N+衬底(1)的掺杂浓度为1E20cm-3，厚度为180微米。
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