碳化硅接面能障萧特基整流器
技术领域
本发明涉及一种半导体元件,尤指一种碳化硅萧特基整流器。
背景技术
碳化硅具有宽能隙、优良的化学稳定性、导电性以及导热性。功率元件被广泛地应用在各种电力的交直流转换上,要求低导通电阻、低漏电流、高击穿电压以及快速开关等特性以降低操作时产生的导通损失与切换损失。碳化硅因宽能隙而具备的高临界崩溃电场,以及远低于元件掺杂浓度的本征载子浓度,使得碳化硅成为极具应用于高温、高频、大功率的功率元件材料。
例如在美国发明专利公开第US2006/0022292号中,即揭示一种碳化硅萧特基能障二极管(Schottky Barrier Diode,简称SBD)的结构,借由一基板及两个或两个以上的磊晶层,所述磊晶层包括至少一轻度掺杂N型磊晶层及一设置于所述轻度掺杂N型磊晶层上且掺杂浓度更轻的N型磊晶层,如此,借由优化两个磊晶层的厚度及掺杂浓度,以减少所述碳化硅萧特基障壁二极管于电容及开关转换之间的损失,并使其保持有较低的顺向压降(forward voltage drop)及导通电阻。
然而,由于萧特基能障二极管的顺向压降主要由阳极金属层的功函数(workfunction)与碳化硅磊晶的电子亲和力(electron affinity)的差值所形成的萧特基能障所决定,为求低的顺向压降,通常会选择功函数较低的金属以形成低的萧特基能障,然而萧特基能障在反向偏压时会随着电场变大而产生能障减低(barrier lowering)的现象,造成很大的漏电流。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种碳化硅接面能障萧特基整流器,解决现有的萧特基障壁二极管,操作在逆向偏压时,具有很大的漏电流的问题。
为达上述目的,本发明提供一种碳化硅接面能障萧特基整流器(SiC JunctionBarrier Controlled Schottky Rectifier),包含有一碳化硅基板、一漂移层、一p型掺杂区域、多个接面场效应区域、一第一金属层以及一第二金属层。
所述碳化硅基板具有n型重掺杂,并包含一第一表面以及一相对的第二表面;所述漂移层设置于所述第一表面,并且有一n型掺杂以及一远离所述第一表面的第三表面;所述p型掺杂区域设置于所述漂移层内并接触所述第三表面;所述接面场效应区域设置于所述漂移层内,且由所述p型掺杂区域环绕而接触所述第三表面,所述接面场效应区域各包含N个圆区域以及(N-1)个连接于两所述圆区域之间的连接区域,N为一自然数;所述第一金属层设置于所述第三表面,并与所述接面场效应区域之间形成一萧特基能障;而所述第二金属层则设置于所述第二表面,并与所述碳化硅基板之间形成一奥姆接触。
其中,所述连接区域是由连接所述圆区域的两弧边所形成,其中至少一所述弧边为内凹。
其中,所述连接区域于垂直两所述圆区域圆心的连接线的一纵方向具有一宽度,所述宽度小于所述圆区域的一直径。
其中,N为2。
其中,更包含多个设置于所述第三表面并介于所述p型掺杂区域与所述第一金属层之间的第三金属层,所述第三金属层与所述p型掺杂区域之间形成一奥姆接触。
其中,所述第三金属层的材质为选自钛、铝、钼、镍、钽、钨以及其硅化物所组成的群组。
其中,所述第一金属层的材质为选自钛、铝、钼、镍、钽、钨以及其硅化物所组成的群组。
其中,所述第二金属层的材质为选自钛、铝、钼、镍、钽、钨、金、银以及其硅化物所组成的群组。
其中,所述接面场效应区域与所述p型掺杂区域的面积比为介于4:6至9:1之间。
其中,所述第一金属层形成一阳极,所述第二金属层形成一阴极,一为0伏特的偏压施加于所述阳极与所述阴极之间时,所述p型掺杂区域与所述漂移层之间具有一空乏宽度(W1),所述空乏宽度(W1)小于所述圆区域的一半径。
