一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管

本申请属于功率半导体器件领域，更具体地，涉及一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管。

背景技术：

1、高幅值、快前沿的脉冲功率技术广泛应用于等离子体产生、超宽带等领域。功率半导体器件作为脉冲功率系统中的核心开关元件，其静态特性和动态特性决定着脉冲功率系统的输出性能。功率半导体器件的静态耐压能力、导通电阻、电压下降率等特性是作为脉冲开关元件的关键参数。

2、雪崩晶体管作为一种应用于ns级和ps级脉冲功率系统的超高速、快前沿半导体脉冲功率器件，具有高速、高可靠性等一系列优异特性。目前应用较多的雪崩晶体管是硅基雪崩晶体管，受限于硅材料的禁带宽度等材料特性影响，现有的硅基雪崩晶体管静态耐压能力不足，通常在百伏级别。在千伏级脉冲需求上需利用多个硅基雪崩晶体管通过串联、并联、级联等方法搭建脉冲电路，电路拓扑较为复杂且可靠性有待提高。

3、目前应用较多的开通方式是基极触发开通和快速上升沿触发开通，两种开通方式都会使集电极n0外延层与p+基区层承受大部分耐压。集-基结的耐压不均匀是导致器件提前开通，局部均匀开通，局部电流过高等现象的主要原因。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管，旨在解决现有硅基雪崩晶体管静态耐压低、导通电阻高、动态开通的电压下降率低的问题。

2、本申请提供了一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管，包括依次设置的集电极背面金属、集电区n+衬底层、集电区n0外延层、p+基区层和n+发射区层；p+基区层中设置高掺杂的欧姆接触区域，同时在集电区n0外延层边缘通过离子注入形成高掺杂的浮空保护环作为终端，在离子注入处用碳膜层保护注入窗口；在碳膜层上淀积氧化层；分步骤淀积的基区电极和发射区电极，基区电极与设置的欧姆接触区域相连，发射区电极穿过所述氧化层后与n+发射区接触。

3、在本申请实施例中，集电区n+衬底层的材料为n型4h-sic-p，4h-sic-p衬底的厚度为100um～200um，宽度为400um～600um，其n+掺杂浓度为1*1020cm-3～1*1021cm-3。

4、其中，集电区n0外延层的材料为n型4h-sic-p，4h-sic-p外延层的厚度为8um～10um，宽度为400um～600um，其n0掺杂浓度为1*1014cm-3～1*1015cm-3。

5、其中，p+基区层的材料为p型4h-sic-b，p+基区层的厚度为1um～3um，宽度为300um～400um，其p+掺杂浓度为1*1017cm-3～1*1018cm-3。

6、其中，n+发射区层的材料为n型4h-sic-p，n+发射区层的厚度为1um～3um，宽度为250um～350um，其n+掺杂浓度为1*1021cm-3～1*1022cm-3。

7、其中，p+基极欧姆接触的材料为p型4h-sic-b，厚度为0.3um～0.5um，宽度为10um～20um，其p+掺杂浓度为1*1020cm-3～1*1021cm-3。

8、其中，浮空保护环材料为p型4h-sic-b，厚度为0.3um～0.5um，单个浮空保护环宽度为10um～20um，其p+掺杂浓度为1*1020cm-3～1*1021cm-3。

9、其中，p+基区层、n+发射区层与集电区n0外延层表面覆盖一层碳膜保护层，厚度为1um～2um，宽度为400um～600um。

10、其中，碳膜层上覆盖一层sio2氧化层，氧化层的厚度为3um～5um，宽度为400um～600um。

11、在本申请实施例中，基极电极由金属al、au依次沉积，底部穿过sio2氧化层和碳膜保护层后与p+基极欧姆接触相连接，厚度为10um～20um；集电区电极由金属al、au依次沉积在集电区n+衬底层上，厚度为10um～20um；发射区电极由金属al、au依次沉积，底部穿过sio2氧化层和碳膜保护层后与n+发射区接触，厚度为10um～20um。

12、对于上述的厚度和掺杂浓度，为了提高器件耐压，可以通过增加集电区n0外延层厚度和降低集电区n0外延层掺杂浓度达到目的，但是器件的导通电阻也会随着厚度的增加和掺杂浓度的降低而增加，导通电阻增加会对器件的开通特性产生负面影响。因此需要综合考虑厚度和掺杂浓度的选择，由于碳化硅基材料具有10倍于硅基材料的临界击穿电场强度，因此可以满足在选择更小的集电区n0外延层厚度和更高的掺杂浓度以降低导通电阻的同时，还能保证器件耐压高于常规硅基雪崩晶体管的耐压。

