CN109346517A - 一种碳化硅mos栅控晶闸管 - Google Patents
一种碳化硅mos栅控晶闸管 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109346517A CN109346517A CN201811363167.9A CN201811363167A CN109346517A CN 109346517 A CN109346517 A CN 109346517A CN 201811363167 A CN201811363167 A CN 201811363167A CN 109346517 A CN109346517 A CN 109346517A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- well region
- buffer layer
- injection
- type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 11
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
- H01L29/744—Gate-turn-off devices
- H01L29/745—Gate-turn-off devices with turn-off by field effect
- H01L29/7455—Gate-turn-off devices with turn-off by field effect produced by an insulated gate structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Thyristors (AREA)
Abstract
本发明涉及功率半导体技术，特别涉及一种碳化硅MOS栅控晶闸管。本发明对常规碳化硅MCT的阴极区进行改造，通过在P+场截止层下增加一层N‑IEB层，由于N型注入增强缓冲层掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率。且由于在N型衬底与N型注入增强缓冲层之间由于浓度差会产生内建电场，其方向由N型衬底指向N型注入增强缓冲层，阻止少子空穴由N型注入增强缓冲层层向N型衬底扩散，从而降低少子空穴扩散电流，进而也增大了阴极注入效率。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种碳化硅MOS栅控晶闸管
背景技术
脉冲功率技术在国防科研和高新技术等领域有着极为重要的应用，而且现在应用范围向着工业和民用领域拓展。MOS栅控晶闸管是应用在脉冲功率技术中的一种重要的脉冲功率器件。
MOS栅控晶闸管(MOS Controlled Thyristor，简称MCT)是一种由功率MOSFET与晶闸管组合而成的混合型电力电子器件,它具有MOSFET结构用控制器件的开启和关断，并利用了晶闸管导通时向漂移区注入大量载流子的特点。因此MCT具有晶闸管良好的导通特性以及较高的抗dv/dt能力，同时具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点,因而主要应用于电力电子和功率脉冲领域。硅基MCT在一些大电流高功率密度的系统中需要并联使用，增大了系统的体积和能耗。硅基MCT的电压阻断能力、dv/dt及di/dt能力已接近其理论极限。相比于Si材料，宽禁带SiC材料具有更高的禁带宽度、饱和载流子速度、临界击穿电场和热导率，使得SiC材料MCT的性能大大优于Si基MCT。但是，由于目前工艺水平及材料性质的限制，SiC材料的载流子迁移率和载流子寿命较低，从而使得常规的SiC的MCT器件阴极注入效率较低，器件导通电阻较大，限制了器件的性能的提高。而对于MCT等绝大部分功率器件而言，降低导通损耗尤为重要。
发明内容
本发明的目的，就是针对目前常规碳化硅MOS栅控晶闸管的P型阴极注入效率低、正向导通电阻较大的问题，提出一种碳化硅MOS栅控晶闸管。
本发明的技术方案：一种碳化硅MOS栅控晶闸管，如图2所示，一种碳化硅MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的阴极金属1、N+衬底层11、N+衬底缺陷抑制缓冲层12、P+场截止层3和P-漂移区4；所述P-漂移区4上层具有N阱区5，N阱区5上层具有P阱区6，P阱区6上层具有并列设置的P+欧姆接触区8和N+区7，其中P+欧姆接触区8位于外侧；在P+欧姆接触区8上表面和部分N+区7上表面具有金属层9，在N+区7剩余部分的表面具有氧化层10，且氧化层10沿器件表面向远离金属层9一侧延伸，依次覆盖P阱区6、N阱区5和P-漂移区4的表面，在位于覆盖P阱区6、N阱区5和P-漂移区4表面的氧化层10上层，具有栅极金属14；
其特征在于，所述P+场截止层3与N+衬底缺陷抑制缓冲层12之间还具有N-注入增强缓冲层13，所述N-注入增强缓冲层13的掺杂浓度低于P+场截止层3的掺杂浓度，用于增加阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大阴极注入效率
进一步的，其特征是-注入增强缓冲层13厚度范围为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm-3。