其中,所述第一金属层形成一阳极,所述第二金属层形成一阴极,一为额定电压的一半的偏压施加于所述阳极与所述阴极之间时,所述p型掺杂区域与所述漂移层之间具有一空乏宽度(W2),所述空乏宽度(W2)大于所述圆区域的一半径。
其中,所述弧边与所述圆区域在连接处的切线斜率相同。
如此一来,本发明借由于所述漂移层设置所述接面场效应区域,令所述p型掺杂区域环绕所述接面场效应区域以形成N个所述圆区域以及(N-1)个连接于两所述圆区域之间的所述连接区域,使得各所述接面场效应区域于所述碳化硅接面能障萧特基整流器操作于逆向偏压时,得以利用所述圆区域以及所述连接区域有效降低漏电流,改善现有的萧特基障壁二极管具有较大漏电流的问题。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述,但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A为本发明第一实施例的外观立体分解示意图。
图1B为图1A的局部剖面(图1A于A-A截面处的剖面)示意图。
图2为本发明第一实施例漂移层的俯视示意图。
图3A为本发明于0伏特偏压下的空乏宽度示意图。
图3B为本发明于一半额定电压的偏压下的空乏宽度示意图。
图4为本发明第一实施例与现有萧特基障壁二极管于逆向偏压下的电性示意图。
图5为本发明第一实施例与现有萧特基障壁二极管于顺向偏压下的电性示意图。
图6A及图6B为本发明第二实施例第三金属层的设置示意图,其中图6B为图6A于B-B截面处的剖面示意图。
图7为本发明第二实施例与现有萧特基障壁二极管于顺向偏压下的电性示意图。
其中,附图标记:
10:碳化硅基板
11:第一表面
12:第二表面
20:漂移层
21:第三表面
30:第一金属层
40:p型掺杂区域
50:接面场效应区域
501:第一接面场效应区域
502:第二接面场效应区域
51:圆区域
52:连接区域
521:第一连接区域
522:第二连接区域
60:第二金属层
70:第三金属层
80:空乏区域
W1:空乏宽度
W2:空乏宽度
具体实施方式
涉及本发明的详细说明及技术内容,现就配合图式说明如下:
请搭配参阅图1A、图1B及图2所示,图1A为本发明第一实施例的外观立体分解示意图,图1B为图1A的局部剖面示意图,图2为本发明第一实施例漂移层的俯视示意图,如图所示:本发明为一种碳化硅接面能障萧特基整流器,包含有一碳化硅基板10、一漂移层20、一p型掺杂区域40、多个接面场效应区域50、一第一金属层30以及一第二金属层60。
所述碳化硅基板10在此可借由将碳化硅结晶切割为特定的厚度而得,亦可使用市售的碳化硅基板10,亦可将碳化硅结晶生长于任一基板上而得,只要具有由碳化硅结晶而成的表面的基板,并不加以特别限制,所述碳化硅基板10具有n型重掺杂,且电阻率(resistivity)小于0.1Ω.cm,并具有一第一表面11以及一相对远离所述第一表面11的第二表面12;所述漂移层20设置于所述第一表面11,在此为使用磊晶技术成长而成,其材质可为碳化硅,且所述漂移层20具有n型掺杂,掺杂浓度为介于1E+14cm-3与1E+17cm-3之间,所述漂移层20并具有一远离所述第一表面11的第三表面21。
所述p型掺杂区域40为设置于所述漂移层20内,在此为使用离子布植技术而形成,所掺杂的材料可为铝或硼,并且,所述p型掺杂区域40具有一大于所述漂移层20的掺杂浓度,介于1E+17cm-3与1E+20cm-3之间。而所述接面场效应区域50,设置于所述漂移层20内并接触所述第三表面21,且彼此之间由所述p型掺杂区域40环绕而间隔,于本实施例中,所述接面场效应区域50与所述p型掺杂区域40之间的面积比为介于4:6至9:1之间。
