CN108717945B - 一种具有NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NiO/SiC异质发射结结构。本发明还公开了一种含NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管，包括衬底，在衬底上表面制作有n‑SiC缓冲层，在n‑SiC缓冲层上表面制作有p‑SiC缓冲层，在p‑SiC缓冲层上表面制作有p‑SiC长基区，在p‑SiC长基区上表面制作有n‑SiC短基区，在n‑SiC短基区上表面制作有p‑NiO发射区，还包括绝缘介质薄膜，在p‑NiO发射区的各个凸台上端面覆盖有阳极；在衬底下端面覆盖有阴极。本发明的结构，拥有更高的空穴注入能力，开通性能得到显著改善。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种NiO/SiC异质发射结结构，本发明还涉及一种含NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管。
背景技术
碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大、热导率高、临界雪崩击穿电场强度高、饱和载流子漂移速度大及热稳定性好等优点，使用SiC制作的电力电子器件具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的耐高温特性，更适合应用于电力电子电路。碳化硅晶闸管作为SiC高压器件中的一种，具有阻断电压高、通流能力强、安全工作区(SOA)大以及无栅氧化层可靠性影响等优点，能有效提升高压直流输电系统(HVDC)与智能电网电能传输系统的功率密度与效率。在SiC晶闸管的诸多分支中，碳化硅光触发晶闸管(简称SiC LTT)在简化驱动电路与抗电磁干扰方面具有明显优势，是碳化硅晶闸管中最具潜力的种类之一。
虽然SiC LTT具有明显的性能优势，但由于铝受主在SiC中的电离能较高(0.19eV)，导致p型SiC材料中的有效载流子浓度较低，造成SiC LTT存在阳极空穴注入效率低的问题，严重影响器件的开通性能。针对该问题，目前SiC LTT的开通一般采用紫外激光器提供较大的触发光能量，来实现器件的快速开通。而激光器存在效率低、复杂度高的问题，鉴于此：
S.L.Rumyantsev等人2013年在“Semiconductor Science and Technology”发表文章《Optical triggering of high-voltage(18kV-class)4H-SiC thyristors》，文中首次在SiC LTT中引入了放大门极结构，通过引入放大门极，触发光功率密度得到降低，但由于第一级的辅助晶闸管仍然存在阳极注入效率低的影响，所以整个器件仍旧存在开通延迟时间大的问题。
Xi Wang等2017年在“Chinese Physics B”发表文章《Injection modulation ofp+-n emitter junction in 4H-SiC light triggered thyristor by double-deckthinn-base》，文中使用了双层薄n基区结构，有效改善了4H-SiC LTT阳极注入效率低的问题，降低了触发光功率密度，缩短了开通延迟时间。但文中所报道的新型双层薄n基区结构内部存在阻挡空穴输运的感生电场，一定程度上限制了器件性能的发挥。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高性能、高可行性的技术方案，用于改善SiC LTT阳极发射结空穴注入效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种NiO/SiC异质发射结结构，解决了现有SiCLTT阳极发射结空穴注入效率低，开通延迟时间大，所需触发光功率高的问题。
本发明的另一目的是提供一种含NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管。
本发明所采用的技术方案是，一种NiO/SiC异质发射结结构，包括p-NiO发射区，紧邻p-NiO发射区的下方为n-SiC短基区，p-NiO发射区与n-SiC短基区上下相接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种含NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管，包括衬底，该衬底的材料为n型SiC；
在衬底上表面制作有n-SiC缓冲层，该n-SiC缓冲层的材料为n型SiC；
在n-SiC缓冲层上表面制作有p-SiC缓冲层，该p-SiC缓冲层的材料为p型SiC；
在p-SiC缓冲层上表面制作有p-SiC长基区，该p-SiC长基区的材料为p型SiC；
在p-SiC长基区上表面制作有n-SiC短基区，该n-SiC短基区的材料为n型SiC；
在n-SiC短基区上表面制作有p-NiO发射区，p-NiO发射区分为多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该p-NiO发射区的材料为p型NiO；
还包括绝缘介质薄膜，绝缘介质薄膜覆盖在p-NiO发射区的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-SiC短基区上表面；
在p-NiO发射区的各个凸台上端面覆盖有阳极；
在衬底下端面覆盖有阴极。