13、通过本申请所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本申请在现有的硅基雪崩晶体管基础上采用碳化硅基材料，设计高耐压的碳化硅基雪崩晶体管，在耐压等静态特性和电压下降率等动态特性方面在原有的硅基雪崩晶体管基础上得到明显提升。

14、根据碳化硅基工艺，采用浮空保护环作为碳化硅基雪崩晶体管的终端，可与p+基区欧姆接触工艺同时进行，有效简化工艺步骤的同时，减小集电极-基极结部分电场的电场尖峰，提高雪崩击穿电压。

15、在硅基雪崩晶体管利用场板+sipos层作为终端的基础上，采用浮空保护环作为碳化硅基雪崩晶体管的终端，可有效解决原场板+sipos层终端无法平滑碳化硅基雪崩晶体管内不均匀尖峰电场的问题，有效避免尖峰电场的形成。

技术特征：

1.一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，包括依次设置的集电区电极、集电区n+衬底层(1)、集电区n0外延层(2)、p+基区层(3)和n+发射区层(4)；p+基区层中设置高掺杂的欧姆接触区域(5)，同时在集电区n0外延层(2)边缘通过离子注入形成高掺杂的浮空保护环(6)作为终端，在离子注入处用碳膜层(7)保护注入窗口；在碳膜层上淀积氧化层(8)；分步骤淀积的基区电极(11)和发射区电极(10)，所述基区电极(11)与设置的欧姆接触区域(5)相连，所述发射区电极(10)穿过所述氧化层(8)后与所述n+发射区(4)接触。

2.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，所述集电区n+衬底层(1)的材料为n型4h-sic-p，4h-sic-p衬底的厚度为100um～200um，宽度为400um～600um，其n+掺杂浓度为1*1020cm-3～1*1021cm-3。

3.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，所述集电区n0外延层(2)的材料为n型4h-sic-p，4h-sic-p外延层的厚度为8um～10um，宽度为400um～600um，其n0掺杂浓度为1*1014cm-3～1*1015cm-3。

4.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，所述p+基区层(3)的材料为p型4h-sic-b，p+基区层的厚度为1um～3um，宽度为300um～400um，其p+掺杂浓度为1*1017cm-3～1*1018cm-3。

5.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，所述n+发射区层(4)的材料为n型4h-sic-p，n+发射区层的厚度为1um～3um，宽度为250um～350um，其n+掺杂浓度为1*1021cm-3～1*1022cm-3。

6.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，p+基极欧姆接触的材料为p型4h-sic-b，厚度为0.3um～0.5um，宽度为10um～20um，其p+掺杂浓度为1*1020cm-3～1*1021cm-3。

7.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，浮空保护环材料为p型4h-sic-b，厚度为0.3um～0.5um，单个浮空保护环宽度为10um～20um，其p+掺杂浓度为1*1020cm-3～1*1021cm-3。

8.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，p+基区层、n+发射区层与集电区n0外延层表面覆盖一层碳膜保护层，厚度为1um～2um，宽度为400um～600um。

9.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，碳膜层上覆盖一层sio2氧化层，氧化层的厚度为3um～5um，宽度为400um～600um。

10.如权利要求1所述的碳化硅基雪崩晶体管，其特征在于，基极电极由金属al、au依次沉积，底部穿过sio2氧化层和碳膜保护层后与p+基极欧姆接触相连接，厚度为10um～20um；

技术总结
本申请公开了一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管，包括依次设置的集电区电极、集电区n+衬底层、集电区n0外延层、p+基区层及n+发射区层；p+基区层中设置高掺杂的欧姆接触区域，同时在集电区n0外延层边缘通过离子注入形成高掺杂的浮空保护环作为终端，在离子注入处用碳膜保护注入窗口；在碳膜上淀积氧化层；还有分步骤淀积的基区电极和发射区电极，其中基区电极与设置的欧姆接触区域相连，发射区电极穿过氧化层后与n+发射区接触。本申请提供了一种高耐压的碳化硅基雪崩晶体管，解决了现有硅基雪崩晶体管静态耐压低、导通电阻高、动态开通的电压下降率低的问题。

技术研发人员：梁琳,温凯俊
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9