專利名稱：碳化硅超快速高溫整流二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用半導體材料制作的整流器，特別涉及以碳化硅制作的高溫高頻整流二極管。
功率電子技術是利用電子功率器件來處理電子功率的轉變，控制和調(diào)節(jié)的工程領域。電子功率，就其基本形式(交流或直流)、有效電壓或電流、頻率和功率而論，都是可被控制的。隨后，電子功率的控制又常被用來維持或獲得或調(diào)整某些其它的非電學因素、諸如馬達的速度，加熱裝置的溫度或光的產(chǎn)生或測量。電子功率的控制也被用于構成電子計算機的操作、控制和應用的基礎的邏輯電路。
在現(xiàn)代技術中、固體器件已在電子功率的轉變、控制和調(diào)整的多數(shù)應用中、以及在計算機工業(yè)中幾乎獲得普遍的承認。半導體器件的可靠性大、速度快、效率高、尺寸小而且往往造價低廉。
固體器件的一個基本類型是整流二極管。如熟悉電子器件的技術人員所周知，二極管是半導體器件的最簡單的型式，二極管最直接的應用是整流，也即將交流轉變?yōu)橹绷?。二極管由于它允許電子沿一個方向流通，但是阻塞了電子沿另一個方向的通路而作為電子通路的單向壁壘。因此，二極管作為開關器件是實用的。按電子學術語，二極管被認為是流過正向(正偏置)電流，而阻擋反向(反偏置)電流。任一指定的二極管的特性、一般可用施加于二極管的電壓(V)和電流(I)之間的關系來測定。
如熟悉電子器件的技術人員進一步周知，然而反方向的電流不總是完全被阻斷。當施加反向電壓(VR)時，有一小量反向電流(IR)將流過二極管。因此，任一二極管的反向電流被定義為在指定的反向電壓所流過的電流值。但是，最終會達到一個使二極管的整流或阻擋電子能力開始完全崩潰的電壓值。這一點被稱為反向擊穿電壓(VBR)，并表示在該點，二極管耗盡區(qū)內(nèi)的電子進行了雪崩倍增或隧道穿通、在此電壓下，電流將顯著增大，其結果一般因它產(chǎn)生的高瓦數(shù)和有害的熱而毀壞該二極管。
因而，二極管的性能一般用五個基本特性參數(shù)表征正向電流(IF)，控制二極管在不燒毀的情況下的電流值;
正向電壓(VF)，反向電流(IR)，產(chǎn)生所要求的正向電流電平所需的電壓電平;在指定的反向電壓下，通過二極管漏泄的電流值;
反向擊穿電壓(VBR)，超過該電壓，反向電流開始急速上升的反向電壓;
反向恢復時間(trr)，二極管恢復正向導通并開始重新阻擋反向電流所需的時間。
反向恢復時間是定義一個指定的二極管或整流器可控制的交流頻率的重要特性。交流電流的頻率越高，為將此電流整流，二極管必須響應的越快。
任一此類器件的特性，當然在很大程度上依賴于制作半導體器件的材料。不同的材料具有不同的固有的電子特性，對于任一指定的半導體材料，可制造的器件質量一般將依賴晶體的結構，純度和用這種材料可完成的適量摻雜。
碳化硅早已是一種用于制造此類半導體電子器件的應選材料。碳化硅具有若干使它在理論上有益于此類應用的特性。這些特性包括帶隙寬、熱導率高，介電常數(shù)低、飽和電子遷移率高，擊穿電場高、少數(shù)載流子壽命低、以及離解溫率高?？偫紤]，這些性能預示由碳化硅制作的半導體器件應該可在比用其它半導體材料制作的器件高許多的溫度、以及在更快的速度和更高的功率電平下工作。
盡管如此，由碳化硅制作的整流二極管和其它半導體電子器件尚須使它成為一種除在實驗研究之外的任何情況都可生存的狀態(tài)，還必須使它獲得商業(yè)潛力。這沒有獲得成就，至少部分原因在于，在加工碳化硅中所碰到的困難。它是一種極其硬的材料，常常被用作磨料。它往往必須在極高的溫度下工作，在那種高溫下，其它材料不能工作，而且從半導體的觀點看，其結晶大大超過150種聚(晶類)型，大多數(shù)的晶類由相當小的熱力學上的差異才能區(qū)別開。由于后一種原因，對于一定器件所需的碳化硅單晶薄膜的生產(chǎn)和作為襯底材料用及其它應用的碳化硅大單晶的生產(chǎn)仍是個難以捉摸的目標。另外，對其它材料已被成功地開發(fā)的一定的摻雜工藝，當用于碳化硅時，已被證實是失敗的。最后，還必須使適合整流目的Pn結成功地獲得實用的和商業(yè)的潛力。
