一种具有NiO/SiC异质发射结的SiC光触发晶闸管的制作方法

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种nio/sic异质发射结结构，本发明还涉及一种含nio/sic异质发射结的sic光触发晶闸管。

背景技术：

碳化硅(sic)材料具有禁带宽度大、热导率高、临界雪崩击穿电场强度高、饱和载流子漂移速度大及热稳定性好等优点，使用sic制作的电力电子器件具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的耐高温特性，更适合应用于电力电子电路。碳化硅晶闸管作为sic高压器件中的一种，具有阻断电压高、通流能力强、安全工作区(soa)大以及无栅氧化层可靠性影响等优点，能有效提升高压直流输电系统(hvdc)与智能电网电能传输系统的功率密度与效率。在sic晶闸管的诸多分支中，碳化硅光触发晶闸管(简称sicltt)在简化驱动电路与抗电磁干扰方面具有明显优势，是碳化硅晶闸管中最具潜力的种类之一。

虽然sicltt具有明显的性能优势，但由于铝受主在sic中的电离能较高(0.19ev)，导致p型sic材料中的有效载流子浓度较低，造成sicltt存在阳极空穴注入效率低的问题，严重影响器件的开通性能。针对该问题，目前sicltt的开通一般采用紫外激光器提供较大的触发光能量，来实现器件的快速开通。而激光器存在效率低、复杂度高的问题，鉴于此：

s.l.rumyantsev等人2013年在“semiconductorscienceandtechnology”发表文章《opticaltriggeringofhigh-voltage(18kv-class)4h-sicthyristors》，文中首次在sicltt中引入了放大门极结构，通过引入放大门极，触发光功率密度得到降低，但由于第一级的辅助晶闸管仍然存在阳极注入效率低的影响，所以整个器件仍旧存在开通延迟时间大的问题。

xiwang等2017年在“chinesephysicsb”发表文章《injectionmodulationofp⁺-nemitterjunctionin4h-siclighttriggeredthyristorbydouble-deckthinn-base》，文中使用了双层薄n基区结构，有效改善了4h-sicltt阳极注入效率低的问题，降低了触发光功率密度，缩短了开通延迟时间。但文中所报道的新型双层薄n基区结构内部存在阻挡空穴输运的感生电场，一定程度上限制了器件性能的发挥。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高性能、高可行性的技术方案，用于改善sicltt阳极发射结空穴注入效率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种nio/sic异质发射结结构，解决了现有sicltt阳极发射结空穴注入效率低，开通延迟时间大，所需触发光功率高的问题。

本发明的另一目的是提供一种含nio/sic异质发射结的sic光触发晶闸管。

本发明所采用的技术方案是，一种nio/sic异质发射结结构，包括p-nio发射区，紧邻p-nio发射区的下方为n-sic短基区，p-nio发射区与n-sic短基区上下相接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种含nio/sic异质发射结的sic光触发晶闸管，包括衬底，该衬底的材料为n型sic；

在衬底上表面制作有n-sic缓冲层，该n-sic缓冲层的材料为n型sic；

在n-sic缓冲层上表面制作有p-sic缓冲层，该p-sic缓冲层的材料为p型sic；

在p-sic缓冲层上表面制作有p-sic长基区，该p-sic长基区的材料为p型sic；

在p-sic长基区上表面制作有n-sic短基区，该n-sic短基区的材料为n型sic；

在n-sic短基区上表面制作有p-nio发射区，p-nio发射区分为多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该p-nio发射区的材料为p型nio；

还包括绝缘介质薄膜，绝缘介质薄膜覆盖在p-nio发射区的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-sic短基区上表面；

在p-nio发射区的各个凸台上端面覆盖有阳极；

在衬底下端面覆盖有阴极。

本发明的有益效果是，相比于传统sic同质发射结结构，在功能上本发明nio/sic异质发射结结构具有更高的空穴注入能力；应用在sicltt中时，本发明位于p-sic长基区之上，既能在正向阻断状态下阻止电场的穿通，又能在开启过程中增强发射结的空穴注入，改善由于空穴浓度低导致上pnp晶体管增益小的问题，为sicltt性能的提升提供可行的技术方案，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的nio/sic异质发射结结构和含该结构的sicltt结构示意图；

图2是本发明nio/sic异质发射结能带结构示意图。

图中，1.衬底，2.n-sic缓冲层，3.p-sic缓冲层，4.p-sic长基区，5.n-sic短基区，6.p-nio发射区，7.绝缘介质薄膜，8.阳极，9.阴极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的nio/sic异质发射结的结构是，包括p-nio发射区6，该p-nio发射区6的材料为p型nio，厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm²-2000cm²；紧邻p-nio发射区6的下方为n-sic短基区5，该n-sic短基区5的材料为n型sic，厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm²-2000cm²；p-nio发射区6与n-sic短基区5上下相接，共同组成nio/sic异质发射结。

本发明的nio/sic异质发射结应用在器件中时位于器件p-sic长基区4上方，n-sic短基区5下端面与p-sic长基区4上端面相接。

参照图1，本发明含nio/sic异质发射结的sic光触发晶闸管的结构是，包括衬底1，该衬底1的材料为n型sic，该衬底1的厚度为100μm-1mm，该衬底1的上下端表面积为1μm²-2000cm²；

在衬底1上表面制作有n-sic缓冲层2，该n-sic缓冲层2的材料为n型sic，该n-sic缓冲层2的厚度为0.1μm-3.0μm，该n-sic缓冲层2的上下端表面积为1μm²-2000cm²；

