CN108565294A - 一种外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管及其制备方法，其中碳化硅二极管包括碳化硅衬底、位于所述碳化硅衬底一侧的阴极、位于所述衬底背离所述阴极一侧的碳化硅外延层、位于所述碳化硅外延层表面的阳极，所述碳化硅衬底的掺杂浓度高于所述碳化硅外延层的掺杂浓度，所述碳化硅外延层的掺杂浓度按下式变化掺杂：其中Nd为外延层的掺杂浓度，ε为碳化硅材料的介电常数，EC为碳化硅材料的临界击穿电场，q为单位电子电荷，Vbd为击穿电压，t为距离器件表面的深度与外延层厚度的比值。通过使用本发明技术方案中的函数浓度掺杂，可以提高器件的导通电流，保持阻断特性。
Description
技术领域
本发明属于半导体和功率半导体领域，具体涉及一种外延层掺杂浓度变化的功率半导体及其制备方法。
背景技术
与硅材料相比，碳化硅材料的禁带宽度很宽，临界击穿电场强度很高，是目前用来制造高压功率器件的较为理想的材料。碳化硅器件外延层的设计对于功率器件至关重要。在实际的设计中，必须综合考虑器件的正向导通特性和反向阻断特性。目前，碳化硅外延层的掺杂为一致性掺杂，即均匀掺杂，掺杂浓度保持不变。采用外延层均匀掺杂的器件，导通电流具有进一步提高的空间。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的问题，本发明公开了一种外延层掺杂浓度变化的功率半导体及其制备方法，提出了外延层掺杂浓度的函数变化关系。通过使用本发明技术方案中的函数浓度掺杂，可以提高器件的导通电流，保持阻断特性。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
本发明一方面公开了一种外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管，包括碳化硅衬底、位于所述碳化硅衬底一侧的阴极、位于所述衬底背离所述阴极一侧的碳化硅外延层、位于所述碳化硅外延层表面的阳极，所述碳化硅衬底的掺杂浓度高于所述碳化硅外延层的掺杂浓度，所述碳化硅外延层的掺杂浓度按下式变化掺杂：
其中Nd为外延层的掺杂浓度，ε为碳化硅材料的介电常数，EC为碳化硅材料的临界击穿电场，q为单位电子电荷，Vbd为击穿电压，t为距离器件表面的深度与外延层厚度的比值。
所述碳化硅衬底的导电掺杂类型与碳化硅外延层的导电掺杂类型同为第一导电类型，所述第一导电类型为n型或p型。
所述碳化硅衬底的掺杂浓度为1e18～6e19cm-3。
本发明另一方面公开了一种外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管制备方法，包括如下步骤：
提供导电掺杂类型为第一导电类型的碳化硅衬底；
在所述碳化硅衬底一侧生长外延层；
在所述碳化硅外延层表面形成所述二极管的阳极；
在所述碳化硅衬底背离所述外延层一侧形成所述二极管的阴极；
所述碳化硅衬底的掺杂浓度高于所述碳化硅外延层的掺杂浓度，所述碳化硅外延层的掺杂浓度按下式变化掺杂：
其中Nd为外延层的掺杂浓度，ε为碳化硅材料的介电常数，EC为碳化硅材料的临界击穿电场，q为单位电子电荷，Vbd为击穿电压，t为距离器件表面的深度与外延层厚度的比值。
有益效果：在外延层厚度相同的条件下，与外延层均匀掺杂的碳化硅二极管相比，本发明公开的外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管具有更高的导通电流，且保持了阻断特性。
附图说明
图1为实施例1中杂质均匀掺杂分布曲线图；
图2为实施例1中变浓度掺杂杂质分布曲线图；
图3为实施例1中正向导通特性曲线图；
图4为实施例1中均匀掺杂和变浓度掺杂分布外延层器件从表面沿垂直方向向下的电场分布曲线图；
