专利名称：碳化硅超快速高温整流二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及用半导体材料制作的整流器，特别涉及以碳化硅制作的高温高频整流二极管。
功率电子技术是利用电子功率器件来处理电子功率的转变，控制和调节的工程领域。电子功率，就其基本形式(交流或直流)、有效电压或电流、频率和功率而论，都是可被控制的。随后，电子功率的控制又常被用来维持或获得或调整某些其它的非电学因素、诸如马达的速度，加热装置的温度或光的产生或测量。电子功率的控制也被用于构成电子计算机的操作、控制和应用的基础的逻辑电路。
在现代技术中、固体器件已在电子功率的转变、控制和调整的多数应用中、以及在计算机工业中几乎获得普遍的承认。半导体器件的可靠性大、速度快、效率高、尺寸小而且往往造价低廉。
固体器件的一个基本类型是整流二极管。如熟悉电子器件的技术人员所周知，二极管是半导体器件的最简单的型式，二极管最直接的应用是整流，也即将交流转变为直流。二极管由于它允许电子沿一个方向流通，但是阻塞了电子沿另一个方向的通路而作为电子通路的单向壁垒。因此，二极管作为开关器件是实用的。按电子学术语，二极管被认为是流过正向(正偏置)电流，而阻挡反向(反偏置)电流。任一指定的二极管的特性、一般可用施加于二极管的电压(V)和电流(I)之间的关系来测定。
如熟悉电子器件的技术人员进一步周知，然而反方向的电流不总是完全被阻断。当施加反向电压(VR)时，有一小量反向电流(IR)将流过二极管。因此，任一二极管的反向电流被定义为在指定的反向电压所流过的电流值。但是，最终会达到一个使二极管的整流或阻挡电子能力开始完全崩溃的电压值。这一点被称为反向击穿电压(VBR)，并表示在该点，二极管耗尽区内的电子进行了雪崩倍增或隧道穿通、在此电压下，电流将显著增大，其结果一般因它产生的高瓦数和有害的热而毁坏该二极管。
因而，二极管的性能一般用五个基本特性参数表征正向电流(IF)，控制二极管在不烧毁的情况下的电流值;
正向电压(VF)，反向电流(IR)，产生所要求的正向电流电平所需的电压电平;在指定的反向电压下，通过二极管漏泄的电流值;
反向击穿电压(VBR)，超过该电压，反向电流开始急速上升的反向电压;
反向恢复时间(trr)，二极管恢复正向导通并开始重新阻挡反向电流所需的时间。
反向恢复时间是定义一个指定的二极管或整流器可控制的交流频率的重要特性。交流电流的频率越高，为将此电流整流，二极管必须响应的越快。
任一此类器件的特性，当然在很大程度上依赖于制作半导体器件的材料。不同的材料具有不同的固有的电子特性，对于任一指定的半导体材料，可制造的器件质量一般将依赖晶体的结构，纯度和用这种材料可完成的适量掺杂。
碳化硅早已是一种用于制造此类半导体电子器件的应选材料。碳化硅具有若干使它在理论上有益于此类应用的特性。这些特性包括带隙宽、热导率高，介电常数低、饱和电子迁移率高，击穿电场高、少数载流子寿命低、以及离解温率高。总括考虑，这些性能预示由碳化硅制作的半导体器件应该可在比用其它半导体材料制作的器件高许多的温度、以及在更快的速度和更高的功率电平下工作。
尽管如此，由碳化硅制作的整流二极管和其它半导体电子器件尚须使它成为一种除在实验研究之外的任何情况都可生存的状态，还必须使它获得商业潜力。这没有获得成就，至少部分原因在于，在加工碳化硅中所碰到的困难。它是一种极其硬的材料，常常被用作磨料。它往往必须在极高的温度下工作，在那种高温下，其它材料不能工作，而且从半导体的观点看，其结晶大大超过150种聚(晶类)型，大多数的晶类由相当小的热力学上的差异才能区别开。由于后一种原因，对于一定器件所需的碳化硅单晶薄膜的生产和作为衬底材料用及其它应用的碳化硅大单晶的生产仍是个难以捉摸的目标。另外，对其它材料已被成功地开发的一定的掺杂工艺，当用于碳化硅时，已被证实是失败的。最后，还必须使适合整流目的Pn结成功地获得实用的和商业的潜力。
