一种碳化硅门极可关断晶闸管的制作方法

本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种碳化硅门极可关断晶闸管

背景技术

在国防科研和高新技术等领域，脉冲功率技术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。门极可关断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。

门极可关断晶闸管(gateturn-offthyristors，简称gto)是一种电流控制型功率开关，可以通过在门极施加不同极性的电流脉冲信号来控制器件阴阳极之间的主电流的导通和关断。其具有高阻断电压、大电流、低正向导通压降等优点，但一般的gto器件由于元胞结构不够紧凑，所以开启状态扩散过程较慢，这极大地限制了器件的电流上升率，通过引入高度集成的门极结构，可以提高器件的电流上升率。硅基gto晶闸管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gto晶闸管的阻断电压能力、dv/dt及di/dt的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sicgto晶闸管的性能大大优于sigto晶闸管。但是，由于目前工艺水平的限制，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sicgto器件阴极注入效率较低，器件导通电阻增大，限制了器件的性能的提高。

技术实现要素：

本发明的目的，就是针对目前常规碳化硅门级可关断晶闸管的p型阴极注入效率低、正向导通电阻较大以及门极触发电流较大的问题，提出一种碳化硅门极可关断晶闸管。

本发明的技术方案：一种碳化硅门极可关断晶闸管，如图3所示，其元胞结构包括阴极结构、漂移区结构、门极结构和阳极结构；

所述阴极结构包括自下而上依次层叠设置的阴极金属1、n型衬底2和n-ieb层13；

所述漂移区结构包括p-漂移区4和位于p-漂移区4下表面的p+场截止层3，所述p+场截止层3位于n-ieb层13上表面；

所述门极结构包括n-门极区5、n+门极重掺杂区6以及n+门极重掺杂区6上表面的门极金属8；其中，n-门极区5位于p-漂移区4上表面，n+门极重掺杂区6位于n-门极区5上层一侧，门极金属8位于n+门极重掺杂区6上表面并向两侧延伸至n-门极区5上表面；

所述阳极结构包括p+阳极区7以及位于p+阳极区7上表面的金属层9；p+阳极区7位于n-门极区5另一侧的上表面；

所述n+衬底2包括n+buffer层12与位于n+buffer层12下表面的n+衬底层11；

所述n-ieb层13是n型掺杂的碳化硅外延层，厚度为2～20μm，掺杂浓度为1e16～1e18cm^-3。

本发明方案中的n-ieb层13的具体实现方式有两种，第一种是在n+衬底2上面直接外延生长n-ieb层13；第二种是通过改变n+衬底2中n+buffer层12的外延条件，达到n-ieb层13所需的掺杂浓度及厚度。

本发明的有益效果为，进而降低了器件在导通时的导通电阻，降低了器件功耗，同时也减小了器件开启所需要的最低门极触发电流。

附图说明

图1是常规sicgto元胞结构示意图；

图2是本发明的sicgto元胞结构的第一种实现方案示意图；

图3是本发明的sicgto元胞结构的第二种实现方案示意图；

图4是本发明的sicgto与常规sicgto的正向iv特性仿真对比图；

图5是脉冲放电测试电路示意图；

图6是本发明的sicgto与常规sicgto的脉冲特性仿真对比图。

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，本发明的碳化硅门极可关断晶闸管，其元胞结构包括阴极结构、漂移区结构、门极结构和阳极结构；所述阴极结构包括n-ieb层13、n型衬底2和位于n型衬底2下表面的阴极金属1；所述漂移区结构包括p-漂移区4和p+场截止层3；所述门极结构包括n-门极区5、n+门极重掺杂区6以及n+门极重掺杂区6上表面的门极金属8；所述阳极结构包括p+阳极区7以及p+阳极区7上表面的金属层9；其特征在于，n型衬底2与p+场截止层3之间增加了一层n-ieb层13。

所述n型衬底2包括n+buffer层12与n+衬底层11。

所述n-ieb层13是n型掺杂的碳化硅外延层，厚度为2～12μm，掺杂浓度为1e16～8e17cm^-3。

所述n-ieb层13的具体实现方式有两种，第一种是在n+衬底2上面直接外延生长n-ieb层13；第二种是通过改变n+衬底2中n+buffer层12的外延条件，达到n-ieb层13所需的掺杂浓度及厚度，通过第二种方式实现的器件结构如图3所示。

如图1所示，为常规的碳化硅gto，这里的n+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。本发明与常规碳化硅gto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+缓冲层都要低的n型外延层，即n-ieb层(ntype-injectionenhancedbufferlayer，n型注入增强缓冲层)。如图2所示，n-ieb层13可以由n+缓冲层11的上面进行外延生长得到。对于常规p型碳化硅gto，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，降低了器件最低门极触发电流。本发明碳化硅gto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gto，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，同时也减小了器件开启所需要的最低门极触发电流。

以耐压6000v的常规碳化硅gto与本发明的碳化硅gto进行正向iv特性仿真比较。如图4所示，在器件开启时，本发明碳化硅gto导通压降明显小于常规碳化硅gto。

以耐压6000v的常规碳化硅gto与本发明的碳化硅gto进行仿真对比，对于本发明的碳化硅gto，n-ieb层选取了厚度4μm、掺杂浓度1e17cm^-3。测试电路如图5所示，电源电压为4000v，电容为500μf，电感为200μh。在器件有源区面积为1cm²时，仿真结果如图6所示，可以看出，本发明的碳化硅gto在脉冲放电过程中对应的器件压降明显低于常规碳化硅gto，在脉冲放电过程中对应的功耗也明显低于常规碳化硅gto。因此，本发明碳化硅gto适用于脉冲功率领域。