至于所述第一金属层30设置于所述第三表面21,所述第一金属层30与所述接面场效应区域50之间形成一萧特基能障,其材质可为钛、铝、钼、镍、钽、钨或上述材料所形成的硅化物。而所述第二金属层60则设置于所述第二表面12,所述第二金属层60与所述碳化硅基板10之间形成一奥姆接触,其材质可为钛、铝、钼、镍、钽、钨、金、银或上述材料所形成的硅化物。
在本发明中,要特别说明的是,所述接面场效应区域50,受到所述p型掺杂区域40的环绕而彼此之间相互间隔,其各包含N个圆区域51以及(N-1)个连接区域52,N在实施例中以2为举例,但本发明不以此为限制,于本发明其它实施例中,N还可为大于2的一自然数。所述连接区域52为连接于两个所述圆区域51之间,而由连接两个所述圆区域51的两弧边所形成,并且其中至少一所述弧边为内凹,所述弧边与两个所述圆区域51在连接处的切线斜率相同,而使得所述连接区域52于垂直两所述圆区域51圆心的连接线的一纵方向具有一宽度,所述宽度小于所述圆区域51的一直径,令所述接面场效应区域50由所述两个圆区域51朝向所述连接区域52渐缩,而于所述连接区域52具有最小的所述宽度。
如此,本发明以所述p型掺杂区域40于所述接面场效应区域50围绕出所述圆区域51,以及连接于两个所述圆区域51之间的所述连接区域52,可增加所述接面场效应区域50与所述第一金属层30所形成的萧基接触的面积,而所述碳化硅接面能障萧特基整流器在逆向偏压下,仍可形成均匀的空乏区,将有效屏蔽位于萧基接触处的表面电场,而降低漏电流。
尚需说明的是,于本实施例中,以所述连接区域52连接于两个所述圆区域51之间,使得所述接面场效应区域50具有一类似护目镜(goggles)的外形为举例,但本发明并不以此为限制,主要以进一步于两个所述圆区域51之间增加萧基接触的面积即可。
请搭配参阅图3A以及图3B,图3A为本发明于0伏特偏压下的空乏宽度示意图,图3B为本发明于一半额定电压的偏压下的空乏宽度示意图,如图3A所示,在本发明中,令所述第一金属层30形成一阳极,所述第二金属层60形成一阴极,当一为0伏特的偏压施加于所述阳极与所述阴极之间时,将于所述接面场效应区域50沿着所述p型掺杂区域40产生一pn接面所形成的空乏区域80,所述空乏区域80于所述p型掺杂区域40与所述漂移层20之间,具有一空乏宽度W1,所述空乏宽度W1是由所使用的所述漂移层20的掺杂浓度与所述p型掺杂区域40的浓度所决定,其中所述圆区域51的半径大于所述空乏宽度W1。又如图3B所示,当于所述阳极与所述阴极之间施以一偏压时,此时所述p型掺杂区域40与所述漂移层20所形成的pn接面将处于逆向偏压,pn接面所形成的空乏区宽度随着逆向偏压的上升而增加。当逆向偏压达一额定电压(rated blocking voltage)的一半时,所述空乏区域80具有另一空乏宽度W2,所述空乏宽度W2大于所述圆区域51的一半径。
请参阅图4所示,为本发明第一实施例与现有萧特基障壁二极管于逆向偏压(Reverse Bias)下的元件仿真电性示意图,于第一实施例中,所使用的所述漂移层20厚度为11μm,掺杂浓度为6E+15cm-3,所述第一金属层30的材质为钛。所述p型掺杂区域40的掺杂浓度为1E+19cm-3,其与所述漂移层20在无偏压下(0V)的所述空乏区域80的宽度为0.7μm,目标额定电压为1200V,在额定电压50%的逆向偏压600V下的所述空乏区域80的宽度为10.4μm,模拟中所使用的所述接面场效应区域50的宽度为3μm。