基于三极管加速导通结构的碳化硅晶闸管及其制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种基于三极管加速导通结构的碳化硅晶闸管及其制备方法。

背景技术：

1、随着的半导体技术的快速发展，功率器件对功率、耐压与体积的要求不断提高，传统半导体材料如si等材料的发展逐渐达到瓶颈，工业发展需求具有优秀电流承载能力与温度处理能力的新材料新结构。第三代半导体材料以其优异的特性引起了最广泛的关注，其中，碳化硅材料由于具有载流子饱和迁移率高、耐高温、热导率高等显著优点，使得碳化硅器件在高温、高压、高速等应用条件下变得比传统材料更有优势，从而得到广泛的研究与应用。

2、晶闸管作为一种高压大功率器件，在具有非常高的电压阻断能力、出色的电流处理能力以及大功率工作等情况下可以稳定工作，被广泛应用于开关、脉冲等功率系统中，特别是在目前的电动汽车、工业控制、高铁等新型产业能源转换系统下充当重要的工作器件。但是随着社会发展对功率容量和工作频率的要求不断提升，硅等材料在高温环境下工作的散热要求与耐压值提升时，器件尺寸的显著增大要求更大体积的散热电路与控制电路结构，于是，sic晶闸管便应运而生。利用碳化硅材料的优异的导热性能与宽禁带特性，碳化硅晶闸管获得了更大的便利。

3、常规的碳化硅晶闸管主要是通过采用门极电流注入控制晶闸管开通的方式，即当门极注入电流情况下，晶闸管器件顶部pn结首先导通，载流子经过三极管结构的输运过程，形成电流的正反馈机制，使得门极电流撤掉后，器件依旧正常导通。但是，采用门极电流注入控制晶闸管开通的方式，使得常规碳化硅晶闸管的开通时间和关断时间都比较大，这将导致器件的工作频率很难进一步提高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于三极管加速导通结构的碳化硅晶闸管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种基于三极管加速导通结构的碳化硅晶闸管，包括：

3、n型4h-sic衬底；

4、p型4h-sic缓冲层，位于所述n型4h-sic衬底表面；

5、p型4h-sic漂移层，位于所述p型4h-sic缓冲层表面；

6、第一n型4h-sic掺杂门极区，位于所述p型4h-sic漂移层表面；

7、第二n型4h-sic掺杂门极区，位于所述p型4h-sic漂移层表面，且位于所述第一n型4h-sic掺杂门极区两侧；所述第一n型4h-sic掺杂门极区的掺杂浓度小于所述第二n型4h-sic掺杂门极区的掺杂浓度；