但是，最近已出現(xiàn)若干進展，成功地完成碳化硅的單晶體和薄膜的生長。這些進展被包含在數(shù)項美國專利和專利申請中。這些專利是下列美國專利Davis等人的No4-“β-sic薄膜的生長及在其上制作的半導體器件”(系列號07/113.921。1987、10、26申請);Davis等人的No4-“α-Sic薄膜的均勻外延生長及在其上制作的半導體器件”(系列號07/113，573。1987、10、26申請);Palmour的No4，865、685?！疤蓟璧母煞ǜg”以及Davis等人的No4，866，005“為生產(chǎn)大的和器件純度的碳化硅單晶的碳化硅的提純”。
確定有某性能參量的Pn結的適當生產(chǎn)是制作整流二極管的基礎步驟。所以，已指示了碳化硅在理論上的有利條件，和制造改進這種包括整流器的器件結的必要性，則制造這種碳化硅結的方法就具有顯著的意義。大多數(shù)的成果研制出生產(chǎn)被稱為“熔合”結的方法。在這種結中，P型和n型碳化硅的交錯區(qū)相互接觸，形成Pn結。典型的工藝包括將一種摻雜劑金屬直接熔在碳化硅的表面上，使得一些摻雜劑溶解到碳化硅內(nèi)，產(chǎn)生一個反型的摻雜區(qū)，其邊緣形成Pn結。另一些方法采用，先單獨形成P型和n型碳化硅部分，再用多種方法將它們相互熔合，形成Pn結。另一些工藝、努力促成在相反導電類型的碳化硅襯底上，外延生長P型或者n型碳化硅。其它一些方法、包括解決基本工藝辦法。在一個相關的美國(續(xù))申請中，已說明成功的利用離子注入工藝導致適當?shù)慕Y;“摻雜劑在碳化硅單晶內(nèi)的注入和電激活”系列號No，07/365，333，1989，5，24申請。
同樣，做一些實驗，已在碳化硅內(nèi)制作出效果良好的整流二極管。這些試驗包括在特定的金屬與n型，或與P型碳化硅之間的整流接觸(肖特基二極管)，前述的熔合技術，將金屬整流接觸沉積到碳化硅上的電弧或濺射工藝，在包括碳化硅的二極管材料之間建立多級傳遞、以及用玻璃狀的非晶材料薄層作碳化硅整流器件中的有源層。
更近一些，如本文前面所述，已說明用化學汽相淀積(CVD)在硅上，或在碳化硅襯底上生產(chǎn)高品位的碳化硅外延層的碳化硅生長工藝。用這些工藝、其它一些研究者也做了試驗，成功地在碳化硅上形成整流二極管。例如，庫羅達(Kuroda)等人的“在低溫、多級受控的VPE生長Sic單晶”第19次固體器件和材料討論會補從摘要，東京，1987，PP223-230，介紹了他們的試驗、用CVD工藝形成鄰接的P和n外延層，生產(chǎn)碳化硅二極管。在他們的文章中，庫羅達(Kuroda)等人報導了所生產(chǎn)的二極管的反向擊穿電壓大約的為100V，3V左右時正向電流大約為400μA。
Kuroda沒有報導反向恢復時間這一整流二極管的重要特性及生產(chǎn)一種緩變的Pn結。如熟悉此類器件的技術人員所知，結的特性基本上確定了整個器件的特性，一個緩變結是這樣的一種結，在結內(nèi)的第度存在于兩相反類型電荷載流子(電子或空穴)之間，可跨結延伸一些距離，包括大到1μ或1μm以上的距離。相反，一個突變結表現(xiàn)為從一種整流子類型到另一種載流子類型的陡峭的變化。熟悉此類器件技術人員更進一步周知，確定一個結是緩變結還是突變結的一種技術是測量二極管的電流對電壓的關系。一般說來，當直接畫出電容對電壓的關系曲線時，呈現(xiàn)一種非線性關系。然而，在電容平方的倒數(shù)或電容立方的倒數(shù)與電平之間存在一種線性關系。若電容平方的倒數(shù)與電壓之間的關系是線性的，可以認為二極管具有一個突變結。另一種情況，若電容的立方的倒數(shù)對電壓的關系曲線是線性的，可以認為結是緩變的。如庫羅達(Kuroda)的陳述，用他的工藝制作的二極管呈現(xiàn)這種緩變結。
另外，Kurada二極管工作在微安范圍內(nèi)，比應該在多數(shù)功率設備中使用的別的二極管的電流量值要小些。最后，盡管碳化硅的一個合乎要求的特性是它產(chǎn)生藍光的能力，但對于整流二極管來說，一個重要的特性是在高溫度工作，而Kuroad沒有說明任一效果良好的二極管不在室溫下應用。
所以，本發(fā)明的一個目的是提供一種以碳化硅制成、可以在高頻，高反向電壓和高溫工作的，具有突變結和低正向電阻的整流二極管。
本發(fā)明的整流器包括一片單晶碳化硅襯底，其襯底為第一導電類型，具有充足的載流子濃度;一層在襯底上的第一碳化硅外延層，具有與襯底相同的導電類型;以及一層在第一外延層上的第二碳化硅外延層，具有與第一外延層相反的導電類型。第一和第二外延層分別具有不同量級的載流子濃度，其濃度差足以使?jié)舛鹊偷耐庋訉釉诜雌孟禄旧鲜呛谋M的。第一和第二外延層在兩層之間形成一個突變的Pn結。
