CN105070767A - 一种基于碳基复合电极的高温SiC JFET器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳基复合电极的高温SiC？JFET器件，包括N+衬底、N-漂移区、N沟道区、P+栅区、N+源区、由第一碳基材料层与第一金属层、第二金属层复合构成的源电极、由第三碳基材料层与第三金属层、第四金属层复合构成的漏电极、由第二碳基材料层与第五金属层、第六金属层复合构成的栅电极，N-漂移区的厚度为9.5μm，宽度为7μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；N沟道区的深度为2.1μm，宽度为1.6μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；P+栅区掺杂浓度为1×1018cm-3；N+衬底掺杂浓度为6×1018cm-3；N+源区掺杂浓度为2×1018cm-3。本发明一方面具有良好的热稳定性和导电特性，另一方面可以有效的改善散热，降低器件结温，使器件在高温下仍然可以稳定可靠的工作。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件技术领域，尤其是涉及一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET功率器件。
背景技术
在众多的SiC功率器件中，SiCJFET器件由pn结栅控制，沟道在体区，具有较高的沟道迁移率，并且没有栅氧化层造成的可靠性问题，因而被认为是最具有发展潜力的高温开关器件。不久的将来，混合动力汽车和电动飞机在市场上所占据的份额将越来越大，而这都需要能够在300℃以上温度下可靠工作的半导体功率器件，因此，基于SiC的功率器件，尤其是SiCJFET器件将大有用武之地。
然而，SiCJFET在实际电路中应用时，自热效应会使器件内部温度(结温)升高，性能发生退化，尤其在高温环境下，退化将更加显著，当器件内部温度达到一定程度就极有可能导致器件发生热失效。研究发现，器件在工作时，高温区域主要分布在器件沟道区。由于这部分高温区域非常靠近用于形成栅端和源端的金属电极，其熔点可能比SiC本征温度低的多，所以尽量降低该区域的温度对金属电极的稳定性至关重要。同时，大量文献及实验结果表明，器件热失效的主要原因是Al金属的融化，因为P型SiC的欧姆接触通常采用Al/Ti金属材料。
SiC材料的本征温度大于800℃，大量文献表明，基于SiC的功率器件有潜力应用在600℃甚至更高的环境温度下，而目前商品化的SiCJFET功率器件，其工作温度一般不超过250℃，远没有达到SiC材料的温度应用潜力。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET功率器件，一方面具有良好的热稳定性和导电特性，另一方面可以有效的改善散热，降低器件结温，使器件在高温下仍然可以稳定可靠的工作。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，包括N+衬底、N-漂移区、N沟道区、P+栅区、N+源区、由第一碳基材料层与第一金属层、第二金属层复合构成的源电极、由第三碳基材料层与第三金属层、第四金属层复合构成的漏电极、由第二碳基材料层与第五金属层、第六金属层复合构成的栅电极。
其中，N-漂移区的厚度为9.5μm，宽度为7μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；N沟道区的深度为2.1μm，宽度为1.6μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；P+栅区掺杂浓度为1×1018cm-3；N+衬底掺杂浓度为6×1018cm-3；N+源区掺杂浓度为2×1018cm-3。
其中，所述的第一碳基材料层、第二碳基材料层和第三碳基材料层为石墨薄膜或其他具有良好导热性和导电性的碳基材料。
其中，所述的第一金属层和第四金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Nb、W和Cr中的一种；所述的第二金属层和第三金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co和Nb中的一种；所述的第五金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Ta和Pd中的一种；所述的第六金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Ta和Pd中的一种。
其中，所述的第一金属层和第四金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Nb、W和Cr中的两种或几种制备而成的合金；所述的第二金属层和第三金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co和Nb中的两种或几种制备而成的合金；所述的第五金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Ta和Pd中的两种或几种制备而成的合金；所述的第六金属层的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Ta和Pd中的两种或几种制备而成的合金。
其中，所述的第一碳基材料层、第二碳基材料层和第三碳基材料层的厚度均为10-20nm；所述的第一金属层、第二金属层、第五金属层、第六金属层、第三金属层和第四金属层厚度均为50-80nm。
其中，所述的第一碳基材料层、第二碳基材料层和第三碳基材料层中间设有贯穿的孔洞，使第一金属层、第五金属层和第四金属层能够穿过第一碳基材料层、第二碳基材料层和第三碳基材料层与第二金属层、第六金属层和第三金属层相连，形成整体的复合电极。
其中，所述的第一碳基材料层、第二碳基材料层和第三碳基材料层中间的孔洞通过光刻形成，孔洞的数目和形状可以根据不同的需要进行设定。
其中，所述的第二金属层、第六金属层和第三金属层与N+源区、P+栅区和N+衬底分别形成欧姆接触。
本发明具有以下有益效果：
1)利用石墨烯优良的热稳定性、导电性和导热特性，极大的降低了器件结温，提高了SiCJFET功率器件在高温环境下工作的热可靠性。
2)一方面石墨烯具有良好的热稳定性和导电特性，在高温下依然保持稳定，另一方面石墨烯的优良的导热性能够有效的改善器件的散热情况，从而降低器件结温，使器件在高温环境下仍然可以稳定可靠的工作。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件的三维结构示意图。
图2为本发明实施例一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件的石墨层的剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，本发明实施例提供了一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，包括N+衬底11、N-漂移区10、N沟道区5、P+栅区9、N+源区4、由第一碳基材料层2与第一金属层1、第二金属层3复合构成的源电极、由第三碳基材料层13与第三金属层12、第四金属层14复合构成的漏电极、由第二碳基材料层7与第五金属层6、第六金属层8复合构成的栅电极，N-漂移区10的厚度为9.5μm，宽度为7μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；N沟道区5的深度为2.1μm，宽度为1.6μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；P+栅区9掺杂浓度为1×1018cm-3；N+衬底11掺杂浓度为6×1018cm-3；N+源区4掺杂浓度为2×1018cm-3。