图5为实施例2中杂质均匀掺杂分布曲线图；
图6为实施例2中变浓度掺杂杂质分布曲线图；
图7为实施例2中正向导通特性曲线图；
图8为实施例2中均匀掺杂和变浓度掺杂分布外延层器件从表面沿垂直方向向下的电场分布曲线图；
图9为实施例3中杂质均匀掺杂分布曲线图；
图10为实施例3中变浓度掺杂杂质分布曲线图；
图11为实施例3中正向导通特性曲线图；
图12为实施例3中均匀掺杂和变浓度掺杂分布外延层器件从表面沿垂直方向向下的电场分布曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
实施例1：
为了阐述本发明中掺杂函数的可行性，利用TCAD仿真软件研究了阻断电压为600V的SBD(Schottky Barrier Diode，肖特基势垒二极管)在变掺杂分布和均匀掺杂分布条件下的正向导通特性和阻断状态下的电场强度分布曲线。
为了能够实现600V的阻断电压，在均匀杂质分布中，采用的外延层掺杂浓度为1e16cm-3，外延层的厚度为6μm。均匀杂质掺杂的分布曲线如图1所示，其横坐标为距离器件表面的深度距离，纵坐标为掺杂浓度。
在外延层的厚度为6μm的条件下，根据公式(1)得到了如图2所示的变掺杂杂质的分布曲线。外延层掺杂浓度从表面的7.9e15cm-3到2.3e16cm-3变化。
本实施例中，碳化硅衬底的掺杂浓度均为1e18cm-3，保证了碳化硅衬底的掺杂浓度高于外延层的掺杂浓度。
TCAD仿真得到的正向导通特性如图3所示，其中横坐标为器件阳极所加电压，纵坐标为电流密度；方形节点的曲线代表传统的外延层均匀掺杂的SBD的正向导通特性，圆形节点的曲线代表本实施例中变掺杂杂质的SBD的正向导通特性。可以看出，变掺杂杂质分布的器件电流比传统均匀掺杂分布外延器件的电流得到了显著的提高。当阳极所加电压VF为1.5V时，电流密度提高了11％。
TCAD仿真得到的从表面沿垂直向下方向得到的电场分布分别如图4所示，其中横坐标为距离器件表面的深度距离，纵坐标为电场强度；图中虚线为传统的外延层均匀掺杂的SBD的电场分布，实线为本实施例中变掺杂杂质的SBD的电场分布。可以看出，两者的电场分布曲线差别很大。但是表面处的电场强度相等，均为1.55MV/cm。
实施例2：
为了阐述本发明中掺杂函数的可行性，利用TCAD仿真软件研究了阻断电压为1200V SBD在变掺杂分布和均匀掺杂分布条件下的正向导通特性和阻断状态下的电场强度分布曲线。
为了能够实现1200V的阻断电压，在均匀杂质分布中，采用的外延层掺杂浓度为7.5e15cm-3，外延层的厚度为12μm。均匀杂质掺杂的分布曲线如图5所示，其横坐标为距离器件表面的深度距离，纵坐标为掺杂浓度。
在外延层的厚度为12μm的条件下，根据公式(1)得到了如图6所示的变掺杂杂质的分布曲线。外延层掺杂浓度从表面的5.4e15cm-3到2.4e16cm-3变化。
本实施例中，碳化硅衬底的掺杂浓度均为6e19cm-3，保证了碳化硅衬底的掺杂浓度高于外延层的掺杂浓度。
TCAD仿真得到的正向导通特性如图7所示，其中横坐标为器件阳极所加电压，纵坐标为电流密度；圆形节点的曲线代表传统的外延层均匀掺杂的SBD的正向导通特性，方形节点的曲线代表本实施例中变掺杂杂质的SBD的正向导通特性。可以看出，变掺杂杂质分布的器件电流比传统均匀掺杂分布外延器件的电流得到了显著的提高。当阳极所加电压VF在1.8V时，电流密度提高了10％。
TCAD仿真得到的从表面沿垂直向下方向得到的电场分布如图8所示。图中虚线为传统的外延层均匀掺杂的SBD的电场分布，实线为本实施例中变掺杂杂质的SBD的电场分布，可以看出，两者的电场分布曲线差别很大。但是表面处的电场强度相等，均为1.8MV/cm。
实施例3：
为了阐述本发明中掺杂函数的可行性，利用TCAD仿真软件研究了阻断电压1700VSBD在变掺杂分布和均匀掺杂分布条件下的正向导通特性和阻断状态下的电场强度分布曲线。