8、n型4h-sic欧姆接触门极区，位于所述第二n型4h-sic掺杂门极区的表层；

9、p型4h-sic阳极区，位于所述第一n型4h-sic掺杂门极区的表层；

10、第一欧姆接触层，位于所述n型4h-sic欧姆接触门极区的表面和所述p型4h-sic阳极区的表面；

11、欧姆接触电极层，位于所述n型4h-sic衬底的下表面；

12、钝化层，覆盖部分所述第一n型4h-sic掺杂门极区、部分所述第二n型4h-sic掺杂门极区和部分所述p型4h-sic阳极区。

13、在本发明的一个实施例中，所述第一n型4h-sic掺杂门极区的掺杂浓度为第二n型4h-sic掺杂门极区的1/50～1/10。

14、在本发明的一个实施例中，所述第一n型4h-sic掺杂门极区的厚度为2～4μm，宽度为20～30μm，掺杂浓度5e16-2.5e17cm-3。

15、在本发明的一个实施例中，所述第二n型4h-sic掺杂门极区的厚度为2～4μm，掺杂浓度1e18-5e18cm-3；

16、所述第一n型4h-sic掺杂门极区一侧的所述第二n型4h-sic掺杂门极区宽度为20～30μm。

17、在本发明的一个实施例中，所述n型4h-sic欧姆接触门极区的厚度为0.3～0.5μm，宽度为2～3μm，掺杂浓度为1e19-2e19cm-3。

18、在本发明的一个实施例中，所述p型4h-sic阳极区的厚度为1～1.5μm，宽度为10～14μm，掺杂浓度为1e19-3e19cm-3；

19、所述p型4h-sic阳极区与所述第二n型4h-sic掺杂门极区的间距为3～5μm。

20、在本发明的一个实施例中，所述n型4h-sic衬底的厚度为250～300μm，掺杂浓度为5e18-5e19cm-3；

21、所述p型4h-sic缓冲层的厚度为2～5μm，宽度为60～90μm，掺杂浓度为1e18-5e18cm-3；

22、所述p型4h-sic漂移层的厚度为60～250μm，宽度为60～90μm，掺杂浓度2e14-5e14cm-3；

23、所述钝化层的材料包括sio2，厚度为2～3μm。

24、在本发明的一个实施例中，所述欧姆接触电极层包括第二欧姆接触层和接触层，其中，

25、所述第二欧姆接触层和所述接触层自上至下依次设置在所述n型4h-sic衬底的下表面。

26、本发明的另一实施例提供了一种基于三极管加速导通结构的碳化硅晶闸管的制备方法，包括步骤：

27、在n型4h-sic衬底的表面依次生长p型4h-sic缓冲层、p型4h-sic漂移层和第一n型4h-sic掺杂门极区材料；

28、利用掩膜层刻蚀所述第一n型4h-sic掺杂门极区材料，形成第一n型4h-sic掺杂门极区和位于所述第一n型4h-sic掺杂门极区两侧的凹槽；

29、在所述凹槽中生长第二n型4h-sic掺杂门极区；

30、在所述第二n型4h-sic掺杂门极区的表层中形成n型4h-sic欧姆接触门极区；

31、在所述第一n型4h-sic掺杂门极区的表层中形成p型4h-sic阳极区；

32、制备钝化层，使得所述钝化层覆盖部分所述第一n型4h-sic掺杂门极区、部分所述第二n型4h-sic掺杂门极区和部分所述p型4h-sic阳极区；

33、在钝化层之间的所述n型4h-sic欧姆接触门极区表面和所述p型4h-sic阳极区表面制备第一欧姆接触层；

34、在所述n型4h-sic衬底的下表面制备欧姆接触电极层。

35、在本发明的一个实施例中，所述掩膜层包括多晶硅和氧化层形成的叠层结构。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果：

37、1、本发明碳化硅晶闸管中引入第一n型4h-sic掺杂门极区、第二n型4h-sic掺杂门极区和n型4h-sic欧姆接触门极区，p型4h-sic阳极区、第一n型4h-sic掺杂门极区、p型4h-sic漂移层形成pnp管，p型4h-sic阳极区与第一n型4h-sic掺杂门极区有着相较于晶闸管传统结构的顶部三极管结构具有更高的发射区注入效率，在开启过程中，由于晶闸管工作特性，第一n型4h-sic掺杂门极区与p型4h-sic阳极区的相邻区域率先导通，加速了载流子的输运过程，而后利用晶闸管器件本身的正反馈结构，实现了对碳化硅晶闸管器件三级管工作区的加速，这有利于器件在开关或脉冲工作状态下的快速导通，从而有效提高了开通速度，提高了器件的工作频率；同时，由于p型4h-sic阳极区、第一n型4h-sic掺杂门极区、p型4h-sic漂移层形成pnp管，形成基于三极管加速导通结构，将器件的开通驱动控制从传统的门极区域转化到第一n型4h-sic掺杂门极区中，降低了碳化硅晶闸管在开通过程中的三极管工作模式时间段内的等待时间，有利于多个器件的并联结构，并且降低了器件功耗。

38、2、本发明将p型4h-sic阳极区设置在第一n型4h-sic掺杂门极区的内部，减小了传统结构在门极区和阳极区在导通时段内出现的在阳极区边缘出现的电场集中现象，提高了器件的工作频率的同时保证了器件的稳定性。

39、3、本发明的碳化硅晶闸管开通过程是从器件中心区域向两侧边缘拓展的过程，且第一n型4h-sic掺杂门极区的掺杂浓度小于第二n型4h-sic掺杂门极区的掺杂浓度，使得在拥有了更好的导通时间下，对于导通电压的影响很小，有效避免在传统结构中采用低掺杂浓度门极区的导通功耗提升问题，相比于现有传统晶闸管结构，由于第二n型4h-sic掺杂门极区的存在，器件开通过程中在器件门极区域积累的非平衡载流子数目减少，提升了器件关断过程的载流子抽取能力。