但是，最近已出现若干进展，成功地完成碳化硅的单晶体和薄膜的生长。这些进展被包含在数项美国专利和专利申请中。这些专利是下列美国专利Davis等人的No4-“β-sic薄膜的生长及在其上制作的半导体器件”(系列号07/113.921。1987、10、26申请);Davis等人的No4-“α-Sic薄膜的均匀外延生长及在其上制作的半导体器件”(系列号07/113，573。1987、10、26申请);Palmour的No4，865、685。“碳化硅的干法腐蚀”以及Davis等人的No4，866，005“为生产大的和器件纯度的碳化硅单晶的碳化硅的提纯”。
确定有某性能参量的Pn结的适当生产是制作整流二极管的基础步骤。所以，已指示了碳化硅在理论上的有利条件，和制造改进这种包括整流器的器件结的必要性，则制造这种碳化硅结的方法就具有显著的意义。大多数的成果研制出生产被称为“熔合”结的方法。在这种结中，P型和n型碳化硅的交错区相互接触，形成Pn结。典型的工艺包括将一种掺杂剂金属直接熔在碳化硅的表面上，使得一些掺杂剂溶解到碳化硅内，产生一个反型的掺杂区，其边缘形成Pn结。另一些方法采用，先单独形成P型和n型碳化硅部分，再用多种方法将它们相互熔合，形成Pn结。另一些工艺、努力促成在相反导电类型的碳化硅衬底上，外延生长P型或者n型碳化硅。其它一些方法、包括解决基本工艺办法。在一个相关的美国(续)申请中，已说明成功的利用离子注入工艺导致适当的结;“掺杂剂在碳化硅单晶内的注入和电激活”系列号No，07/365，333，1989，5，24申请。
同样，做一些实验，已在碳化硅内制作出效果良好的整流二极管。这些试验包括在特定的金属与n型，或与P型碳化硅之间的整流接触(肖特基二极管)，前述的熔合技术，将金属整流接触沉积到碳化硅上的电弧或溅射工艺，在包括碳化硅的二极管材料之间建立多级传递、以及用玻璃状的非晶材料薄层作碳化硅整流器件中的有源层。
更近一些，如本文前面所述，已说明用化学汽相淀积(CVD)在硅上，或在碳化硅衬底上生产高品位的碳化硅外延层的碳化硅生长工艺。用这些工艺、其它一些研究者也做了试验，成功地在碳化硅上形成整流二极管。例如，库罗达(Kuroda)等人的“在低温、多级受控的VPE生长Sic单晶”第19次固体器件和材料讨论会补从摘要，东京，1987，PP223-230，介绍了他们的试验、用CVD工艺形成邻接的P和n外延层，生产碳化硅二极管。在他们的文章中，库罗达(Kuroda)等人报导了所生产的二极管的反向击穿电压大约的为100V，3V左右时正向电流大约为400μA。
Kuroda没有报导反向恢复时间这一整流二极管的重要特性及生产一种缓变的Pn结。如熟悉此类器件的技术人员所知，结的特性基本上确定了整个器件的特性，一个缓变结是这样的一种结，在结内的第度存在于两相反类型电荷载流子(电子或空穴)之间，可跨结延伸一些距离，包括大到1μ或1μm以上的距离。相反，一个突变结表现为从一种整流子类型到另一种载流子类型的陡峭的变化。熟悉此类器件技术人员更进一步周知，确定一个结是缓变结还是突变结的一种技术是测量二极管的电流对电压的关系。一般说来，当直接画出电容对电压的关系曲线时，呈现一种非线性关系。然而，在电容平方的倒数或电容立方的倒数与电平之间存在一种线性关系。若电容平方的倒数与电压之间的关系是线性的，可以认为二极管具有一个突变结。另一种情况，若电容的立方的倒数对电压的关系曲线是线性的，可以认为结是缓变的。如库罗达(Kuroda)的陈述，用他的工艺制作的二极管呈现这种缓变结。
另外，Kurada二极管工作在微安范围内，比应该在多数功率设备中使用的别的二极管的电流量值要小些。最后，尽管碳化硅的一个合乎要求的特性是它产生蓝光的能力，但对于整流二极管来说，一个重要的特性是在高温度工作，而Kuroad没有说明任一效果良好的二极管不在室温下应用。
所以，本发明的一个目的是提供一种以碳化硅制成、可以在高频，高反向电压和高温工作的，具有突变结和低正向电阻的整流二极管。
本发明的整流器包括一片单晶碳化硅衬底，其衬底为第一导电类型，具有充足的载流子浓度;一层在衬底上的第一碳化硅外延层，具有与衬底相同的导电类型;以及一层在第一外延层上的第二碳化硅外延层，具有与第一外延层相反的导电类型。第一和第二外延层分别具有不同量级的载流子浓度，其浓度差足以使浓度低的外延层在反偏置下基本上是耗尽的。第一和第二外延层在两层之间形成一个突变的Pn结。
