[发明专利]一种具有异质结结构的双极型功率半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有异质结结构的双极型功率半导体装置，本发明还涉及多种具有异质结结构的双极型功率半导体装置的制备方法，本发明的半导体装置主要用于高压大容量功率变换器。 

背景技术

经过将近二十年的研究和发展，以碳化硅(SiC)为代表的新型宽带隙器件无论是对其理论上的机制原理和实际的器件制造工艺而言，均已逐渐走向成熟，并开始接近实际应用的性能等级；而长时间占据半导体工业核心的硅材料器件的性能则已经趋向自身的理论特性极限，越来越难以满足和跟上电力电子功率变换场合不断提高的应用要求和新的技术变革趋势。 

伴随着新能源的广泛应用，对于功率器件的性能提出了更加严格的要求。相比传统的硅材料，目前涌现出的新型宽带隙功率器件具有更加优秀的高频、高耐压等功率变换场合极为需要的重要特性。 

目前，新型器件的应用最重要的例子即SiC-SBD的成功应用。凭借碳化硅材料高耐压能力和肖特基势垒二极管结构单极性工作无反向 恢复电流的特性，SiC-SBD在多种应用场合体现了巨大的优势，使得传统开关电源(SMPS)电路限制工作频率提高的很大部分原因从根本上得到了解决。而对于碳化硅材料的MOSFET、JFET、BJT等开关管，目前受限于晶片缺陷和稳定性问题，以及高昂的价格，应用依然有限。 

此外，目前SiC材料的开关管主要为单极型器件，即在器件电流导通过程中，单一类型的载流子其主导作用。这种形式的器件优点是器件外延不存在少子注入与存储，可以实现器件快速的开通与关断。然而，对于SiC器件，特别是高压SiC器件，单芯片电流容量与芯片有效区域面积一直是不可回避的矛盾。使用双极型器件结构可以很好的解决这一矛盾。与单极型器件不同的是，双极型器件在导通时外延区域存在显著的少子注入效应，带有不同电荷的载流子在漂移区形成了大密度的等离子体，能够显著减小器件的导通电阻，增加电流导通能力。不过，SiC双极型器件的开启电压较高，为3V左右。因此，器件导通时的导通压降很大。较高的开启电压是由SiC材料本身的宽禁带特性决定的，而使用基于SiC材料的异质结结构被认为可以较好的解决这一问题。 

本发明提出了一种具有异质结结构的双极型器件结构及制备方法。该方法工艺简单，具有良好的工艺可行性和兼容性，能够有效解决高压 SiC功率器件电流能力不高以及开启电压较大的问题。 

发明内容

本发明提出一种具有异质结结构的双极型功率半导体装置，其特征在于器件表面存在纵向或横向电流导通沟道，同时，电流垂直流过整个半导体器件； 

本发明提出一种具有异质结结构的双极型功率半导体装置，其特征在于器件导通过程中处于双极型导通模式，具有较大的电流导通能力； 

本发明提出一种具有异质结结构的双极型功率半导体装置，其特征在于使用异质结结构降低传统的SiC PN结势垒，使得器件具有较低的开启电压； 

附图说明

图1为实施本发明的一种半导体装置的第一步工艺截面图 

图2为实施本发明的一种半导体装置的第二步工艺截面图 

图3为实施本发明的一种半导体装置的第三步工艺截面图 

图4为实施本发明的一种半导体装置的第四步工艺截面图 

图5为实施本发明的一种半导体装置的第五步工艺截面图 

图6为实施本发明的一种半导体装置的第六步工艺截面图 

图7为实施本发明的一种半导体装置的第七步工艺截面图 

符号说明 

11  N⁺SiC衬底 

12  N^-SiC外延层 

13  N型SiC缓冲层 

14  P⁺掺杂Si外延层 

15  P型势垒井 

16  N型注入源极区域 

17  绝缘电介质 

18  门极电极 

19  发射极电极 

20  集电极电极 

具体实施方式

图7为为本发明的一种具有垂直沟道的半导体装置截面图，下面结合图7详细说明本发明的半导体装置。 

一种具有异质结结构的双极型半导体装置，包括：衬底层11，为N型SiC衬底，在衬底层11上生长外延层12，为N型SiC外延，外延掺杂浓度与外延厚度根据器件电压击穿等级确定；在N型SiC外延上继续生长SiC缓冲层13，为接下来的异质结生长做准备；在缓冲层13表面，生长P型掺杂的Si半导体材料，作为器件制备过程中的集电极。