本发明的有益效果是，相比于传统SiC同质发射结结构，在功能上本发明NiO/SiC异质发射结结构具有更高的空穴注入能力；应用在SiC LTT中时，本发明位于p-SiC长基区之上，既能在正向阻断状态下阻止电场的穿通，又能在开启过程中增强发射结的空穴注入，改善由于空穴浓度低导致上pnp晶体管增益小的问题，为SiC LTT性能的提升提供可行的技术方案，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的NiO/SiC异质发射结结构和含该结构的SiC LTT结构示意图；
图2是本发明NiO/SiC异质发射结能带结构示意图。
图中，1.衬底，2.n-SiC缓冲层，3.p-SiC缓冲层，4.p-SiC长基区，5.n-SiC短基区，6.p-NiO发射区，7.绝缘介质薄膜，8.阳极，9.阴极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的NiO/SiC异质发射结的结构是，包括p-NiO发射区6，该p-NiO发射区6的材料为p型NiO，厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm2-2000cm2；紧邻p-NiO发射区6的下方为n-SiC短基区5，该n-SiC短基区5的材料为n型SiC，厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm2-2000cm2；p-NiO发射区6与n-SiC短基区5上下相接，共同组成NiO/SiC异质发射结。
本发明的NiO/SiC异质发射结应用在器件中时位于器件p-SiC长基区4上方，n-SiC短基区5下端面与p-SiC长基区4上端面相接。
参照图1，本发明含NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管的结构是，包括衬底1，该衬底1的材料为n型SiC，该衬底1的厚度为100μm-1mm，该衬底1的上下端表面积为1μm2-2000cm2；
在衬底1上表面制作有n-SiC缓冲层2，该n-SiC缓冲层2的材料为n型SiC，该n-SiC缓冲层2的厚度为0.1μm-3.0μm，该n-SiC缓冲层2的上下端表面积为1μm2-2000cm2；
在n-SiC缓冲层2上表面制作有p-SiC缓冲层3，该p-SiC缓冲层3的材料为p型SiC，该p-SiC缓冲层3的厚度为0.1μm-3.0μm，该p-SiC缓冲层3的上下端表面积为1μm2-2000cm2；
在p-SiC缓冲层3上表面制作有p-SiC长基区4，该p-SiC长基区4的材料为p型SiC，该p-SiC长基区4的厚度为0.1μm-300μm，该p-SiC长基区4的上下端表面积为1μm2-2000cm2；
在p-SiC长基区4上表面制作有n-SiC短基区5，该n-SiC短基区5的材料为n型SiC，该n-SiC短基区5的厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm2-2000cm2；
在n-SiC短基区5上表面制作有p-NiO发射区6，p-NiO发射区6分为多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该p-NiO发射区6的材料为p型NiO，该p-NiO发射区6的厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm2-2000cm2；
还包括绝缘介质薄膜7，绝缘介质薄膜7覆盖在p-NiO发射区6的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-SiC短基区5上表面，绝缘介质薄膜7厚度为0.1μm-2μm；
在p-NiO发射区6的各个凸台上端面覆盖有阳极8，阳极8由阳极金属与阳极压焊块组成，阳极压焊块覆盖在阳极金属的上表面，厚度为0.1μm-100μm；
在衬底1下端面(背面)覆盖有阴极9，阴极9由阴极金属与阴极压焊块组成，阴极压焊块覆盖在阴极金属的下端面(背面)，厚度为0.1μm-100μm。
p-NiO发射区6的各个凸台为叉指结构、平行长条状、圆环形、正方形或渐开线形台面之一，或其组合形状，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-5.9μm，各凸台的高度不小于p-NiO发射区6的厚度。
上述的阳极金属、阴极金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料选用Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一，或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。
由于上述的p-NiO发射区6和n-SiC短基区5的设置，本发明碳化硅光触发晶闸管才具有阳极发射结空穴注入增强功能，称为含NiO/SiC异质发射结的SiC LTT。
实施例
下面以含NiO/SiC异质发射结的10kV 4H-SiC LTT为例，对本发明进行进一步的详细说明。
本实施例的主器件结构如图1所示，包括4H-SiC的衬底1，以及沉积在衬底1上表面的n-SiC缓冲层2、p-SiC缓冲层3、p-SiC长基区4，n-SiC短基区5、p-NiO发射区6、位于p-NiO发射区6上表面的阳极8、位于衬底1下端面的阴极9，以及覆盖在p-NiO发射区6的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-SiC短基区5表面的绝缘介质薄膜7。
该实施例的具有NiO/SiC异质发射结的4H-SiC LTT制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制作4H-SiC材质的衬底1，衬底1的厚度为300μm，掺杂类型为n型，掺杂浓度为2×1018cm-3；