下面结合附图，考虑本发明的详细说明，会使本发明的上述和其它目的，优点和特点，以及完成本发明的方法变得更加容易明白，
了优选的和典型的实施例。
图1是本发明整流二极管的原理示意图;
图2是依本发明的园形台面整流二极管的透视图;
图3和图4是本发明整流二极管的另一实施例的原理示意图;
图5是依本发明的整流二极管的电流对电压的曲线图，突出在-400V偏置下，在室温和350℃的反向漏电流;
图6是电流对正偏置电压的曲线图，突出了在室温和350℃的到400mA的正向电压降;
图7表示依本发明的二极管的电容和反偏置电压到-20V的关系曲线;
图8是本发明的二极管的电容量平方倒数对控制电压的曲线图，并表示二者间的线性关系;
图9是对根据本发明的二极管用二次离子质谱仪(SIMS)测得的铝原子浓度对深度的曲线图;
图10是对根据本发明的一个400V二极管用电容-电压测量测得的在n型层的施主载流子浓度对深度(深到-20V反偏置)的曲线图;
图11和图12分别表示工作在室温和350℃下显示依本发明的二极管的反向恢复时间的开关电路中的电流和时间的关系曲线;
图13是从本发明二极管测得的和预计的反向击穿电压值，击穿时耗尽层的宽度，载流子的浓度和最大电场演变而来的综合曲线图;
图14和图15是依本发明的另一种二极管分别工作在室温和350℃时，电流对电压的曲线图。
图1是本发明整流二极管10的第一实施例的原理示意图。该整流二极管10包括一个单晶碳化硅衬底11，该衬底赋予衬底11为第一种导电类型具有充足的载流子浓度，或者为P型，或n型。如熟悉电子器件的技术人员所周知，载流子的两种类型是电子和空穴。电子是原子内的粒子、空穴代表原子内的空位，电子可移动到空穴内。当一些电子移动到这种原子位置时，它们就留下一些未填充的位置，就是空穴、因而任何电子器件中的电流可以被认为是电子流，可以是空穴流、只是各自沿相反方向流动。如熟悉本工艺的技术人员所进一步周知，在一种材料，如在碳化硅中，载流子一般由掺杂剂掺入;掺杂剂就是在每个框架位置上的原子具有比半导体材料本身具有的电子数目多或少的原子。具有多余电子的掺杂剂通称施主原子，提供额外的电子。具有比碳化硅原子所有的电子数还少的原子提供额外的空穴，并通称为受主原子。
第一单晶碳化硅外延层12位于衬底11之上，其导电类型与衬底11的导电类型P或n相同，但载流子浓度小于衬底11的载流子浓度。例如，当衬底11和外延层12都是n型时、衬底中的载流子较大的数通常用简记标号n+代表，而第一外延层中较少的或正常的浓度常简单地用n代表。
第二单晶碳化硅外延层13位于第一外延层12上，其导电类型与第一外延层相反，在本发明的第一实施例中，载流子浓度大于第一外延层12的浓度。这样，如在前面优选实施例的讨论中，当衬底11是n+，第一外延层是n时，第二外延层13就标以P+。P+外延层13的载流子浓度与n+衬底11的载流子浓度不必彼此相等。如本文所用的，与一般标号n相比，标号n+或P+仅仅指明，衬底11中的载流子多于外延层12的载流子，同样，第二外延层13的载流子多于第一外延层12的载流子。
如熟悉整流结的技术人员周知，结的P侧和n侧的各自载流子浓度显著不同，大约有一个量级或一个量级以上的差别、结每一侧的载流子都有移动并建立一种平衡的趋势，这导致从一侧移动的载流子多于从另一侧移动的载流子。详细地说，有较多的载流子从粒子数高的一侧移动到浓度低的一侧。例如，如果结是P+n结，移动进入n层的空穴将多于移动进入P+层的电子。在反向偏置条件下也将显示出这种特性的本身，因而，载流子浓度低的层将是在反偏置下，载流子显著被耗尽的层。
在特定的实施例中，整流二极管，一般标为10，将包括一个与衬底的欧姆接触14和另一个与第二外延层的欧姆接触15。在特定的实施例中，与衬底11的欧姆接触14可以包括一种金属，如镍，而与第二外延层13的欧姆接触13的欧姆接触15可以包括一种金属，如铝或一种双金属，例如，由铝合金制作的接触。在另一优选的实施例中，整流二极管还可以包括一个靠近Pn结的二氧化硅钝化层16。