下面結合附圖，考慮本發(fā)明的詳細說明，會使本發(fā)明的上述和其它目的，優(yōu)點和特點，以及完成本發(fā)明的方法變得更加容易明白，


了優(yōu)選的和典型的實施例。
圖1是本發(fā)明整流二極管的原理示意圖;
圖2是依本發(fā)明的園形臺面整流二極管的透視圖;
圖3和圖4是本發(fā)明整流二極管的另一實施例的原理示意圖;
圖5是依本發(fā)明的整流二極管的電流對電壓的曲線圖，突出在-400V偏置下，在室溫和350℃的反向漏電流;
圖6是電流對正偏置電壓的曲線圖，突出了在室溫和350℃的到400mA的正向電壓降;
圖7表示依本發(fā)明的二極管的電容和反偏置電壓到-20V的關系曲線;
圖8是本發(fā)明的二極管的電容量平方倒數(shù)對控制電壓的曲線圖，并表示二者間的線性關系;
圖9是對根據(jù)本發(fā)明的二極管用二次離子質譜儀(SIMS)測得的鋁原子濃度對深度的曲線圖;
圖10是對根據(jù)本發(fā)明的一個400V二極管用電容-電壓測量測得的在n型層的施主載流子濃度對深度(深到-20V反偏置)的曲線圖;
圖11和圖12分別表示工作在室溫和350℃下顯示依本發(fā)明的二極管的反向恢復時間的開關電路中的電流和時間的關系曲線;
圖13是從本發(fā)明二極管測得的和預計的反向擊穿電壓值，擊穿時耗盡層的寬度，載流子的濃度和最大電場演變而來的綜合曲線圖;
圖14和圖15是依本發(fā)明的另一種二極管分別工作在室溫和350℃時，電流對電壓的曲線圖。
圖1是本發(fā)明整流二極管10的第一實施例的原理示意圖。該整流二極管10包括一個單晶碳化硅襯底11，該襯底賦予襯底11為第一種導電類型具有充足的載流子濃度，或者為P型，或n型。如熟悉電子器件的技術人員所周知，載流子的兩種類型是電子和空穴。電子是原子內(nèi)的粒子、空穴代表原子內(nèi)的空位，電子可移動到空穴內(nèi)。當一些電子移動到這種原子位置時，它們就留下一些未填充的位置，就是空穴、因而任何電子器件中的電流可以被認為是電子流，可以是空穴流、只是各自沿相反方向流動。如熟悉本工藝的技術人員所進一步周知，在一種材料，如在碳化硅中，載流子一般由摻雜劑摻入;摻雜劑就是在每個框架位置上的原子具有比半導體材料本身具有的電子數(shù)目多或少的原子。具有多余電子的摻雜劑通稱施主原子，提供額外的電子。具有比碳化硅原子所有的電子數(shù)還少的原子提供額外的空穴，并通稱為受主原子。
第一單晶碳化硅外延層12位于襯底11之上，其導電類型與襯底11的導電類型P或n相同，但載流子濃度小于襯底11的載流子濃度。例如，當襯底11和外延層12都是n型時、襯底中的載流子較大的數(shù)通常用簡記標號n+代表，而第一外延層中較少的或正常的濃度常簡單地用n代表。
第二單晶碳化硅外延層13位于第一外延層12上，其導電類型與第一外延層相反，在本發(fā)明的第一實施例中，載流子濃度大于第一外延層12的濃度。這樣，如在前面優(yōu)選實施例的討論中，當襯底11是n+，第一外延層是n時，第二外延層13就標以P+。P+外延層13的載流子濃度與n+襯底11的載流子濃度不必彼此相等。如本文所用的，與一般標號n相比，標號n+或P+僅僅指明，襯底11中的載流子多于外延層12的載流子，同樣，第二外延層13的載流子多于第一外延層12的載流子。
如熟悉整流結的技術人員周知，結的P側和n側的各自載流子濃度顯著不同，大約有一個量級或一個量級以上的差別、結每一側的載流子都有移動并建立一種平衡的趨勢，這導致從一側移動的載流子多于從另一側移動的載流子。詳細地說，有較多的載流子從粒子數(shù)高的一側移動到濃度低的一側。例如，如果結是P+n結，移動進入n層的空穴將多于移動進入P+層的電子。在反向偏置條件下也將顯示出這種特性的本身，因而，載流子濃度低的層將是在反偏置下，載流子顯著被耗盡的層。
在特定的實施例中，整流二極管，一般標為10，將包括一個與襯底的歐姆接觸14和另一個與第二外延層的歐姆接觸15。在特定的實施例中，與襯底11的歐姆接觸14可以包括一種金屬，如鎳，而與第二外延層13的歐姆接觸13的歐姆接觸15可以包括一種金屬，如鋁或一種雙金屬，例如，由鋁合金制作的接觸。在另一優(yōu)選的實施例中，整流二極管還可以包括一個靠近Pn結的二氧化硅鈍化層16。