在n-sic缓冲层2上表面制作有p-sic缓冲层3，该p-sic缓冲层3的材料为p型sic，该p-sic缓冲层3的厚度为0.1μm-3.0μm，该p-sic缓冲层3的上下端表面积为1μm²-2000cm²；

在p-sic缓冲层3上表面制作有p-sic长基区4，该p-sic长基区4的材料为p型sic，该p-sic长基区4的厚度为0.1μm-300μm，该p-sic长基区4的上下端表面积为1μm²-2000cm²；

在p-sic长基区4上表面制作有n-sic短基区5，该n-sic短基区5的材料为n型sic，该n-sic短基区5的厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm²-2000cm²；

在n-sic短基区5上表面制作有p-nio发射区6，p-nio发射区6分为多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该p-nio发射区6的材料为p型nio，该p-nio发射区6的厚度为0.1μm-3.0μm，上下端表面积为1μm²-2000cm²；

还包括绝缘介质薄膜7，绝缘介质薄膜7覆盖在p-nio发射区6的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-sic短基区5上表面，绝缘介质薄膜7厚度为0.1μm-2μm；

在p-nio发射区6的各个凸台上端面覆盖有阳极8，阳极8由阳极金属与阳极压焊块组成，阳极压焊块覆盖在阳极金属的上表面，厚度为0.1μm-100μm；

在衬底1下端面(背面)覆盖有阴极9，阴极9由阴极金属与阴极压焊块组成，阴极压焊块覆盖在阴极金属的下端面(背面)，厚度为0.1μm-100μm。

p-nio发射区6的各个凸台为叉指结构、平行长条状、圆环形、正方形或渐开线形台面之一，或其组合形状，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-5.9μm，各凸台的高度不小于p-nio发射区6的厚度。

上述的阳极金属、阴极金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料选用ti、ni、w、ta、al、ag或au之一，或ti、ni、w、ta、al、ag、au中任意两种或多种的组合。

由于上述的p-nio发射区6和n-sic短基区5的设置，本发明碳化硅光触发晶闸管才具有阳极发射结空穴注入增强功能，称为含nio/sic异质发射结的sicltt。

实施例

下面以含nio/sic异质发射结的10kv4h-sicltt为例，对本发明进行进一步的详细说明。

本实施例的主器件结构如图1所示，包括4h-sic的衬底1，以及沉积在衬底1上表面的n-sic缓冲层2、p-sic缓冲层3、p-sic长基区4，n-sic短基区5、p-nio发射区6、位于p-nio发射区6上表面的阳极8、位于衬底1下端面的阴极9，以及覆盖在p-nio发射区6的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-sic短基区5表面的绝缘介质薄膜7。

该实施例的具有nio/sic异质发射结的4h-sicltt制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、制作4h-sic材质的衬底1，衬底1的厚度为300μm，掺杂类型为n型，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；

步骤2、采用低压热壁化学气相淀积法在衬底1上表面依次生长n-sic缓冲层2、p-sic缓冲层3、p-sic长基区4、n-sic短基区5，形成用于4h-sicltt制作的外延结构；

n-sic缓冲层2、p-sic缓冲层3、p-sic长基区4、n-sic短基区5的掺杂类型、杂质浓度与厚度对应为n型/1×10¹⁸cm^-3/1.0μm、p型/2×10¹⁷cm^-3/2.0μm、p型/2×10¹⁴cm^-3/80μm、n型/2×10¹⁷cm^-3/2μm；

步骤3、采用磁控溅射法在n-sic短基区5上表面生长p-nio发射区6；p-nio发射区6的掺杂类型、杂质浓度与厚度分别为p型/2×10¹⁸cm^-3/1.0μm；

步骤4、在p-nio发射区6上表面采用曝光技术，获得图形化表面；

步骤5、在图形化表面上进行干法刻蚀，形成平行长条状凸台，凸台宽8μm，各凸台间的间距为12μm，凸台的高度为1.1μm；

步骤6、在器件上表面采用化学气相淀积法生长绝缘介质薄膜7，绝缘介质薄膜7覆盖p-nio发射区6的各个凸台侧壁、各个凸台之间的n-sic短基区5表面，绝缘介质薄膜7的厚度为0.2μm；

步骤7、对绝缘介质薄膜7进行干法刻蚀，将凸台上表面的绝缘介质薄膜7去除，保留其他部分的绝缘介质薄膜7；

步骤8、在凸台上表面淀积阳极金属ti/ni；

步骤9、在衬底1下端面淀积阴极金属ti/ni；

步骤10、氩气保护下快速热退火，退火温度为1050℃，退火时间为200秒；

步骤11、在阳极金属上淀积阳极压焊块al；

步骤12、在阴极金属上淀积阴极压焊块ag，完成制备。

如图2所示，是本发明具有nio/sic异质发射结的能带结构，导带差(△ec)与价带差(△ev)分别为1.85ev和1.3ev，对于本发明nio/sic异质结，空穴电流(ih)和电子电流(ie)的比值为：

其中lp2和ln1表示空穴和电子的扩散长度，dp2和dn1表示空穴和电子的扩散系数，p10和n20表示在热平衡状态下nio和sic的多子浓度。在忽略dp2与dn1,lp2与ln1差异的情况下，仅能带差异一项因素即可使nio/sic异质发射结的空穴注入能力较sic同质结提高1.53×10⁸倍。通过分析明显看出，本发明nio/sic异质发射结拥有更高的空穴注入能力，具有nio/sic异质发射结的sicltt开通性能得到显著改善。