在如图1所示的实施例中，整流二极管有一台面结构，其中，外延层12和13与衬底11的一部分有一个比衬底的其余部分较薄的剖面轮廓。按此结构，分立的二极管，一般是彼此相连的成批制作，在不损伤外延层或不影响Pn结、换言之、或不改变晶体结构质量的情况下分开。另外，管芯的大小可以调整，以应付各种电流的需要。
如图2所示，在一个实施例中，外延层12和13以及欧姆接触15一般是园形的。最后的园形Pn结避免了由其它几何形状引起的场效应和电荷浓度问题。另外，该形状便于钝化，并且如上所述，便于将二极管划开，而不损伤它的结。另一种结构，如平面二极管也是可行的，但是除要求本发明的外延生长工艺外，还要求扩散或离子注入工艺。
根据实际粒子数，可将本发明的整流二极管制成具有合乎要求的击穿电压。这种二极管的特性如图13所示，从中可以看出，例如，当要设计击穿电压为100V的二极管时，所要求的浓度近似2.4×1017/cm3，而且要求击穿时耗尽层宽度为0.68μm。所以，在n型的情况，为防止该外延层的厚度是击穿电压的极限参数，其厚度一般要超过这个最小耗尽层的厚度。那么，对于这种击穿电压为100V的二极管，第一外延层12的厚度至少应在0.68μm的量级，载流子浓度大约为2.4×1017/cm3。衬底的载流子浓度应该再大一个数量级;而第二外延层13的载流子浓度应大致与衬底有相同的数量级。如图所示，图13的实线部分代表根据测试数据的关系曲线，而虚线部分代表预期从测试外推的关系曲线。
特别是，依发明的二极管将有一个从图13的AG线上选定的击穿电压(以V表示)，该电压在CD线上确定一个直接水平对着的点。相对应的耗尽层宽度(μm)是在图13上从CD线上已确定的点直接下降到正下方的EF线上的一点，与该点直接水平对着的AG线上的一点所选定的。相对应的载流子浓度(原子/cm3)是在图13上从CD线和EF线上已确定的点直接垂直下降到正下方的GH线上的一点选定的。
第一实施例的二极管的特殊结构，即用了浓度较高的n+优选衬底，n第一外延层和P+第二外延层、给出一个低的正向电阻和一个高的击穿电压，而浓度较高的第二外延层13又易于给出一个突变结。其效果是(得到)一个在正向电压为3V时正向电流约为200mA，反向击穿电压超过400V的二极管。先前的二极管如Kuroda介绍的二极管，同样在3V的正向电压下，其正向电流只有约400μA。同样，Kuroda二极管在-100V就呈现击穿。简而言之，本发明的二极管比已有技术的二极管、在正偏置时其性能要好500倍左右，在反偏置时要好4倍左右。
这些特殊效果最好用图5和图6的曲线图说明。
在第一实施例中采用P+n结导致n型外延层成为二极管在反偏置时的最显著地被耗尽的层。氮是一种典型优选n型掺杂剂，并且可以被称为“浅”施主，其效果使得载流子浓度随温度的变化-以及二极管的最终电学性能-比深能级掺杂剂更适中。如熟悉此种器件的技术人员周知，低掺杂外延层的载流子浓度基本上控制着器件的反偏置特性。所以，载流子浓度应该尽可能按所要求地保持恒定。因而，在一定的情况下，低掺杂外延层用n型胜于用P型，因为氮(典型的n型掺杂剂)电离随温度的变化小于铝(典型的P型掺杂剂)电离随温度的变化。
第一实施例特殊结构的另一原因是，与更有利的较低电阻率n+衬底相比，能避免高电阻率的P+衬底。而且外延层的P+特性按要求地促进了n外延层的耗尽。因为，本发明的二极管是用碳化硅制成的，它们可在比由其它材料，如硅制成的半导体器件工作的典型温度还高的温度下良好地工作。例如，图5表示，当本发明的整流二极管工作在350℃温度时，在-400V的反向漏电流不大于80μA。图6表示同样的二极管在25℃和350℃时的正向偏置特性。
图3和图4表明本发明的另一个实施例，它的n型外延层有较高的载流子浓度，而P型层成为在反偏置时最终最显著地被耗尽的层。图3表明一个由单晶碳化硅形成的n+型衬底20，一层在衬底20上，具有导电类型相同的n+型碳化硅单晶外延层21和一层在第一外延层21之上具有与第一外延层21相反的导电类型的P型第二单晶外延层22。如符号n+和P所代表的，第一外延层21的载流子浓度至少比第二外延层22大一个数量级，以致第二外延层在反偏置下是最显著地被耗尽的层。在最佳实施例中，在第二外延层22上设有一个第三单晶外延层23，具有与第二外延层22相同的P型导电类型，其载流子浓度最好比第二外延层的载流子浓度大，以便减低整个二极管的接触电阻。