所述的第一碳基材料层2、第二碳基材料层7和第三碳基材料层13为石墨薄膜或其他具有导热性和导电性的碳基材料。
所述的第一金属层1和第四金属层14的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Nb、W和Cr中的一种；所述的第二金属层3和第三金属层12的材料为Ni、Ti、Mo、Co和Nb中的一种；所述的第五金属层6的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Ta和Pd中的一种；所述的第六金属层8的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Ta和Pd中的一种。
所述的第一金属层1和第四金属层14的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Nb、W和Cr中的两种或几种制备而成的合金；所述的第二金属层3和第三金属层12的材料为Ni、Ti、Mo、Co和Nb中的两种或几种制备而成的合金；所述的第五金属层6的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Ta和Pd中的两种或几种制备而成的合金；所述的第六金属层8的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Ta和Pd中的两种或几种制备而成的合金。
所述的第一碳基材料层2、第二碳基材料层7和第三碳基材料层13的厚度均为10-20nm；所述的第一金属层1、第二金属层3、第五金属层6、第六金属层8、第三金属层12和第四金属层14厚度均为50-80nm。
所述的第一碳基材料层2、第二碳基材料层7和第三碳基材料层13中间设有贯穿的孔洞，使第一金属层1、第五金属层6和第四金属层14能够穿过第一碳基材料层2、第二碳基材料层7和第三碳基材料层13与第二金属层3、第六金属层8和第三金属层12相连，形成整体的复合电极。
所述的第一碳基材料层2、第二碳基材料层7和第三碳基材料层13中间的孔洞通过光刻形成，孔洞的数目和形状可以根据不同的需要进行设定。
所述的第二金属层3、第六金属层8和第三金属层12与N+源区4、P+栅区9和N+衬底11分别形成欧姆接触。
本具体实施利用石墨烯优良的热稳定性、导电性和导热特性，极大的降低了器件结温，提高了SiCJFET功率器件在高温环境下工作的热可靠性.一方面石墨烯具有良好的热稳定性和导电特性，在高温下依然保持稳定；另一方面石墨烯的优良的导热性能够有效的改善器件的散热情况，从而降低器件结温，使器件在高温环境下仍然可以稳定可靠的工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，包括N+衬底(11)、N-漂移区(10)、N沟道区(5)、P+栅区(9)、N+源区(4)、由第一碳基材料层(2)与第一金属层(1)、第二金属层(3)复合构成的源电极、由第三碳基材料层(13)与第三金属层(12)、第四金属层(14)复合构成的漏电极、由第二碳基材料层(7)与第五金属层(6)、第六金属层(8)复合构成的栅电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，N-漂移区(10)的厚度为9.5μm，宽度为7μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；N沟道区(5)的深度为2.1μm，宽度为1.6μm，掺杂浓度为6.5×1015cm-3；P+栅区(9)掺杂浓度为1×1018cm-3；N+衬底(11)掺杂浓度为6×1018cm-3；N+源区(4)掺杂浓度为2×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第一碳基材料层(2)、第二碳基材料层(7)和第三碳基材料层(13)为石墨薄膜或其他碳基材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第一金属层(1)和第四金属层(14)的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Nb、W和Cr中的一种；所述的第二金属层(3)和第三金属层(12)的材料为Ni、Ti、Mo、Co和Nb中的一种；所述的第五金属层(6)的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Ta和Pd中的一种；所述的第六金属层(8)的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Ta和Pd中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第一金属层(1)和第四金属层(14)的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Nb、W和Cr中的两种或几种制备而成的合金；所述的第二金属层(3)和第三金属层(12)的材料为Ni、Ti、Mo、Co和Nb中的两种或几种制备而成的合金；所述的第五金属层(6)的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Pt、Ta和Pd中的两种或几种制备而成的合金；所述的第六金属层(8)的材料为Ni、Ti、Mo、Co、Ta和Pd中的两种或几种制备而成的合金。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第一碳基材料层(2)、第二碳基材料层(7)和第三碳基材料层(13)的厚度均为10-20nm；所述的第一金属层(1)、第二金属层(3)、第五金属层(6)、第六金属层(8)、第三金属层(12)和第四金属层(14)厚度均为50-80nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第一碳基材料层(2)、第二碳基材料层(7)和第三碳基材料层(13)中间设有贯穿的孔洞，使第一金属层(1)、第五金属层(6)和第四金属层(14)能够穿过第一碳基材料层(2)、第二碳基材料层(7)和第三碳基材料层(13)与第二金属层(3)、第六金属层(8)和第三金属层(12)相连，形成整体的复合电极。
8.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第一碳基材料层(2)、第二碳基材料层(7)和第三碳基材料层(13)中间的孔洞通过光刻形成，孔洞的数目和形状可以根据不同的需要进行设定。
9.根据权利要求1所述的一种基于碳基复合电极的高温SiCJFET器件，其特征在于，所述的第二金属层(3)、第六金属层(8)和第三金属层(12)与N+源区(4)、P+栅区(9)和N+衬底(11)分别形成欧姆接触。
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