所述N型衬底2包括N+衬底缺陷抑制缓冲层12与N+衬底层11；N-注入增强缓冲层13的具体实现方式包括但不仅限于以下两种，第一种是在N型衬底2上面直接外延生长N-注入增强缓冲层13；第二种是通过改变N型衬底2中N-衬底缺陷抑制缓冲层12的外延条件，达到N-注入增强缓冲层13所需的掺杂浓度及厚度，如图4所示。同时N+衬底可以使用CMP(化学机械抛光)等手段缩短。
对于N型MCT其特征与P型相同，掺杂类型相反。
本发明的有益效果为，本发明对常规碳化硅MCT的阴极区进行改造，通过在P+场截止层3下增加一层N-IEB层(N type-Injection Enhanced Buffer layer，N型注入增强缓冲层)13，由于N型注入增强缓冲层13掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率。且由于在N型衬底2与N型注入增强缓冲层13之间由于浓度差会产生内建电场，其方向由N型衬底2指向N型注入增强缓冲层13，阻止少子空穴由N型注入增强缓冲层层13向N型衬底2扩散，从而降低少子空穴扩散电流，进而也增大了阴极注入效率。以上两点原因增大了阴极注入效率，从而增大了N阱区、P型漂移区结构与N型阴极结构构成的NPN三极管的电流放大倍数，进而降低了器件在导通时的导通电阻，降低了器件功耗。
附图说明
图1是常规SiC MCT元胞结构示意图；
图2是本发明的SiC MCT元胞结构的第一种实现方案示意图；
图3是本发明的SiC阳极短路MCT元胞结构示意图；
图4是本发明的SiC MCT元胞结构的第二种实现方案示意图；
图5是本发明的SiC MCT元胞结构的第三种实现方案示意图；
图6是本发明的SiC MCT元胞结构的第四种实现方案示意图；
图7本发明的SiC MCT与常规SiC MCT的正向导通特性仿真对比图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
如图2所示，本发明的碳化硅MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括阳极结构、栅极结构、漂移区结构和阴极结构；对于P型碳化硅MOS栅控晶闸管，其所属阳极结构包括P+欧姆接触区8和其右侧的N+7，以及P+欧姆接触区8和N+区7上表面的金属层9；所述的栅极结构主要包括了N阱区5、P阱区6、N阱上方的氧化层10以及栅极金属14，阳极结构中的N+区7和P+欧姆接触区8在P阱区6之内，P阱区6在N阱区内部5，栅极金属14和氧化层10覆盖在N+区7、P阱区6和N阱区6上方；所述漂移区结构包括P-漂移区4和在其下方的P+场截止层3；所述的阴极结构主要位于P+场截止层3的下方，从上往下依次包括了N-注入增强缓冲层(N-IEB层)13、N型衬底2和阴极金属1，相较于传统的阴极结构增加了一层N-注入增强缓冲层(N-IEB层)13，其特征是N型掺杂的碳化硅外延层，厚度范围为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm-3。
所述N型衬底2包括N+衬底缺陷抑制缓冲层12与N+衬底层11；
所述N-注入增强缓冲层13的具体实现方式包括但不仅限于以下两种，第一种是在N+衬底2上面直接外延生长N-注入增强缓冲层13；第二种是通过改变N+衬底2中N-衬底缺陷抑制缓冲层12的外延条件，达到N-注入增强缓冲层13所需的掺杂浓度及厚度，如图3所示。同时N+衬底可以使用CMP(化学机械抛光)等手段缩短，缩短后的示意图如图5和图6所示。对于N型MCT其特征与P型相同，掺杂类型相反。
如图1所示，为常规的碳化硅MCT，这里的N+衬底缺陷抑制缓冲层12是为了防止N+衬底层11表面的缺陷影响外延层质量而预先外延生长的一层缓冲层，其掺杂浓度一般都在1×1018cm-3量级左右且厚度在1～5μm左右。本发明与常规碳化硅MCT结构不同的地方在于，本发明对阴极区进行了改造，在常规的器件阴极结构上增加了一层掺杂浓度比N+衬底与常规N+衬底缺陷抑制缓冲层都要低的N型外延层，即N-IEB层(N type-Injection EnhancedBuffer layer，N型注入增强缓冲层)。如图2所示，N-IEB层13可以由N+衬底缺陷抑制缓冲层11的上面进行外延生长得到，能起到作用的厚度范围一般为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm-3，要取得更好的效果需要在此范围内进行优化。对于常规P型碳化硅MCT，由于N衬底掺杂浓度较大，少数载流子寿命及迁移率较低，所以阴极注入效率较低，而本发明由于N-IEB层13的存在，N-IEB层掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率，降低了器件导通电阻，同时增大了器件的跨导。本发明碳化硅MCT的N-IEB层采用外延工艺，工艺实现较为简单。
本发明提供的碳化硅MCT，其工作原理如下：
在图2所示的元胞结构中，由于N-IEB层13掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率。且由于在N+衬底2与N-IEB层13之间由于浓度差会产生内建电场，其方向由N+衬底2指向N-IEB层13，阻止少子空穴由N-IEB层13向N+衬底2扩散，从而降低少子空穴扩散电流，进而也增大了阴极注入效率。以上两点原因增大了阴极注入效率，从而增大了N型门极、P型漂移区与N型阴极构成的NPN三极管的电流放大倍数，进而降低了器件在导通时的导通电阻，降低了器件功耗。
