TWI541998B - Silicon carbide interface energy barrier Schottky rectifier - Google Patents

Description

碳化矽接面能障蕭特基整流器

本發明為有關一種半導體元件，尤指一種碳化矽蕭特基整流器。

碳化矽具有寬能隙、優良的化學穩定性、導電性以及導熱性。功率元件被廣泛地應用在各種電力的交直流轉換上，要求低導通電阻、低漏電流、高擊穿電壓以及快速開關等特性以降低操作時產生的導通損失與切換損失。碳化矽因寬能隙而具備的高臨界崩潰電場，以及遠低於元件摻雜濃度的本徵載子濃度，使得碳化矽成為極具應用於高溫、高頻、大功率的功率元件材料。

例如在美國發明專利公開第US2006/0022292號中，即揭示一種碳化矽蕭特基能障二極體(Schottky Barrier Diode，簡稱SBD)之結構，其特徵在於藉由一基板及兩個或兩個以上的磊晶層，該磊晶層包括至少一輕度摻雜N型磊晶層及一設置於該輕度摻雜N型磊晶層之上且摻雜濃度更輕的N型磊晶層，如此，藉由優化兩個磊晶層之厚度及摻雜濃度，以減少該碳化矽蕭特基障壁二極體於電容及開關轉換之間的損失，並使其保持有較低的順向壓降(forward voltage drop) 及導通電阻。

然而，由於蕭特基能障二極體的順向壓降主要由陽極金屬層的功函數(work function)與碳化矽磊晶的電子親和力(electron affinity)的差值所形成的蕭特基能障所決定，為求低的順向壓降，通常會選擇功函數較低的金屬以形成低的蕭特基能障，然而蕭特基能障在反向偏壓時會隨著電場變大而產生能障減低(barrier lowering)的現象，造成很大的漏電流。

本發明的主要目的，在於解決習知的蕭特基障壁二極體，操作在逆向偏壓時，具有很大的漏電流的問題。

為達上述目的，本發明提供一種碳化矽接面能障蕭特基整流器，包含有一碳化矽基板、一漂移層、一p型摻雜區域、複數個接面場效應區域、一第一金屬層以及一第二金屬層。

該碳化矽基板具有n型重摻雜，並包含一第一表面以及一相對的第二表面；該漂移層設置於該第一表面，並且有一n型摻雜以及一遠離該第一表面的第三表面；該p型摻雜區域設置於該漂移層內並接觸該第三表面；該接面場效應區域設置於該漂移層內，且由該p型摻雜區域環繞而接觸該第三表面，該接面場效應區域各包含N個圓區域以及(N-1)個連接於兩該圓區域之間的連接區域，N為一自然數；該第一金屬層設置於該第三表面，並與該接面場效應區域之間形成一蕭特基能障；而該第二金屬層則設置於該第二表面，並與該碳化矽基板之間形成一歐姆接觸。

如此一來，本發明藉由於該漂移層設置該接面場效應區域，令該p型摻雜區域環繞該接面場效應區域以形成N個該圓區域以及(N-1)個連接於兩該圓區域之間的該連接區域，使得各該接面場效應區域於該碳化矽接面能障蕭特基整流器操作於逆向偏壓時，得以利用該圓區域以及該連接區域有效降低漏電流，改善習知的蕭特基障壁二極體具有較大漏電流的問題。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請搭配參閱『圖1A』、『圖1B』及『圖2』所示，『圖1A』為本發明第一實施例的外觀立體分解示意圖，『圖1B』為『圖1A』的局部剖面示意圖，『圖2』為本發明第一實施例漂移層的俯視示意圖，如圖所示：本發明為一種碳化矽接面能障蕭特基整流器，包含有一碳化矽基板10、一漂移層20、一p型摻雜區域40、複數個接面場效應區域50、一第一金屬層30以及一第二金屬層60。

該碳化矽基板10在此可藉由將碳化矽結晶切割為特定之厚度而得，亦可使用市售之碳化矽基板10，亦可將碳化矽結晶生長於任一基板上而得，只要具有由碳化矽結晶而成之表面的基板，並不加以特別限制，該碳化矽基板10具有n型重摻雜，且電阻率(resistivity)小於0.1Ω.cm，並具有一第一表面11以及一相對遠離該第一表面11的第二表面12；該漂移層20設置於該第一表面11，在此為使用磊晶技術成長而成，其材質可為碳化矽，且該漂移層20具有n型摻雜，摻雜濃度為介於1E+14 cm ^-3與1E+17cm ^-3之間，該漂移層20並具有一遠離該第一表面11的第三表面21。