如先前的实施例，Davis型CVD，在第一和第二外延层21和22间提供一个突变Pn结。
由于(大家都)清楚的缘故，虽然没有详细说明，但二极管还包括各自的衬底的欧姆接触和第二外延层或第三外延层(若存在的话)的欧姆接触。由本发明可以看出，此实施例也提供了优良的二极管特性。如先前对第一实施例所述，在一定的情况，P型层有些不适合做为在反偏下被显著耗尽的层，因为温度对由理论预料到的激活了P型掺杂剂的浓度的影响较大。然而，实际上在实验上已测定，P型外延层有些被另外存在的施主原子所补偿，因而P型层的粒子数不像理论所预料的随温度起伏那样大。
用非故意补偿的P层，或用故意补偿n型做反偏置下的主要耗尽层，在该层内可获得较小的载流子浓度。较小的载流子浓度本身又为二极管提供一个较高的击穿电压合乎理想的好结果。如熟悉碳化硅的技术人员所周知，不能制作出载流子浓度低于1×1016/cm3的未补偿的n晶体或外延层。一般说来，这是由于CVD生长工艺的性质和所用的源气的纯度产生的结果。
对最小载流子浓度的这些限制，用n层和P层的轻补偿可以克服，因此，可获得低到5×1014/cm3的载流子数目。这将导致上述的较高的击穿电压。在此实施例中，可预料，在-55℃～350℃的温度范围内的反向击穿电压可高达-5000V。同样，在20℃～350℃的温度范围内，在低至2.7V的正向电压下，正向电流可达10A。另外，二极管的反向恢复时间小于20ns，经常小于10ns。当然，如熟悉半导体二极管的技术人员所周知，对任一特定的二极管，器件的有型尺寸将限制或容许一些工作特性。在指定的额定正向电压下，较大的结容许较大的电流。
不用说，虽然图3所示的结构具有n+衬底，然后是n+、P-、P+外延层排列。同样，该二极管也可包括一个P+衬底和第一外延层，然后是n-和n+外延层，当在反偏置下n型层最显著地被耗尽时，具有早已介绍过的另外一种优点。
图4表示本发明的另一个六角形的二极管。六角形二极管相对于比图2所示的图形台面二极管提供另一种优点。虽然六角形有角，但这些角度较缓。而且，六角形比相同尺寸的管芯具有较大的结面积，而且在玻璃灌封器件中易于封装。
图14和图15表明用6A-Sic制成的本发明二极管的另一些特性，以及在室温(图14)和350℃(图15)测定并且绘出的电流对电压(I-V)曲线关系。特定器件具有一个n+衬底，一层n+第一外延层，一层P-第二外延层，以及一层P+第三外延层。在室温，峰值反向电压达到455V，在该电压下发生雪崩击穿。击穿在约420V开始出现，其反向漏电流为4μA，在450V增加到50μA。此后，器件工作在电流随电压线性增加的雪崩状态。图14的右侧表明此类器件的正偏置特性。在室温6H-Sic的带隙约为2.9eV。这就给出一个相应于二极管的导通电压的，范围约为2.4～2.5V的自建结电势。此后，电流急速随电压增加，并受Sic的串联电阻限制。换言之，如电阻完全不存在(实际上不可能)，电流将是无限的，但在室温导通电压将仍维持在2.4～2.5V范围。
图15表明二极管工作在350℃时的电流-电压特性曲线。在反偏置时，击穿电压仍保持相同。然而预击穿电压，如曲线在-400V和-450伏间的园弯曲处所表征的，稍有增加。这可能是由于热产生的载流子，而不是对二极管的反向饱和电流(Js)有贡献的那些载流子。在350℃JS约为10-14A/cm2。
当把二极管加热到350℃时，导通电压约降低到2.0V。这种电压随温度增高而降低的现象可能是材料带隙的降低，而且增加了本征载流子浓度的结果。
图7和图8表明依本发明制成的二极管的突变结的特性曲线。图7为直接测出的对外加电压的曲线图，并显示非线性关系，但当电压变得更正时，电容还是成比例的增加。更重要的是，图8表示当把电容平方的倒数对外加电压绘成图时，基本演变一直线关系，这说明该结是突变结，而不是缓变结。如先前对现有技术二极管的介绍，当电容平方的倒数对电压的曲线图仍是非线性，而电容量立方的倒数对外加电压的曲线图变为线性时，该结是缓变的，导致较低的击穿电压的器件和不能快速工作的二极管。