在如圖1所示的實施例中，整流二極管有一臺面結構，其中，外延層12和13與襯底11的一部分有一個比襯底的其余部分較薄的剖面輪廓。按此結構，分立的二極管，一般是彼此相連的成批制作，在不損傷外延層或不影響Pn結、換言之、或不改變晶體結構質量的情況下分開。另外，管芯的大小可以調(diào)整，以應付各種電流的需要。
如圖2所示，在一個實施例中，外延層12和13以及歐姆接觸15一般是園形的。最后的園形Pn結避免了由其它幾何形狀引起的場效應和電荷濃度問題。另外，該形狀便于鈍化，并且如上所述，便于將二極管劃開，而不損傷它的結。另一種結構，如平面二極管也是可行的，但是除要求本發(fā)明的外延生長工藝外，還要求擴散或離子注入工藝。
根據(jù)實際粒子數(shù)，可將本發(fā)明的整流二極管制成具有合乎要求的擊穿電壓。這種二極管的特性如圖13所示，從中可以看出，例如，當要設計擊穿電壓為100V的二極管時，所要求的濃度近似2.4×1017/cm3，而且要求擊穿時耗盡層寬度為0.68μm。所以，在n型的情況，為防止該外延層的厚度是擊穿電壓的極限參數(shù)，其厚度一般要超過這個最小耗盡層的厚度。那么，對于這種擊穿電壓為100V的二極管，第一外延層12的厚度至少應在0.68μm的量級，載流子濃度大約為2.4×1017/cm3。襯底的載流子濃度應該再大一個數(shù)量級;而第二外延層13的載流子濃度應大致與襯底有相同的數(shù)量級。如圖所示，圖13的實線部分代表根據(jù)測試數(shù)據(jù)的關系曲線，而虛線部分代表預期從測試外推的關系曲線。
特別是，依發(fā)明的二極管將有一個從圖13的AG線上選定的擊穿電壓(以V表示)，該電壓在CD線上確定一個直接水平對著的點。相對應的耗盡層寬度(μm)是在圖13上從CD線上已確定的點直接下降到正下方的EF線上的一點，與該點直接水平對著的AG線上的一點所選定的。相對應的載流子濃度(原子/cm3)是在圖13上從CD線和EF線上已確定的點直接垂直下降到正下方的GH線上的一點選定的。
第一實施例的二極管的特殊結構，即用了濃度較高的n+優(yōu)選襯底，n第一外延層和P+第二外延層、給出一個低的正向電阻和一個高的擊穿電壓，而濃度較高的第二外延層13又易于給出一個突變結。其效果是(得到)一個在正向電壓為3V時正向電流約為200mA，反向擊穿電壓超過400V的二極管。先前的二極管如Kuroda介紹的二極管，同樣在3V的正向電壓下，其正向電流只有約400μA。同樣，Kuroda二極管在-100V就呈現(xiàn)擊穿。簡而言之，本發(fā)明的二極管比已有技術的二極管、在正偏置時其性能要好500倍左右，在反偏置時要好4倍左右。
這些特殊效果最好用圖5和圖6的曲線圖說明。
在第一實施例中采用P+n結導致n型外延層成為二極管在反偏置時的最顯著地被耗盡的層。氮是一種典型優(yōu)選n型摻雜劑，并且可以被稱為“淺”施主，其效果使得載流子濃度隨溫度的變化-以及二極管的最終電學性能-比深能級摻雜劑更適中。如熟悉此種器件的技術人員周知，低摻雜外延層的載流子濃度基本上控制著器件的反偏置特性。所以，載流子濃度應該盡可能按所要求地保持恒定。因而，在一定的情況下，低摻雜外延層用n型勝于用P型，因為氮(典型的n型摻雜劑)電離隨溫度的變化小于鋁(典型的P型摻雜劑)電離隨溫度的變化。
第一實施例特殊結構的另一原因是，與更有利的較低電阻率n+襯底相比，能避免高電阻率的P+襯底。而且外延層的P+特性按要求地促進了n外延層的耗盡。因為，本發(fā)明的二極管是用碳化硅制成的，它們可在比由其它材料，如硅制成的半導體器件工作的典型溫度還高的溫度下良好地工作。例如，圖5表示，當本發(fā)明的整流二極管工作在350℃溫度時，在-400V的反向漏電流不大于80μA。圖6表示同樣的二極管在25℃和350℃時的正向偏置特性。
圖3和圖4表明本發(fā)明的另一個實施例，它的n型外延層有較高的載流子濃度，而P型層成為在反偏置時最終最顯著地被耗盡的層。圖3表明一個由單晶碳化硅形成的n+型襯底20，一層在襯底20上，具有導電類型相同的n+型碳化硅單晶外延層21和一層在第一外延層21之上具有與第一外延層21相反的導電類型的P型第二單晶外延層22。如符號n+和P所代表的，第一外延層21的載流子濃度至少比第二外延層22大一個數(shù)量級，以致第二外延層在反偏置下是最顯著地被耗盡的層。在最佳實施例中，在第二外延層22上設有一個第三單晶外延層23，具有與第二外延層22相同的P型導電類型，其載流子濃度最好比第二外延層的載流子濃度大，以便減低整個二極管的接觸電阻。
