[发明专利]一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关及其制造方法有效

专利信息
申请号: 201310285893.4 申请日: 2013-07-08
公开(公告)号: CN103367140A 公开(公告)日: 2013-10-23
发明(设计)人: 梁琳;魏铨 申请(专利权)人: 华中科技大学
主分类号: H01L21/329 分类号: H01L21/329;H01L29/861;H01L29/06
代理公司: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 朱仁玲
地址: 430074 湖北*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 碳化硅 脉冲 功率 半导体 开关 及其 制造 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于半导体开关技术领域,更具体地,涉及一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关及其制造方法。

背景技术

大功率超高速的反向开关晶体管(RSD,Reversely Switched Dynistor)最初由俄罗斯科学院的Grekhov I V教授等人提出,该器件可同时实现数百kA大电流、数十kV高电压和微秒级的开通速度,并且经过二十多年的发展,其包括通流能力、开关速度在内的各项指标均已大大提高。据俄罗斯最新报道的应用RSD的1MJ电容储能模块中,其输出电流脉冲的最大幅值可高达800KA,上升时间为150μs。正是基于RSD的以上特点,将其作为脉冲功率的半导体开关获得了广泛应用。

随着技术的进一步发展,对RSD的性能也提出了更高的要求,特别是随着电压等级的提高,RSD串联的数量也需要增加,相应增加了系统的复杂性和装置的体积,同时扩大了不稳定因素;此外,随着开关重复频率的提高,对RSD的开关速度和散热能力等方面也提出了更高要求。为此,现有技术中从结构上提出了基于硅的RSD的透明阳极结构和缓冲层结构,从工艺采取少子寿命控制,此外从电路上提出两步法开通电路,以此方式来提高器件开关速度,同时降低RSD开通损耗,以上方法可以较好地协调RSD的通态、断态和开关特性。

然而,进一步的研究表明,对于基于硅的RSD脉冲功率半导体而言,由于硅限的存在,在通态特性和断态特性之间折中会受到硅材料的限制,使得总体性能存在极限,提高通态特性会对断态特性带来损失,而提高断态特性也会对通态特性带来损失。在此情况下,在本领域中亟需寻找更为完善的脉冲功率半导体开关及其制备方法,以便在解决现有技术上述问题的同时,获得更高综合性能的脉冲功率开关产品。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关及其制造方法,其中通过采用碳化硅材料来制作半导体开关的组件并对其具体设置方式、规格参数等进行设计,可以从材料特性上提高器件的整体性能,使器件的阻断、通态和开关特征之间具有更大的折衷空间,降低高重频条件下的散热要求,同时提高高温条件下的可靠性。

按照本发明的一个方面,提供了一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:

(a)选择碳化硅作为N+衬底,并在该N+衬底上外延生长P基区;

(b)在P基区上外延生长掺氮的N基区,然后在该N基区上继续外延生长掺铝的P+发射区;

(c)对通过步骤(b)所获得的P+发射区执行选择性光刻,蚀刻去除P+区表面上需要注入N+离子的部分并形成多个彼此间隔的凹陷区域;对应于这些凹陷区域选择性注入N+离子直至进入所述N基区,由此在整个端面上形成P+N+区交替排列的结构;

(d)在通过步骤(c)所形成的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极,并在阳极一端执行台面造型然后对所形成的台面造型进行钝化保护,由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程;或者是首先对形成有P+N+区交替排列结构的端面执行台面造型并对此台面造型进行钝化保护,然后分别在所获得的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极,由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程。

作为进一步优选地,在步骤(a)中,所述外延生长的温度被控制为1650℃~1850℃,所述P基区的浓度被控制为1016/cm3~1019/cm3,其厚度被控制为1μm~10μm。

作为进一步优选地,在步骤(b)中,所述掺氮的N基区的掺杂浓度被控制为1014/cm3~1016/cm3,厚度为10μm~50μm;所述掺铝的P+发射区的掺杂浓度被控制为1018/cm3~1019/cm3,厚度为1μm~6μm。

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