图9表示另一种测试技术的结果，进一步表明图8所示的结果。如附形所示，图9是铝(P+外延层内的受主原子)的粒子数及其穿过Pn结的变化的SIMS曲线图。图中所示的急速垂直下降表示在结附近受主原子总数快速而急剧的变化，并赋予本发明二极管以预期的性能。图10表示用电容-电压测试法确定的未补偿的n型外延层的载流子浓度，这里所示，反映在图13中，一个VBR为580V的二极管，是由在n型的载流子浓度近似为2.2×1016/cm3产生的。
依本发明制做的二极管还具有在高频工作的能力，即它可把高频交变的电流整流。如熟悉此种器件的技术人员所知，当将反偏置施加给一整流二极管时，二极管阻挡反向电流通过，在结附近建立起一耗尽区。该区具有一定电容量，这要在去掉反偏施加正偏之后，花费时间放掉。
这个时间间隔通称反向恢复时间(trr)。在碳化硅中，少数载流子的寿命是很短的，所以与少数载流子寿命成正比的反向恢复时间应是很短的。然而，在本发明之前，从未说明好到足以提供可测反向恢复时间的整流Pn结，如图11和图12的图形所示，可是本发明的整流二极管已被证实具有足以容许实验测量反向恢复时间数据的质量，已确定最大反向恢复时间约短到5-8ns。在更高温度的同样测试也是与预期的相符合的。一般，在硅中，整流二极管的反向恢复时间在100～200ns已被认为是快的。Schottky二极管稍快些，但反偏压被限制到近似-200V。因而，反向恢复时间是任一指定的特殊器件的一种特性。已证实依本发明制作的二极管，其反向恢复时间始终如一地小于10ns。
本发明的整流二极管是根据本文先前提出的Davis等人披露的成功地在离轴的Sic衬底上制作Sic外延层的CVD方法制作的。为了限定和清楚起见，在引用的参考文献中描述的化学汽相淀积技术被称为“Davis型”CVD。在用Daivs型CVD制作的二极管中，衬底包括α-Sic，并具有一个对其底面偏离离轴1°以上，基本指向<1120>方向的平坦界面表面。如本文中所用的，黑体印刷符号，例如，“2”代表Miller指数关系中的“负”轴，即一个在为晶体选定的基本Miller指数轴的相反方向上测量的轴。第一外延层也包括α-Sic并均匀地淀积在衬底界面的表面上。
因为在生长外延层时，可以掺杂，不要求注入，因此可以避免由注入可能引起的晶体损伤。此外，注入工艺不能容许邻接n和n+或P和P+层。在一个n上可以注入一个n+层，但在n+层上，不对其进行补偿(存在的施主和受主原子的有效数)不能注入一个n层。
此外，CVD生长允许厚度控制，在某种程度上允许最终厚度的控制，因而达到控制击穿电压的目的。最后，外延层的晶体特性一般在结构上较好，并具有比体生长层较少的杂质。
在本文讨论的实施例中，举证的数据是从由α型6H-Sic制成的二极管搜集到的。然而，还可将其它聚型材料制备作外延层和衬底，并具有特性优点。例如，4H，15R，和3C聚型材料均可制成依本发明的二极管。6H聚型的带隙宽，因而预料可在高温工作，一般成批制成。4H聚型的带隙最宽(3.2ev)，铅和氮的掺杂能级较浅，电子迁移率比6H聚型的大。3C聚型同样具有比6H高的电子迁移率，较浅的带隙和相应较低的Pn结的自建电势。最后，15R聚型具有比6H低的氮掺杂剂的激活性，以及较高的电子迁移率。
如熟悉整流二极管及其制造和特性的技术人员所了解的，一旦确立特定的一组特性，即可完成具有宽范围特性的二极管的制作。因而，依已列举的本发明的二极管的特性，预料尽本发明作用的可能，二极管的反向击穿电压可大到-5000V。可预料此种二极管从约-50℃到至少350℃的温度范围内具有此种特性。选定的二极管实施例其反向漏电流直到指定的标称反向击穿电压不大于25μA。在其它实施例中，在高达350℃的温度下，反向漏电流不大于100μA。已列举的特定实施例的反向漏电流在-400V，25℃时不大于8μA。