以P型漂移区宽度55μm的常规碳化硅MCT与本发明的碳化硅MCT(N-IEB层取厚度7μm，掺杂浓度1e17cm-3)为例，仿真比较了其输出特性，如图7所示，在器件开启时，本发明碳化硅MCT导通压降明显小于常规碳化硅MCT。
Claims (2)
1.一种碳化硅MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的阴极金属(1)、N+衬底层(11)、N+衬底缺陷抑制缓冲层(12)、P+场截止层(3)和P-漂移区(4)；所述P-漂移区(4)上层具有N阱区(5)，N阱区(5)上层具有P阱区(6)，P阱区(6)上层具有并列设置的P+欧姆接触区(8)和N+区(7)，其中P+欧姆接触区(8)位于外侧；在P+欧姆接触区(8)上表面和部分N+区(7)上表面具有金属层(9)，在N+区(7)剩余部分的表面具有氧化层(10)，且氧化层(10)沿器件表面向远离金属层(9)一侧延伸，依次覆盖P阱区(6)、N阱区(5)和P-漂移区(4)的表面，在位于覆盖P阱区(6)、N阱区(5)和P-漂移区(4)表面的氧化层(10)上层，具有栅极金属(14)；
其特征在于，所述P+场截止层(3)与N+衬底缺陷抑制缓冲层(12)之间还具有N-注入增强缓冲层(13)，所述N-注入增强缓冲层(13)的掺杂浓度低于P+场截止层(3)的掺杂浓度，用于增加阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大阴极注入效率。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOS栅控晶闸管，其特征在于，所述N-注入增强缓冲层(13)厚度范围为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm-3。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811363167.9A CN109346517B (zh) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 一种碳化硅mos栅控晶闸管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811363167.9A CN109346517B (zh) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 一种碳化硅mos栅控晶闸管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109346517A true CN109346517A (zh) | 2019-02-15 |
| CN109346517B CN109346517B (zh) | 2021-06-08 |
Family
ID=65315653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811363167.9A Active CN109346517B (zh) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 一种碳化硅mos栅控晶闸管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109346517B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110783400A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-02-11 | 西安电子科技大学 | 一种基于双mos栅控的p型碳化硅晶闸管及其制备方法 |
| CN110896102A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-03-20 | 西安电子科技大学 | 一种基于双mos栅控的n型碳化硅晶闸管及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100078765A1 (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-01 | Infineon Technologies Austria Ag | Power semiconductor |
| CN103035693A (zh) * | 2012-11-06 | 2013-04-10 | 上海华虹Nec电子有限公司 | 场截止型绝缘栅双极晶体管及其制造方法 |
| CN103748684A (zh) * | 2011-05-16 | 2014-04-23 | 科锐 | 以负斜角封端的具有高阻断电压的碳化硅器件 |
| TW201545343A (zh) * | 2014-05-30 | 2015-12-01 | Alpha & Omega Semiconductor | 半導體基板結構、半導體功率元件及改善半導體功率元件中之注入控制方法 |