該p型摻雜區域40為設置於該漂移層20內，在此為使用離子佈植技術而形成，所摻雜的材料可為鋁或硼，並且，該p型摻雜區域40具有一大於該漂移層20的摻雜濃度，介於1E+17 cm ^-3與1E+20 cm ^-3之間。而該接面場效應區域50，設置於該漂移層20內並接觸該第三表面21，且彼此之間由該p型摻雜區域40環繞而間隔，於本實施例中，該接面場效應區域50與該p型摻雜區域40之間的面積比為介於4：6至9：1之間。

至於該第一金屬層30設置於該第三表面21，該第一金屬層30與該接面場效應區域50之間形成一蕭特基能障，其材質可為鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢或上述材料所形成的矽化物。而該第二金屬層60則設置於該第二表面12，該第二金屬層60與該碳化矽基板10之間形成一歐姆接觸，其材質可為鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢、金、銀或上述材料所形成的矽化物。

在本發明中，要特別說明的是，該接面場效應區域50，受到該p型摻雜區域40的環繞而彼此之間相互間隔，其各包含N個圓區域51以及(N-1)個連接區域52，N在實施例中以2為舉例，但本發明不以此為限制，於本發明其他實施例中，N還可為大於2的一自然數。該連接區域52為連接於兩個該圓區域51之間，而由連接兩個該圓區域51的兩弧邊所形成，並且其中至少一該弧邊為內凹，該弧邊與兩個該圓區域51在連接處的切線斜率相同，而使得該連接區域52於垂直兩該圓區域51圓心之連接線的一縱方向具有一寬度，該寬度小於該圓區域51的一直徑，令該接面場效應區域50由該兩個圓區域51朝向該連接區域52漸縮，而於該連接區域52具有最小的該寬度。

如此，本發明以該p型摻雜區域40於該接面場效應區域50圍繞出該圓區域51，以及連接於兩個該圓區域51之間的該連接區域52，可增加該接面場效應區域50與該第一金屬層30所形成之蕭基接觸的面積，而該碳化矽接面能障蕭特基整流器在逆向偏壓下，仍可形成均勻的空乏區，將有效屏蔽位於蕭基接觸處的表面電場，而降低漏電流。

尚需說明的是，於本實施例中，以該連接區域52連接於兩個該圓區域51之間，使得該接面場效應區域50具有一類似護目鏡(goggles)的外形為舉例，但本發明並不以此為限制，主要以進一步於兩個該圓區域51之間增加蕭基接觸的面積即可。

請搭配參閱『圖3A』以及『圖3B』，『圖3A』為本發明於0伏特偏壓下的空乏寬度示意圖，『圖3B』為本發明於一半額定電壓之偏壓下的空乏寬度示意圖，如『圖3A』所示，在本發明中，令該第一金屬層30形成一陽極，該第二金屬層60形成一陰極，當一為0伏特的偏壓施加於該陽極與該陰極之間時，將於該接面場效應區域50沿著該p型摻雜區域40產生一pn接面所形成的空乏區域80，該空乏區域80於該p型摻雜區域40與該漂移層20之間，具有一空乏寬度W1，該空乏寬度W1係由所使用之該漂移層20的摻雜濃度與該p型摻雜區域40的濃度所決定，其中該圓區域51的半徑大於該空乏寬度 W1。又如『圖3B』所示，當於該陽極與該陰極之間施以一偏壓時，此時該p型摻雜區域40與該漂移層20所形成的pn接面將處於逆向偏壓，pn接面所形成的空乏區寬度隨著逆向偏壓的上升而增加。當逆向偏壓達一額定電壓(rated blocking voltage)之一半時，該空乏區域80具有另一空乏寬度W2，該空乏寬度W2大於該圓區域51的一半徑。