如先前的實施例，Davis型CVD，在第一和第二外延層21和22間提供一個突變Pn結。
由于(大家都)清楚的緣故，雖然沒有詳細說明，但二極管還包括各自的襯底的歐姆接觸和第二外延層或第三外延層(若存在的話)的歐姆接觸。由本發(fā)明可以看出，此實施例也提供了優(yōu)良的二極管特性。如先前對第一實施例所述，在一定的情況，P型層有些不適合做為在反偏下被顯著耗盡的層，因為溫度對由理論預料到的激活了P型摻雜劑的濃度的影響較大。然而，實際上在實驗上已測定，P型外延層有些被另外存在的施主原子所補償，因而P型層的粒子數(shù)不像理論所預料的隨溫度起伏那樣大。
用非故意補償?shù)腜層，或用故意補償n型做反偏置下的主要耗盡層，在該層內(nèi)可獲得較小的載流子濃度。較小的載流子濃度本身又為二極管提供一個較高的擊穿電壓合乎理想的好結果。如熟悉碳化硅的技術人員所周知，不能制作出載流子濃度低于1×1016/cm3的未補償?shù)膎晶體或外延層。一般說來，這是由于CVD生長工藝的性質和所用的源氣的純度產(chǎn)生的結果。
對最小載流子濃度的這些限制，用n層和P層的輕補償可以克服，因此，可獲得低到5×1014/cm3的載流子數(shù)目。這將導致上述的較高的擊穿電壓。在此實施例中，可預料，在-55℃～350℃的溫度范圍內(nèi)的反向擊穿電壓可高達-5000V。同樣，在20℃～350℃的溫度范圍內(nèi)，在低至2.7V的正向電壓下，正向電流可達10A。另外，二極管的反向恢復時間小于20ns，經(jīng)常小于10ns。當然，如熟悉半導體二極管的技術人員所周知，對任一特定的二極管，器件的有型尺寸將限制或容許一些工作特性。在指定的額定正向電壓下，較大的結容許較大的電流。
不用說，雖然圖3所示的結構具有n+襯底，然后是n+、P-、P+外延層排列。同樣，該二極管也可包括一個P+襯底和第一外延層，然后是n-和n+外延層，當在反偏置下n型層最顯著地被耗盡時，具有早已介紹過的另外一種優(yōu)點。
圖4表示本發(fā)明的另一個六角形的二極管。六角形二極管相對于比圖2所示的圖形臺面二極管提供另一種優(yōu)點。雖然六角形有角，但這些角度較緩。而且，六角形比相同尺寸的管芯具有較大的結面積，而且在玻璃灌封器件中易于封裝。
圖14和圖15表明用6A-Sic制成的本發(fā)明二極管的另一些特性，以及在室溫(圖14)和350℃(圖15)測定并且繪出的電流對電壓(I-V)曲線關系。特定器件具有一個n+襯底，一層n+第一外延層，一層P-第二外延層，以及一層P+第三外延層。在室溫，峰值反向電壓達到455V，在該電壓下發(fā)生雪崩擊穿。擊穿在約420V開始出現(xiàn)，其反向漏電流為4μA，在450V增加到50μA。此后，器件工作在電流隨電壓線性增加的雪崩狀態(tài)。圖14的右側表明此類器件的正偏置特性。在室溫6H-Sic的帶隙約為2.9eV。這就給出一個相應于二極管的導通電壓的，范圍約為2.4～2.5V的自建結電勢。此后，電流急速隨電壓增加，并受Sic的串聯(lián)電阻限制。換言之，如電阻完全不存在(實際上不可能)，電流將是無限的，但在室溫導通電壓將仍維持在2.4～2.5V范圍。
圖15表明二極管工作在350℃時的電流-電壓特性曲線。在反偏置時，擊穿電壓仍保持相同。然而預擊穿電壓，如曲線在-400V和-450伏間的園彎曲處所表征的，稍有增加。這可能是由于熱產(chǎn)生的載流子，而不是對二極管的反向飽和電流(Js)有貢獻的那些載流子。在350℃JS約為10-14A/cm2。
當把二極管加熱到350℃時，導通電壓約降低到2.0V。這種電壓隨溫度增高而降低的現(xiàn)象可能是材料帶隙的降低，而且增加了本征載流子濃度的結果。
圖7和圖8表明依本發(fā)明制成的二極管的突變結的特性曲線。圖7為直接測出的對外加電壓的曲線圖，并顯示非線性關系，但當電壓變得更正時，電容還是成比例的增加。更重要的是，圖8表示當把電容平方的倒數(shù)對外加電壓繪成圖時，基本演變一直線關系，這說明該結是突變結，而不是緩變結。如先前對現(xiàn)有技術二極管的介紹，當電容平方的倒數(shù)對電壓的曲線圖仍是非線性，而電容量立方的倒數(shù)對外加電壓的曲線圖變?yōu)榫€性時，該結是緩變的，導致較低的擊穿電壓的器件和不能快速工作的二極管。
