一种具有高浪涌电流的碳化硅MPS二极管的制作方法

一种具有高浪涌电流的碳化硅mps二极管
技术领域
1.本发明涉及二极管技术领域。


背景技术：

2.宽禁带半导体材料碳化硅(sic)是制备高压电力电子器件的理想材料，相较于si材料而言，sic材料具有击穿电场强度高(4
×
106v/cm)、载流子饱和漂移速度高(2
×
107cm/s)、热导率高、热稳定性好等优点，因此特别适合大功率、高压、高温的应用场景中。碳化硅结势垒肖特基二极管(jbs)作为碳化硅功率器件中最早商业化的产品，如今占据市场份额的数量同样是最多。通过sic半导体与金属接触而形成的势垒，实现了一个方向导通、一个方向阻断的整流效果。jbs二极管在功率系统中应用的优势是拥有低导通电阻与高击穿电压的优点、通态损耗小、开关速度快，具有近乎理想的反向恢复特性，在高频高功率电力电子应用方面优势巨大。
3.二极管应用于开关电源中必须能够抵挡住浪涌电流的冲击，浪涌电流是指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。普通的sic jbs二极管的可重复浪涌电流大小可能是稳态工作电流的4-5倍，为了提高sic jbs器件在开关电源中的可靠性，需要增强二极管的抗浪涌电流能力。所以会在jbs二极管pn结上方制作欧姆接触，形成mps(merge-pin-schottky)二极管结构。如果采用mps结构浪涌电流大小可以增加到稳态工作电流的10-13倍。
4.碳化硅jbs二极管的浪涌电流取决于芯片的肖特基结电流能力，在将pn结上方的金半接触制作成欧姆接触形成mps二极管结构后，浪涌电流能力取决于二极管在双极性工作状态下的电流大小。对于mps二极管来说，浪涌电流冲击下二极管的pn结会导通，从而使二极管工作在双极性状态下，发生电导调制效应，降低二极管的导通电阻和工作温度，提高器件的抗浪涌电流能力。所以在浪涌电流冲击下mps二极管的pn结必须导通才能起到提高抗浪涌电流能力的效果。然而常规结构的mps二极管正常工作状态是肖特基结电流占主导地位。为了保证在正常工作下的工作电流满足要求，通常pn结面积占芯片总面积比例较小，由于pn结面积占芯片总面积比例较小导致pn结导通电压大，在浪涌电流冲击下pn结并未导通，造成二极管提前失效。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是实现一种在相同pn结面积占比下，降低mps二极管的pn结导通压降，从而提高的抗浪涌电流能力的二极管。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种具有高浪涌电流的碳化硅mps二极管，依次由阴极欧姆接触电极、碳化硅n+衬底、碳化硅n-外延层层叠构成，所述碳化硅n-外延层上间隔设置有多个p+注入区，所述p+注入区上设有欧姆接触电极，所述欧姆接触电极之间的间隙由肖特基接触电极填充，所述碳化硅n-外延层两侧均设有双极性传输层。
7.所述p+注入区与碳化硅n-外延层之间的双极性传输层为第一双极性传输层，所述
双极性传输层与碳化硅n+衬底之间的双极性传输层为第二双极性传输层，所述第一双极性传输层将p+注入区包含进去，所述双极性传输层的厚度均大于p+注入区的深度。
8.所述第一双极性传输层和第二双极性传输层的厚度相同。
9.所述双极性传输层的掺杂浓度均小于碳化硅n-外延层的掺杂浓度。
10.所述第一双极性传输层和第二双极性传输层的掺杂浓度相同。
11.所述双极性传输层的杂质掺杂分布均为线性分布，从上往下掺杂浓度从高往低分布。
12.所述第一双极性传输层和第二双极性传输层的杂质掺杂分布相同。
13.所述双极性传输层的最高掺杂浓度均和碳化硅n-外延层掺杂浓度相同。
14.本发明mps二极管由于变掺杂的双极性传输层存在，降低了mps二极管的pn结导通电压，使二极管可以在更低的电流下提前进入双极性工作状态，发生电导调制效应，使二极管的导通电阻降低，降低二极管在大电流下的芯片温度，从而提高二极管的抗浪涌电流能力。同时本发明的mps二极管由于变掺杂的双极性传输层存在，提高了mps二极管的反向击穿电压。
附图说明
15.下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
16.图1为本发明具有高浪涌电流的碳化硅mps二极管的结构示意图；
17.图2为传统碳化硅mps二极管的结构示意图；
18.图3为mps二极管正向电流曲线图；
19.图4为mps二极管在正弦电流波形下温度曲线图
20.图5为mps二极管在反向电压和反向电流的关系曲线图；