已经说明在350℃的温度，在2.8V时的正向电流为400mA。在室温(25℃)在3.2V时观察到的正向电流一般为400mA，低至2.7V也观察到400mA的正向电流。
已经说明反向恢复时间小于200ns，如小于100，20和10ns的trr，以及本文先前提到的，已列举的特定实施例，其反向恢复时间在25℃时小于6ns，在350℃时小于7ns。
应了解，此种整流二极管，比其最大典型工作参数独特地评定等级。因而，依本发明的二极管，以及后文提出的权利要求还包含另外的可能呈现稍小于本文提出的各种典型特性的类似的和等同的二极管。
尽管在说明书及其附图中，公开了一些典型的优选实施例中，采用了一些专业术语，这些术语仅仅是按普通的和说明的意义使用的，而无限制的目的，本发明的范围在权利要求书中提出。
权利要求
1.一种以碳化硅制成的超快速高频高温整流二极管，它包括一片单晶碳化硅衬底，具有充足的载流子浓度，赋予所说的衬底为第一导电类型；一层在所说的衬底上的单晶碳化硅第一外延层，具有与所说的衬底相同的导电类型；一层在所说第一外延层上的单晶碳化硅第二外延层，具有与所说的第一外延层相反的导电类型；所说的第一和第二外延层各自的载流子浓度具有足够大的数量级的差别，以致浓度较低的那一层在反偏置时被显著地耗尽；所说的第一和第二外延层在所说的层间形成一个突变的Pn结。
2.一种根据权利要求1的整流二极管，其中所说的第一外延层的载流子浓度大于所说的第二外延层的浓度，以致第二外延层在反偏置下被显著地耗尽。
3.一种根据权利要求1的整流二极管，其中，所说的第二外延层的载流子浓度大于所说的第一外延层的浓度，以致于所说的第一外延层在反偏置下被显著地耗尽。
4.一种根据权利要求1的整流二极管，还进一步包括一层在第二外延层上的第三外延层，其中所说的第三外延层具有与第二外延层相同的导电类型，其载流子浓度大于所说的第二外延层的浓度，以降低所说二极管的接触电阻。
5.一种根据权利要求1的整流二极管，其中所说的碳化硅衬底包括α-碳化硅，并具有一个其底面偏离离轴1°以上，基本上指向<1120>方向的平坦界面表面，将所说的包括α-碳化硅的第一外延层均匀地沉积在所说的衬底的界面表面上。
6.一种根据权利要求1的整流二极管，进一步包括一层邻接所说的结热生长二氧化硅的钝化层。
7.一种以碳化硅制成的超快速高频高温整流二极管，它包括一片单晶碳化硅衬底，具有充足的载流子浓度，赋予所说的衬底为第一导电类型;一层在所说的衬底上的单晶碳化硅第一外延层，具有与所说的衬底相同的导电类型;一层在所说的第一外延层上的单晶碳化硅第二外延层，具有与所说的第一外延层相反的导电类型，其载流子浓度大于所说的第一单晶外延层的浓度，以致于第一外延层在反偏置下显著地被耗尽;所说的第一和第二外延层在所说的层间形成一个突变的Pn结。
8.一种根据权利要求7的整流二极管，其中，所说的衬底是由n型α碳化硅形成的，所说的第一外延层由n型α碳化硅形成的，以及所说的第二外延层是由P型α碳化硅形成的。
9.一种根据权利要求7的整流二极管，其中所说的第一单晶外延层的载流子浓度小于所说的衬底的载流子浓度。
10.一种根据权利要求7的整流二极管，进一步包括一个由镍制成的对所说的衬底的欧姆接触和一个由含铅的双金属合金形成的对第二外延层的欧姆接触。
11.一种根据权利要求7的整流二极管，其中所说的碳化硅具有从6A，3C，4H和15R聚型材料构成的组中选出的一种单聚型材料。
12.一种根据权利要求7的整流二极管，其中，外加电压与电容间的关系是这样的，电容平方的倒数与外加电压的关系基本上是线性关系。
13.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在-55℃到350℃之间的温度范围内，其反向击穿电压高达-5000V。
14.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在25℃的温度下，在正向电压低至2.7V时正向电流至少为400mA。
15.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在350℃的温度下，在正向电压低至2.2V时，正向电流至少为400mA。