請參閱『圖4』所示，為本發明第一實施例與習知蕭特基障壁二極體於逆向偏壓下的元件模擬電性示意圖，於第一實施例中，所使用的該漂移層20厚度為11μm，摻雜濃度為6E+15 cm ^-3，該第一金屬層30的材質為鈦。該p型摻雜區域40的摻雜濃度為1E+19 cm ^-3，其與該漂移層20在無偏壓下(0V)的該空乏區域80的寬度為0.7μm，目標額定電壓為1200V，在額定電壓50%的逆向偏壓600V下的該空乏區域80的寬度為10.4μm，模擬中所使用之該接面場效應區域50的寬度為3μm。從『圖4』中可知，在施予相同的逆向偏壓(Reverse Bias)下，在約於2300V以下時，本發明的該碳化矽接面能障蕭特基整流器(Junction Barrier Schottky Rectifier，JBS)，相較習知的蕭特基障壁二極體(Schottky Barrier Diode，SBD)，具有一較小的漏電流，顯示該接面場效應區域50有效抑止該漏電流的產生。接著，請參閱『圖5』所示，為本發明第一實施例與習知蕭特基障壁二極體於順向偏壓下的電性示意圖，從『圖5』中可知，在施予相同的順向偏壓(forward voltage)下，本發明的該碳化矽接面能障蕭特基整流器，相較習知的蕭特基障壁二極體(SBD)，在該p型摻雜區域40的作用下，具有一較小的順向電流，這是由於蕭基能障低於pn接面的內建電位 (built-in potential)，因而在一般的順向操作電壓(通常小於2V)下，只有蕭基能障導通，故蕭基接觸所占的面積比例與順向導通的電流密度成正比。換言之，藉由該連接區域52的設置，可增加元件中蕭基接觸所佔的面積比例而增加順向導通電流密度。

請搭配參閱『圖6A』及『圖6B』所示，為本發明第二實施例第三金屬的設置示意圖，在第二實施例中，相較於第一實施例，更包含複數個第三金屬層70，由『圖6B』觀之，該第三金屬層70設置於該第三表面21並介於該p型摻雜區域40與該第一金屬層30之間，該第三金屬層70與該p型摻雜區域40之間形成一歐姆接觸，其材質可為鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢或上述材料所形成的矽化物，再由『圖6A』觀之，該接面場效應區域50更包含一第一接面場效應區域501以及一與該第一接面場效應區域501併排的第二接面場效應區域502，該第一接面場效應區域501具有一第一連接區域521，該第二接面場效應區域502具有一相對該第一連接區域521的第二連接區域522，該第一接面場效應區域501與該第二接面場效應區域502彼此相面對，該第一連接區域521與該第二連接區域522彼此相面對，其中，該第一連接區域521與該第二連接區域522具有較小之寬度，而使該第一連接區域521與該第二連接區域522之間具有較大的該p型摻雜區域40，而易於在其上形成該第三金屬層70。該第三金屬層70可位於該第一接面場效應區域501與該第二接面場效應區域502之間，例如為該第一連接區域521與該第二連接區域522之間，或者是該第一接面場效應區域501與該第二接面場效應區域502之間於排列上的一空位處。

在如此的設置下，請搭配參閱『圖7』所示，為本發明第二實施例與習知蕭特基障壁二極體於順向偏壓下的電性示意圖，從『圖7』中可知，習知蕭特基障壁二極體(SBD)，在較低的順向偏壓時，具有較大的順向電流。但是隨著順向偏壓提高，蕭特基障壁二極體(SBD)相較第二實施例的該碳化矽接面能障蕭特基整流器(JBS)，順向電流較早即達到飽和狀態，顯示第二實施例的該碳化矽接面能障蕭特基整流器，藉由該歐姆接觸的形成，能承受一較大的突波電流(surge current)，具有較好的元件耐用性(ruggedness)。