步骤2、采用低压热壁化学气相淀积法在衬底1上表面依次生长n-SiC缓冲层2、p-SiC缓冲层3、p-SiC长基区4、n-SiC短基区5，形成用于4H-SiCLTT制作的外延结构；
n-SiC缓冲层2、p-SiC缓冲层3、p-SiC长基区4、n-SiC短基区5的掺杂类型、杂质浓度与厚度对应为n型/1×1018cm-3/1.0μm、p型/2×1017cm-3/2.0μm、p型/2×1014cm-3/80μm、n型/2×1017cm-3/2μm；
步骤3、采用磁控溅射法在n-SiC短基区5上表面生长p-NiO发射区6；p-NiO发射区6的掺杂类型、杂质浓度与厚度分别为p型/2×1018cm-3/1.0μm；
步骤4、在p-NiO发射区6上表面采用曝光技术，获得图形化表面；
步骤5、在图形化表面上进行干法刻蚀，形成平行长条状凸台，凸台宽8μm，各凸台间的间距为12μm，凸台的高度为1.1μm；
步骤6、在器件上表面采用化学气相淀积法生长绝缘介质薄膜7，绝缘介质薄膜7覆盖p-NiO发射区6的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-SiC短基区5表面，绝缘介质薄膜7的厚度为0.2μm；
步骤7、对绝缘介质薄膜7进行干法刻蚀，将凸台上表面的绝缘介质薄膜7去除，保留其他部分的绝缘介质薄膜7；
步骤8、在凸台上表面淀积阳极金属Ti/Ni；
步骤9、在衬底1下端面淀积阴极金属Ti/Ni；
步骤10、氩气保护下快速热退火，退火温度为1050℃，退火时间为200秒；
步骤11、在阳极金属上淀积阳极压焊块Al；
步骤12、在阴极金属上淀积阴极压焊块Ag，完成制备。
如图2所示，是本发明具有NiO/SiC异质发射结的能带结构，导带差(△EC)与价带差(△EV)分别为1.85eV和1.3eV，对于本发明NiO/SiC异质结，空穴电流(Ih)和电子电流(Ie)的比值为：
其中Lp2和Ln1表示空穴和电子的扩散长度，Dp2和Dn 1表示空穴和电子的扩散系数，p10和n20表示在热平衡状态下NiO和SiC的多子浓度。在忽略Dp2与Dn1,Lp2与Ln1差异的情况下，仅能带差异一项因素即可使NiO/SiC异质发射结的空穴注入能力较SiC同质结提高1.53×108倍。通过分析明显看出，本发明NiO/SiC异质发射结拥有更高的空穴注入能力，具有NiO/SiC异质发射结的SiC LTT开通性能得到显著改善。
Claims (1)
1.一种含NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管，其特征在于：包括衬底(1)，该衬底(1)的材料为n型SiC；
在衬底(1)上表面制作有n-SiC缓冲层(2)，该n-SiC缓冲层(2)的材料为n型SiC；
在n-SiC缓冲层(2)上表面制作有p-SiC缓冲层(3)，该p-SiC缓冲层(3)的材料为p型SiC；
在p-SiC缓冲层(3)上表面制作有p-SiC长基区(4)，该p-SiC长基区(4)的材料为p型SiC；
在p-SiC长基区(4)上表面制作有n-SiC短基区(5)，该n-SiC短基区(5)的材料为n型SiC；
在n-SiC短基区(5)上表面制作有p-NiO发射区(6)，p-NiO发射区(6)分为多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该p-NiO发射区(6)的材料为p型NiO；
p-NiO发射区(6)的侧壁覆盖有绝缘介质薄膜(7)；p-NiO发射区(6)之间裸露的n-SiC短基区(5)上表面与p-NiO发射区(6)的下表面平齐，位于p-NiO发射区(6)下方的n-SiC短基区(5)呈与p-NiO发射区(6)相同形状的凸台结构；p-NiO发射区(6)之间裸露的n-SiC短基区(5)上表面覆盖有绝缘介质薄膜(7)；
在p-NiO发射区(6)的各个凸台上端面覆盖有阳极(8)；
在衬底(1)下端面覆盖有阴极(9)，
所述的衬底(1)的厚度为100μm-1mm，该衬底(1)的上下端表面积为1μm2-2000cm2；n-SiC缓冲层(2)的厚度为0.1μm-3.0μm，该n-SiC缓冲层(2)的上下端表面积为1μm2-2000cm2；p-SiC缓冲层(3)的厚度为0.1μm-3.0μm，该p-SiC缓冲层(3)的上下端表面积为1μm2-2000cm2；p-SiC长基区(4)的厚度为0.1μm-300μm，该p-SiC长基区(4)的上下端表面积为1μm2-2000cm2；n-SiC短基区(5)的厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm2-2000cm2；p-NiO发射区(6)的厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm2-2000cm2，
所述的绝缘介质薄膜(7)厚度为0.1μm-2μm，
所述的阳极(8)由阳极金属与阳极压焊块组成，阳极压焊块覆盖在阳极金属的上表面，厚度为0.1μm-100μm，
所述的阴极(9)由阴极金属与阴极压焊块组成，阴极压焊块覆盖在阴极金属的下端面，厚度为0.1μm-100μm，
所述的p-NiO发射区(6)的各个凸台为叉指结构、平行长条状、圆环形、正方形或渐开线形台面之一，或其组合形状，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-5.9μm，各凸台的高度不小于p-NiO发射区(6)的厚度。
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