[发明专利]一种基于碳化硅的半导体断路开关及其制备方法

说明书

技术领域

本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半导体断路开关及其制备方法。

背景技术

半导体断路开关SOS(Semiconductor Opening Switch)是一种新型固体开关器件，最初是1991年俄罗斯电物理所的S.K.Lyubutin等人在利用高压二极管(SDL)作整流实验时发现的，使具有一定持续时间的正向电流和反向电流(电流密度高达几十kA/cm²，电流通过时间为几百个ns)通过p⁺-p-n-n⁺结构的半导体，反向电流的衰减时间降到了几十个ns。这种大电流密度在纳秒级时间内截断的现象被称为SOS效应。基于SOS开关的紧凑型全固态高重复频率脉冲功率源具有体积小、重量轻、造价低、寿命长等优点，在高重复频率和高能量传递效率方面有着巨大的发展潜力，相对同等功率水平的以高压气体开关为基础的脉冲功率源有很大竞争力。

然而，进一步的研究表明，对于基于硅的SOS半导体断路开关而言，其截断阻抗、截断时间、电压增益、输出脉冲半高宽以及能量传递效率等参数的优化存在局限，泵浦特性和断态特性之间折中受到硅材料的限制，使得总体性能存在极限，提高泵浦特性会对断态特性带来损失，而提高断态特性也会对泵浦特性带来损失；在此情况下，在本领域中亟需寻找更为完善的半导体断路开关及其制备方法，以便解决现有技术的上述问题，获得更高综合性能的半导体断路开关。

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半导体断路开关及其制备方法，采用碳化硅材料来制作半导体断路开关，提高器件的泵浦、关断和开关特征之间的折衷空间。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于碳化硅的半导体断路开关的制备方法，包括下列步骤：

(1)以碳化硅为N⁺衬底，在N⁺衬底上外延生长掺磷的N基区，并在N基区上外延生长掺铝的P基区，获得第一中间件；

(2)在该第一中间件的P基区上外延生长掺硼的重掺杂P⁺区，获得第二中间件；

(3)在第二中间件的N⁺衬底与重掺杂P⁺区分别镀上金属，获得第三中间件；

将第三中间件置于氮气的氛围环境，在900℃～1050℃温度下退火5min～10min，形成第四中间件；其中，N⁺衬底所在端形成欧姆接触电极阴极端，重掺杂P⁺区所在端形成欧姆接触电极阳极端；

(4)对第四中间件的欧姆接触电极阴极端和欧姆接触电极阳极端进行台面加工，形成PN结倾斜面，倾斜角为40°～60°正斜角，再利用反应离子刻蚀工艺执行表面处理，形成台面；

(5)在步骤(4)所形成的台面上增加台面保护层；完成基于碳化硅的半导体断路开关制作。

优选的，步骤(5)中，通过在台面的表面涂上一层硅橡胶并放入125℃中烘干15min形成台面保护层。

优选地，步骤(1)中，外延生长的环境温度控制在1650℃～1850℃，掺磷的N基区的掺杂浓度为10¹⁴/cm³～10¹⁵/cm³，厚度为10μm～100μm；掺铝的P基区的掺杂浓度为10¹⁶/cm³～10¹⁷/cm³，且以9*10¹⁴/(cm³·μm)～9*10¹⁵/(cm³·μm)的浓度梯度递增生长，厚度为10μm～100μm；形成第一种结构的第一中间件；

优选地，在步骤(1)中，外延生长的环境温度控制在1650℃～1850℃，掺磷的N基区的掺杂浓度为10¹⁶/cm³～10¹⁷/cm³，且以9*10¹⁴/(cm³·μm)～9*10¹⁵/(cm³·μm)的浓度梯度递增生长，厚度为10μm～100μm；掺铝的P基区的掺杂浓度为10¹⁴/cm³～10¹⁵/cm³，厚度为10μm～100μm；形成第二种结构的第一中间件；