綜上所述，由於本發明於該漂移層設置該p型摻雜區域以及該接面場效應區域，令該p型摻雜區域圍繞並間隔各該接面場效應區域，利用該圓區域以及該連接區域的幾何特性，使得該碳化矽接面能障蕭特基整流器操作於逆向偏壓時，能有效降低漏電流，改善習知的蕭特基障壁二極體具有較大漏電流的問題，再者，本發明還藉由設置該第三金屬層形成該歐姆接觸，提高該碳化矽接面能障蕭特基整流器的元件耐用性，因此本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈  鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10‧‧‧碳化矽基板
11‧‧‧第一表面
12‧‧‧第二表面
20‧‧‧漂移層
21‧‧‧第三表面
30‧‧‧第一金屬層
40‧‧‧p型摻雜區域
50‧‧‧接面場效應區域
501‧‧‧第一接面場效應區域
502‧‧‧第二接面場效應區域
51‧‧‧圓區域
52‧‧‧連接區域
521‧‧‧第一連接區域
522‧‧‧第二連接區域
60‧‧‧第二金屬層
70‧‧‧第三金屬層
80‧‧‧空乏區域
W1、W2‧‧‧空乏寬度

圖1A，為本發明第一實施例的外觀立體分解示意圖。 圖1B，為圖1A的局部剖面示意圖。 圖2，為本發明第一實施例漂移層的俯視示意圖。 圖3A，為本發明於0伏特偏壓下的空乏寬度示意圖。 圖3B，為本發明於一半額定電壓之偏壓下的空乏寬度示意圖。 圖4，為本發明第一實施例與習知蕭特基障壁二極體於逆向偏壓下的電性示意圖。 圖5，為本發明第一實施例與習知蕭特基障壁二極體於順向偏壓下的電性示意圖。 圖6A及圖6B，為本發明第二實施例第三金屬的設置示意圖。 圖7，為本發明第二實施例與習知蕭特基障壁二極體於順向偏壓下的電性示意圖。

10‧‧‧碳化矽基板

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

20‧‧‧漂移層

21‧‧‧第三表面

30‧‧‧第一金屬層

40‧‧‧p型摻雜區域

50‧‧‧接面場效應區域

60‧‧‧第二金屬層

Claims (12)

1. 一種碳化矽接面能障蕭特基整流器，包含有： 一具有n型重摻雜的碳化矽基板，該碳化矽基板包含一第一表面以及一相對的第二表面； 一設置於該第一表面並且有一n型摻雜的漂移層，該漂移層具有一遠離該第一表面的第三表面； 一設置於該漂移層內並接觸該第三表面的p型摻雜區域； 複數個設置於該漂移層內且由該p型摻雜區域環繞而接觸該第三表面的接面場效應區域，該接面場效應區域各包含N個圓區域以及(N-1)個連接於兩該圓區域之間的連接區域，N為一自然數； 一設置於該第三表面的第一金屬層，該第一金屬層與該接面場效應區域之間形成一蕭特基能障；以及 一設置於該第二表面的第二金屬層，該第二金屬層與該碳化矽基板之間形成一歐姆接觸。
2. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該連接區域是由連接該圓區域的兩弧邊所形成，其中至少一該弧邊為內凹。
3. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該連接區域於垂直兩該圓區域圓心之連接線的一縱方向具有一寬度，該寬度小於該圓區域的一直徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中N為2。
5. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中更包含複數個設置於該第三表面並介於該p型摻雜區域與該第一金屬層之間的第三金屬層，該第三金屬層與該p型摻雜區域之間形成一歐姆接觸。
6. 如申請專利範圍第5項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該第三金屬層的材質為選自鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢以及其矽化物所組成的群組。
7. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該第一金屬層的材質為選自鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢以及其矽化物所組成的群組。
8. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該第二金屬層的材質為選自鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢、金、銀以及其矽化物所組成的群組。
9. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該接面場效應區域與該p型摻雜區域的面積比為介於4：6至9：1之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該第一金屬層形成一陽極，該第二金屬層形成一陰極，一為0伏特的偏壓施加於該陽極與該陰極之間時，該p型摻雜區域與該漂移層之間具有一空乏寬度(W1)，該空乏寬度(W1)小於該圓區域的一半徑。
11. 如申請專利範圍第1項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該第一金屬層形成一陽極，該第二金屬層形成一陰極，一為額定電壓之一半的偏壓施加於該陽極與該陰極之間時，該p型摻雜區域與該漂移層之間具有一空乏寬度(W2)，該空乏寬度(W2)大於該圓區域的一半徑。
12. 如申請專利範圍第2項所述的碳化矽接面能障蕭特基整流器，其中該弧邊與該圓區域在連接處的切線斜率相同。