为了能够实现1700V的阻断电压，在均匀杂质分布中，采用的外延层掺杂浓度为6e15cm-3，外延层的厚度为13μm。均匀杂质掺杂的分布曲线如图9所示。
在外延层的厚度为13μm的条件下，根据公式(1)得到了如图10所示的变掺杂杂质的分布曲线。外延层掺杂浓度从表面的4e15cm-3到2.3e16cm-3变化。
本实施例中，碳化硅衬底的掺杂浓度均为2e19cm-3，保证了碳化硅衬底的掺杂浓度高于外延层的掺杂浓度。
TCAD仿真得到的正向导通特性如图11所示，其中圆形节点的曲线代表传统的外延层均匀掺杂的SBD的正向导通特性，方形节点的曲线代表本实施例中变掺杂杂质的SBD的正向导通特性。可以看出，变掺杂杂质分布的器件电流比传统均匀掺杂分布外延器件的电流得到了显著的提高。当阳极所加电压VF为2V时，电流密度提升了11％。
TCAD仿真得到的从表面沿垂直向下方向得到的电场分布分别如图12所示。图中虚线为传统的外延层均匀掺杂的SBD的电场分布，实线为本实施例中变掺杂杂质的SBD的电场分布。可以看出，两者的电场分布曲线差别很大。但是表面处的电场强度相等，均为2MV/cm。
Claims (6)
1.一种外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管，包括碳化硅衬底、位于所述碳化硅衬底一侧的阴极、位于所述衬底背离所述阴极一侧的碳化硅外延层、位于所述碳化硅外延层表面的阳极，其特征在于，所述碳化硅衬底的掺杂浓度高于所述碳化硅外延层的掺杂浓度，所述碳化硅外延层的掺杂浓度按下式变化掺杂：
其中Nd为外延层的掺杂浓度，ε为碳化硅材料的介电常数，EC为碳化硅材料的临界击穿电场，q为单位电子电荷，Vbd为击穿电压，t为距离器件表面的深度与外延层厚度的比值。
2.根据权利要求1所述的外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管，其特征在于，所述碳化硅衬底的导电掺杂类型与碳化硅外延层的导电掺杂类型同为第一导电类型，所述第一导电类型为n型或p型。
3.根据权利要求1所述的外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管，其特征在于，所述碳化硅衬底的掺杂浓度为1e18～6e19cm-3。
4.一种外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管制备方法，包括如下步骤：
提供导电掺杂类型为第一导电类型的碳化硅衬底；
在所述碳化硅衬底一侧生长外延层；
在所述碳化硅外延层表面形成所述二极管的阳极；
在所述碳化硅衬底背离所述外延层一侧形成所述二极管的阴极；
其特征在于，所述碳化硅衬底的掺杂浓度高于所述碳化硅外延层的掺杂浓度，所述碳化硅外延层的掺杂浓度按下式变化掺杂：
其中Nd为外延层的掺杂浓度，ε为碳化硅材料的介电常数，EC为碳化硅材料的临界击穿电场，q为单位电子电荷，Vbd为击穿电压，t为距离器件表面的深度与外延层厚度的比值。
5.根据权利要求4所述的外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管制备方法，其特征在于，所述碳化硅外延层的导电掺杂类型与所述碳化硅衬底的导电掺杂类型同为第一导电类型，所述第一导电类型为n型或p型。
6.根据权利要求4所述的外延层变掺杂浓度的碳化硅二极管制备方法，其特征在于，所述碳化硅衬底的掺杂浓度为1e18～6e19cm-3。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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