从图4中可知,在施予相同的逆向偏压(Reverse Bias)下,在约于2300V以下时,本发明的所述碳化硅接面能障萧特基整流器(Junction Barrier Schottky Rectifier,JBS),相较现有的萧特基障壁二极管(SchottkyBarrier Diode,SBD),具有一较小的漏电流,显示所述接面场效应区域50有效抑止所述漏电流的产生。接着,请参阅图5所示,为本发明第一实施例与现有萧特基障壁二极管于顺向偏压(Forward Bias)下的电性示意图,从图5中可知,在施予相同的顺向偏压(forwardvoltage)下,本发明的所述碳化硅接面能障萧特基整流器,相较现有的萧特基障壁二极管(SBD),在所述p型掺杂区域40的作用下,具有一较小的顺向电流,这是由于萧基能障低于pn接面的内建电位(built-in potential),因而在一般的顺向操作电压(通常小于2V)下,只有萧基能障导通,故萧基接触所占的面积比例与顺向导通的电流密度成正比。换言之,借由所述连接区域52的设置,可增加元件中萧基接触所占的面积比例而增加顺向导通电流密度。
请搭配参阅图6A及图6B所示,为本发明第二实施例第三金属层的设置示意图,在第二实施例中,相较于第一实施例,更包含多个第三金属层70,由图6B观之,所述第三金属层70设置于所述第三表面21并介于所述p型掺杂区域40与所述第一金属层30之间,所述第三金属层70与所述p型掺杂区域40之间形成一奥姆接触,其材质可为钛、铝、钼、镍、钽、钨或上述材料所形成的硅化物,再由图6A观之,所述接面场效应区域50更包含一第一接面场效应区域501以及一与所述第一接面场效应区域501并排的第二接面场效应区域502,所述第一接面场效应区域501具有一第一连接区域521,所述第二接面场效应区域502具有一相对所述第一连接区域521的第二连接区域522,所述第一接面场效应区域501与所述第二接面场效应区域502彼此相面对,所述第一连接区域521与所述第二连接区域522彼此相面对,其中,所述第一连接区域521与所述第二连接区域522具有较小的宽度,而使所述第一连接区域521与所述第二连接区域522之间具有较大的所述p型掺杂区域40,而易于在其上形成所述第三金属层70。所述第三金属层70可位于所述第一接面场效应区域501与所述第二接面场效应区域502之间,例如为所述第一连接区域521与所述第二连接区域522之间,或者是所述第一接面场效应区域501与所述第二接面场效应区域502之间于排列上的一空位处。
在如此的设置下,请搭配参阅图7所示,为本发明第二实施例与现有萧特基障壁二极管于顺向偏压下的电性示意图,从图7中可知,现有萧特基障壁二极管(SBD),在较低的顺向偏压时,具有较大的顺向电流。但是随着顺向偏压提高,萧特基障壁二极管(SBD)相较第二实施例的所述碳化硅接面能障萧特基整流器(JBS),顺向电流较早即达到饱和状态,显示第二实施例的所述碳化硅接面能障萧特基整流器,借由所述奥姆接触的形成,能承受一较大的突波电流(surge current),具有较好的元件耐用性(ruggedness)。
综上所述,由于本发明于所述漂移层设置所述p型掺杂区域以及所述接面场效应区域,令所述p型掺杂区域围绕并间隔各所述接面场效应区域,利用所述圆区域以及所述连接区域的几何特性,使得所述碳化硅接面能障萧特基整流器操作于逆向偏压时,能有效降低漏电流,改善现有的萧特基障壁二极管具有较大漏电流的问题,再者,本发明还借由设置所述第三金属层形成所述奥姆接触,提高所述碳化硅接面能障萧特基整流器的元件耐用性。
当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。