21.上述图中的标记均为：1、碳化硅n+衬底；2、碳化硅n-外延层；3、p+注入区；4、欧姆接触电极；5、肖特基接触电极；6、第一双极性传输层；7、第二双极性传输层；8、阴极欧姆接触电极。
具体实施方式
22.下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
23.如图1所示，是本发明具有高浪涌电流的碳化硅mps二极管层结构示意图，包括欧姆接触电极4、碳化硅n+衬底1、碳化硅n-外延层2、肖特基接触电极5、多个p+注入区3、第一双极性传输层6、第二双极性传输层7、阴极欧姆接触电极5，其中阴极欧姆接触电极5、碳化硅n+衬底1和碳化硅n-外延层2从下至上依次层叠设置，多个p+注入区3间隔的设置在碳化硅n-外延层2的上层，欧姆接触电极4位于多个p+注入区3上方，肖特基接触电极5位于欧姆接触电极4之间。
24.本发明核心创新点是在碳化硅n-外延层2的两侧设置双极性传输层，位于碳化硅n-外延层2上方并包含p+注入区3的为第一双极性传输层，碳化硅n-外延层2与碳化硅n+衬
底1之间为第二双极性传输层7，第一双极性传输层6包含所有p+注入区3。双极性传输层的厚度大于多个p+注入区3的深度，掺杂浓度大于碳化硅n-外延层2的掺杂浓度，杂质掺杂分布为线性分布，从上往下掺杂浓度从高往低分布。
25.上述结构通过在碳化硅n-外延层2上设置掺杂浓度高于外延层浓度的变掺杂双极性传输层，降低mps二极管从单极性工作状态到双极性工作状态的转折电压，即mps二极管的pn结导通电压，从而使二极管在较低的正向电流下进入双极性工作状态，降低二极管的导通电阻，使二极管的大电流工作温度降低，拥有更高的抗浪涌电流能力。同时双极性传输层的设置可以提高二极管的反向击穿电压。
26.本发明还可以做如下改进，优选第一双极性传输层6与第二双极性传输层7掺杂分布设置为线性分布，从上往下掺杂浓度从高往低分布，最高掺杂浓度和外延层掺杂浓度相同，这样在提高二极管的抗浪涌能力同时，避免正常工作状态下肖特基电流的降低。
27.为了便于将如图2所示的第一种传统碳化硅mps二极管的性能与本发明的碳化硅mps二极管作对比，本实施例采用相同掺杂水平、相同尺寸制作sic mps二极管：碳化硅n-外延层2的掺杂浓度为2e16cm-3
，碳化硅n-外延层2的厚度为6微米；采用金属ti合金作为肖特基接触电极5，采用金属ni作为欧姆接触电极4；碳化硅n+衬底1层厚度为180微米，掺杂浓度为1e20cm-3
；p+注入区3掺杂浓度为5e19cm-3
，宽度为2.5微米，结深为0.6微米，间距为4微米，p+注入区3一共有2个p+注入环；第一双极性传输层6掺杂浓度从2e16cm-3
到1e16cm-3
从高到低线性分布，厚度为1微米；第二双极性传输层7掺杂浓度从2e16cm-3
到1e16cm-3
从高到低线性分布，厚度为1微米。
28.采用tcad软件silvaco搭建如图1、图2的器件结构，在二极管肖特基电极上施加正向电压，得到正向电压和正向电流的关系曲线，如图3所示。a曲线为常规sic mps二极管的正向电流曲线，b曲线为本专利实施例的mps二极管正向电流曲线。从图3可以得到，如图2所示的传统mps二极管在15a下正向导通电压为1.34v，pn结导通电压为5v，此时电流为110a；得到本发明实施例的mps二极管在15a下正向导通电压为1.39v，pn结导通电压为4.5v，此时电流为90a。
29.可见本发明实施例的具有高浪涌电流的碳化硅mps二极管pn结导通电压相对于第一种传统mps二极管降低了约10％，而在15a常规工作电流下的导通压降仅增加3.7％，即工作导通压降并没有因为双极性传输层提高太多。
30.由传统mps二极管和本发明实施例的mps二极管的在周期为10ms峰值为115a的正弦电流波形下温度曲线可知，如图4所示，a曲线为常规sic mps二极管的温度曲线，b曲线为本专利实施例的mps二极管温度曲线。可以看出实施例的mps二极管峰值温度为870k，而传统mps二极管的峰值温度达到1100k，降低了约21％，可以看出本专利实施例的mps二极管在大电流下有更低的芯片温度，抗浪涌电流能力强。
31.在二极管阴极欧姆接触上施加电压，得到反向电压和反向电流的关系曲线，如图5所示。b曲线为常规sic mps二极管的反向电流曲线，a曲线为本专利实施例的mps二极管反向电流曲线。可以看出实施例的mps二极管反向击穿电压为810v，而传统mps二极管的反向击穿电压为780v，降低了约4％，可以看出本专利实施例的mps二极管有更好的反向性能。
32.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改
进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。