16.一种根据权利要求7的整流二极管，在整个约20℃至约350℃的温度范围内，在正向电压低至2.7V的正向电流可达10A。
17.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在25℃的温度下，直至指定的标称反向击穿电压，其反向漏电流不大于25μA。
18.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在350℃的温度下，直至指定的标称反向击穿电压，其反向漏电流不大于100μA。
19.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在25℃的温度下，在-400V的反向漏电流不大于8μA。
20.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在350℃的温度下，在-400V的反向漏电流不大于80μA。
21.一种根据权利要求7的整流二极管，其反向恢复时间小于200ns。
22.一种根据权利要求7的整流二极管，其反向恢复时间小于10ns。
23.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在25℃的温度下，其反向恢复时间小到6ns或更小。
24.一种根据权利要求7的整流二极管，当工作在350℃的温度下，其反向恢复时间小到7ns或更小。
25.一种根据权利要求7的整流二极管，其击穿电压是从图13的AG线上选定以伏为单位，在CD线确定一个直接水平对着的点，其对应的耗尽层宽度(μm是在图13上从所说的已在CD线上确定的点直接垂直下降到正下方的EF线上的一点和直接水平对着的AG线上的一点选定的，以及其相对应的载流子浓度(原子/cm3)是在图13上从所说的已在CD线和EF线上确定的点直接垂直下降到正下方的GH线上的一点选定的。
26.一种以碳化硅制成产超快速高频高温整流二极管，它包括一片单晶碳化硅衬底，具有充足的载流子浓度，赋予所说的衬底为第一导电类型;一层在所说的衬底上的单晶碳化硅第一外延层，具有与所说的衬底相同的导电类型;一层在所说的第一外延层上的单晶碳化硅第二外延层，具有与所说的第一外延层相反的导电类型;所说的第一外延层的载流子浓度比所说的第二外延层的浓度充分地大，以致所说的第二外延层在反偏置下被显著地耗尽;一层在所说的第二外延层上的第三外延层，其导电类型与所说的第二外延层相同，其载流子浓度比第二外延层的浓度大，以降低所说的二极管的接触电阻，以及，所说的第一和第二外延层在所说的层间形成一个突变的Pn结。
27.一种根据权利要求26的整流二极管，其中所说的衬底和所说的第一外延层包括n型α碳化硅，而所说的第二和第三外延层包括P型α碳化硅。
28.一种根据权利要求26的整流二极管，当工作在-55℃至350℃之间的温度范围内，其反向击穿电压高达-5000V。
29.一种根据权利要求26的整流二极管，在约20℃至约350℃的温度范围内，在正向电压低至2.7V的正向电流高达10A。
30.一种根据权利要求26的整流二极管，当工作在350℃的温度时，直至指定的标称反向击穿电压，其反向漏电流不大于100μA。
31.一种根据权利要求26的整流二极管，其反向恢复时间小于20ns。
全文摘要
本发明是一个以碳化硅制成的超快速高频高温整流二极管，它包括一片单晶碳化硅衬底，具有充足的载流子浓度，赋予衬底第一导电类型，一层在衬底上的第一单晶碳化硅外延层，并具有与衬底相同的导电类型，和一层在第一外延层上的第二单晶碳化硅外延层，并具有与第一外延层相反的导电类型。外延层之一的载流子浓度大于另一个层外延层的浓度，以致在反偏下浓度较小的外延层被显著地耗尽。第一和第二外延层形成一个突变的PN结。
文档编号H01L29/861GK1044737SQ89109809
公开日1990年8月15日 申请日期1989年12月14日 优先权日1988年12月14日
发明者约翰·A·埃德蒙 申请人:克里研究公司