圖9表示另一種測試技術的結果，進一步表明圖8所示的結果。如附形所示，圖9是鋁(P+外延層內(nèi)的受主原子)的粒子數(shù)及其穿過Pn結的變化的SIMS曲線圖。圖中所示的急速垂直下降表示在結附近受主原子總數(shù)快速而急劇的變化，并賦予本發(fā)明二極管以預期的性能。圖10表示用電容-電壓測試法確定的未補償?shù)膎型外延層的載流子濃度，這里所示，反映在圖13中，一個VBR為580V的二極管，是由在n型的載流子濃度近似為2.2×1016/cm3產(chǎn)生的。
依本發(fā)明制做的二極管還具有在高頻工作的能力，即它可把高頻交變的電流整流。如熟悉此種器件的技術人員所知，當將反偏置施加給一整流二極管時，二極管阻擋反向電流通過，在結附近建立起一耗盡區(qū)。該區(qū)具有一定電容量，這要在去掉反偏施加正偏之后，花費時間放掉。
這個時間間隔通稱反向恢復時間(trr)。在碳化硅中，少數(shù)載流子的壽命是很短的，所以與少數(shù)載流子壽命成正比的反向恢復時間應是很短的。然而，在本發(fā)明之前，從未說明好到足以提供可測反向恢復時間的整流Pn結，如圖11和圖12的圖形所示，可是本發(fā)明的整流二極管已被證實具有足以容許實驗測量反向恢復時間數(shù)據(jù)的質量，已確定最大反向恢復時間約短到5-8ns。在更高溫度的同樣測試也是與預期的相符合的。一般，在硅中，整流二極管的反向恢復時間在100～200ns已被認為是快的。Schottky二極管稍快些，但反偏壓被限制到近似-200V。因而，反向恢復時間是任一指定的特殊器件的一種特性。已證實依本發(fā)明制作的二極管，其反向恢復時間始終如一地小于10ns。
本發(fā)明的整流二極管是根據(jù)本文先前提出的Davis等人披露的成功地在離軸的Sic襯底上制作Sic外延層的CVD方法制作的。為了限定和清楚起見，在引用的參考文獻中描述的化學汽相淀積技術被稱為“Davis型”CVD。在用Daivs型CVD制作的二極管中，襯底包括α-Sic，并具有一個對其底面偏離離軸1°以上，基本指向<1120>方向的平坦界面表面。如本文中所用的，黑體印刷符號，例如，“2”代表Miller指數(shù)關系中的“負”軸，即一個在為晶體選定的基本Miller指數(shù)軸的相反方向上測量的軸。第一外延層也包括α-Sic并均勻地淀積在襯底界面的表面上。
因為在生長外延層時，可以摻雜，不要求注入，因此可以避免由注入可能引起的晶體損傷。此外，注入工藝不能容許鄰接n和n+或P和P+層。在一個n上可以注入一個n+層，但在n+層上，不對其進行補償(存在的施主和受主原子的有效數(shù))不能注入一個n層。
此外，CVD生長允許厚度控制，在某種程度上允許最終厚度的控制，因而達到控制擊穿電壓的目的。最后，外延層的晶體特性一般在結構上較好，并具有比體生長層較少的雜質。
在本文討論的實施例中，舉證的數(shù)據(jù)是從由α型6H-Sic制成的二極管搜集到的。然而，還可將其它聚型材料制備作外延層和襯底，并具有特性優(yōu)點。例如，4H，15R，和3C聚型材料均可制成依本發(fā)明的二極管。6H聚型的帶隙寬，因而預料可在高溫工作，一般成批制成。4H聚型的帶隙最寬(3.2ev)，鉛和氮的摻雜能級較淺，電子遷移率比6H聚型的大。3C聚型同樣具有比6H高的電子遷移率，較淺的帶隙和相應較低的Pn結的自建電勢。最后，15R聚型具有比6H低的氮摻雜劑的激活性，以及較高的電子遷移率。
如熟悉整流二極管及其制造和特性的技術人員所了解的，一旦確立特定的一組特性，即可完成具有寬范圍特性的二極管的制作。因而，依已列舉的本發(fā)明的二極管的特性，預料盡本發(fā)明作用的可能，二極管的反向擊穿電壓可大到-5000V?？深A料此種二極管從約-50℃到至少350℃的溫度范圍內(nèi)具有此種特性。選定的二極管實施例其反向漏電流直到指定的標稱反向擊穿電壓不大于25μA。在其它實施例中，在高達350℃的溫度下，反向漏電流不大于100μA。已列舉的特定實施例的反向漏電流在-400V，25℃時不大于8μA。
已經(jīng)說明在350℃的溫度，在2.8V時的正向電流為400mA。在室溫(25℃)在3.2V時觀察到的正向電流一般為400mA，低至2.7V也觀察到400mA的正向電流。
已經(jīng)說明反向恢復時間小于200ns，如小于100，20和10ns的trr，以及本文先前提到的，已列舉的特定實施例，其反向恢復時間在25℃時小于6ns，在350℃時小于7ns。
應了解，此種整流二極管，比其最大典型工作參數(shù)獨特地評定等級。因而，依本發(fā)明的二極管，以及后文提出的權利要求還包含另外的可能呈現(xiàn)稍小于本文提出的各種典型特性的類似的和等同的二極管。
盡管在說明書及其附圖中，公開了一些典型的優(yōu)選實施例中，采用了一些專業(yè)術語，這些術語僅僅是按普通的和說明的意義使用的，而無限制的目的，本發(fā)明的范圍在權利要求書中提出。
權利要求
1.一種以碳化硅制成的超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予所說的襯底為第一導電類型；一層在所說的襯底上的單晶碳化硅第一外延層，具有與所說的襯底相同的導電類型；一層在所說第一外延層上的單晶碳化硅第二外延層，具有與所說的第一外延層相反的導電類型；所說的第一和第二外延層各自的載流子濃度具有足夠大的數(shù)量級的差別，以致濃度較低的那一層在反偏置時被顯著地耗盡；所說的第一和第二外延層在所說的層間形成一個突變的Pn結。
2.一種根據(jù)權利要求1的整流二極管，其中所說的第一外延層的載流子濃度大于所說的第二外延層的濃度，以致第二外延層在反偏置下被顯著地耗盡。
3.一種根據(jù)權利要求1的整流二極管，其中，所說的第二外延層的載流子濃度大于所說的第一外延層的濃度，以致于所說的第一外延層在反偏置下被顯著地耗盡。
4.一種根據(jù)權利要求1的整流二極管，還進一步包括一層在第二外延層上的第三外延層，其中所說的第三外延層具有與第二外延層相同的導電類型，其載流子濃度大于所說的第二外延層的濃度，以降低所說二極管的接觸電阻。
5.一種根據(jù)權利要求1的整流二極管，其中所說的碳化硅襯底包括α-碳化硅，并具有一個其底面偏離離軸1°以上，基本上指向<1120>方向的平坦界面表面，將所說的包括α-碳化硅的第一外延層均勻地沉積在所說的襯底的界面表面上。
6.一種根據(jù)權利要求1的整流二極管，進一步包括一層鄰接所說的結熱生長二氧化硅的鈍化層。
7.一種以碳化硅制成的超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予所說的襯底為第一導電類型;一層在所說的襯底上的單晶碳化硅第一外延層，具有與所說的襯底相同的導電類型;一層在所說的第一外延層上的單晶碳化硅第二外延層，具有與所說的第一外延層相反的導電類型，其載流子濃度大于所說的第一單晶外延層的濃度，以致于第一外延層在反偏置下顯著地被耗盡;所說的第一和第二外延層在所說的層間形成一個突變的Pn結。
8.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其中，所說的襯底是由n型α碳化硅形成的，所說的第一外延層由n型α碳化硅形成的，以及所說的第二外延層是由P型α碳化硅形成的。
9.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其中所說的第一單晶外延層的載流子濃度小于所說的襯底的載流子濃度。
10.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，進一步包括一個由鎳制成的對所說的襯底的歐姆接觸和一個由含鉛的雙金屬合金形成的對第二外延層的歐姆接觸。
11.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其中所說的碳化硅具有從6A，3C，4H和15R聚型材料構成的組中選出的一種單聚型材料。
12.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其中，外加電壓與電容間的關系是這樣的，電容平方的倒數(shù)與外加電壓的關系基本上是線性關系。
13.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在-55℃到350℃之間的溫度范圍內(nèi)，其反向擊穿電壓高達-5000V。
14.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在25℃的溫度下，在正向電壓低至2.7V時正向電流至少為400mA。
15.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在350℃的溫度下，在正向電壓低至2.2V時，正向電流至少為400mA。
16.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，在整個約20℃至約350℃的溫度范圍內(nèi)，在正向電壓低至2.7V的正向電流可達10A。
17.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在25℃的溫度下，直至指定的標稱反向擊穿電壓，其反向漏電流不大于25μA。
18.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在350℃的溫度下，直至指定的標稱反向擊穿電壓，其反向漏電流不大于100μA。
19.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在25℃的溫度下，在-400V的反向漏電流不大于8μA。
20.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在350℃的溫度下，在-400V的反向漏電流不大于80μA。
21.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其反向恢復時間小于200ns。
22.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其反向恢復時間小于10ns。
23.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在25℃的溫度下，其反向恢復時間小到6ns或更小。
24.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，當工作在350℃的溫度下，其反向恢復時間小到7ns或更小。
25.一種根據(jù)權利要求7的整流二極管，其擊穿電壓是從圖13的AG線上選定以伏為單位，在CD線確定一個直接水平對著的點，其對應的耗盡層寬度(μm是在圖13上從所說的已在CD線上確定的點直接垂直下降到正下方的EF線上的一點和直接水平對著的AG線上的一點選定的，以及其相對應的載流子濃度(原子/cm3)是在圖13上從所說的已在CD線和EF線上確定的點直接垂直下降到正下方的GH線上的一點選定的。
26.一種以碳化硅制成產(chǎn)超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予所說的襯底為第一導電類型;一層在所說的襯底上的單晶碳化硅第一外延層，具有與所說的襯底相同的導電類型;一層在所說的第一外延層上的單晶碳化硅第二外延層，具有與所說的第一外延層相反的導電類型;所說的第一外延層的載流子濃度比所說的第二外延層的濃度充分地大，以致所說的第二外延層在反偏置下被顯著地耗盡;一層在所說的第二外延層上的第三外延層，其導電類型與所說的第二外延層相同，其載流子濃度比第二外延層的濃度大，以降低所說的二極管的接觸電阻，以及，所說的第一和第二外延層在所說的層間形成一個突變的Pn結。
27.一種根據(jù)權利要求26的整流二極管，其中所說的襯底和所說的第一外延層包括n型α碳化硅，而所說的第二和第三外延層包括P型α碳化硅。
28.一種根據(jù)權利要求26的整流二極管，當工作在-55℃至350℃之間的溫度范圍內(nèi)，其反向擊穿電壓高達-5000V。
29.一種根據(jù)權利要求26的整流二極管，在約20℃至約350℃的溫度范圍內(nèi)，在正向電壓低至2.7V的正向電流高達10A。
30.一種根據(jù)權利要求26的整流二極管，當工作在350℃的溫度時，直至指定的標稱反向擊穿電壓，其反向漏電流不大于100μA。
31.一種根據(jù)權利要求26的整流二極管，其反向恢復時間小于20ns。
全文摘要
本發(fā)明是一個以碳化硅制成的超快速高頻高溫整流二極管，它包括一片單晶碳化硅襯底，具有充足的載流子濃度，賦予襯底第一導電類型，一層在襯底上的第一單晶碳化硅外延層，并具有與襯底相同的導電類型，和一層在第一外延層上的第二單晶碳化硅外延層，并具有與第一外延層相反的導電類型。外延層之一的載流子濃度大于另一個層外延層的濃度，以致在反偏下濃度較小的外延層被顯著地耗盡。第一和第二外延層形成一個突變的PN結。
文檔編號H01L29/861GK1044737SQ89109809
公開日1990年8月15日 申請日期1989年12月14日 優(yōu)先權日1988年12月14日
發(fā)明者約翰·A·埃德蒙 申請人:克里研究公司