-
2018
- 2018-11-15 CN CN201811363167.9A patent/CN109346517B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100078765A1 (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-01 | Infineon Technologies Austria Ag | Power semiconductor |
| CN103748684A (zh) * | 2011-05-16 | 2014-04-23 | 科锐 | 以负斜角封端的具有高阻断电压的碳化硅器件 |
| CN103035693A (zh) * | 2012-11-06 | 2013-04-10 | 上海华虹Nec电子有限公司 | 场截止型绝缘栅双极晶体管及其制造方法 |
| TW201545343A (zh) * | 2014-05-30 | 2015-12-01 | Alpha & Omega Semiconductor | 半導體基板結構、半導體功率元件及改善半導體功率元件中之注入控制方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110783400A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-02-11 | 西安电子科技大学 | 一种基于双mos栅控的p型碳化硅晶闸管及其制备方法 |
| CN110896102A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-03-20 | 西安电子科技大学 | 一种基于双mos栅控的n型碳化硅晶闸管及其制备方法 |
| CN110896102B (zh) * | 2019-11-04 | 2021-03-30 | 西安电子科技大学 | 一种基于双mos栅控的n型碳化硅晶闸管及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109346517B (zh) | 2021-06-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100388509C (zh) | 功率半导体器件 | |
| CN102364688B (zh) | 一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管 | |
| CN105742346B (zh) | 双分裂沟槽栅电荷存储型rc-igbt及其制造方法 | |
| CN104538440B (zh) | 一种缓冲层荷电resurf hemt器件 | |
| CN107507861B (zh) | 肖特基接触注入增强型SiC PNM-IGBT器件及其制备方法 | |
| CN107482059A (zh) | 一种GaN异质结纵向逆导场效应管 | |
| CN105789289B (zh) | 一种双向igbt器件及其制造方法 | |
| CN107808899A (zh) | 具有混合导电模式的横向功率器件及其制备方法 | |
| CN111146274B (zh) | 一种碳化硅沟槽igbt结构及其制造方法 | |
| CN109904155A (zh) | 一种集成高速反向续流二极管的碳化硅mosfet器件 | |
| CN105870178A (zh) | 一种双向igbt器件及其制造方法 | |
| CN110896102B (zh) | 一种基于双mos栅控的n型碳化硅晶闸管及其制备方法 | |
| CN109346517A (zh) | 一种碳化硅mos栅控晶闸管 | |
| CN103956381B (zh) | 一种mos栅控晶闸管 | |
| CN107994072A (zh) | 一种带有屏蔽栅的载流子储存层igbt器件 | |
| CN107393954B (zh) | 一种GaN异质结纵向场效应管 | |
| CN109860171A (zh) | 集成高速反向续流二极管的双极型碳化硅半导体功率器件 | |
| CN102194864B (zh) | 一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管 | |
| CN113270492A (zh) | 一种沟槽型GaN绝缘栅双极型晶体管 | |
| CN110534567B (zh) | 一种碳化硅门极可关断晶闸管 | |
| CN109065608A (zh) | 一种横向双极型功率半导体器件及其制备方法 | |
| CN111129137B (zh) | 具有NiO/SiC pn异质结的SiC绝缘栅双极晶体管 | |
| CN110504313B (zh) | 一种横向沟槽型绝缘栅双极晶体管及其制备方法 | |
| CN109065614A (zh) | 一种碳化硅门极可关断晶闸管 | |
| CN113540224B (zh) | 一种N衬底沟槽型GaN绝缘栅双极型晶体管 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |