本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件，尤指一種碳化硅蕭特基整流器。

背景技術(shù)：

碳化硅具有寬能隙、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性以及導(dǎo)熱性。功率元件被廣泛地應(yīng)用在各種電力的交直流轉(zhuǎn)換上，要求低導(dǎo)通電阻、低漏電流、高擊穿電壓以及快速開關(guān)等特性以降低操作時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)通損失與切換損失。碳化硅因?qū)捘芟抖邆涞母吲R界崩潰電場，以及遠(yuǎn)低于元件摻雜濃度的本征載子濃度，使得碳化硅成為極具應(yīng)用于高溫、高頻、大功率的功率元件材料。

例如在美國發(fā)明專利公開第US2006/0022292號中，即揭示一種碳化硅蕭特基能障二極管(Schottky Barrier Diode，簡稱SBD)的結(jié)構(gòu)，借由一基板及兩個(gè)或兩個(gè)以上的磊晶層，所述磊晶層包括至少一輕度摻雜N型磊晶層及一設(shè)置于所述輕度摻雜N型磊晶層上且摻雜濃度更輕的N型磊晶層，如此，借由優(yōu)化兩個(gè)磊晶層的厚度及摻雜濃度，以減少所述碳化硅蕭特基障壁二極管于電容及開關(guān)轉(zhuǎn)換之間的損失，并使其保持有較低的順向壓降(forward voltage drop)及導(dǎo)通電阻。

然而，由于蕭特基能障二極管的順向壓降主要由陽極金屬層的功函數(shù)(work function)與碳化硅磊晶的電子親和力(electron affinity)的差值所形成的蕭特基能障所決定，為求低的順向壓降，通常會選擇功函數(shù)較低的金屬以形成低的蕭特基能障，然而蕭特基能障在反向偏壓時(shí)會隨著電場變大而產(chǎn)生能障減低(barrier lowering)的現(xiàn)象，造成很大的漏電流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種碳化硅接面能障蕭特基整流器，解決現(xiàn)有的蕭特基障壁二極管，操作在逆向偏壓時(shí)，具有很大的漏電流的問題。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種碳化硅接面能障蕭特基整流器(SiC Junction Barrier Controlled Schottky Rectifier)，包含有一碳化硅基板、一漂移層、一p型摻雜區(qū)域、多個(gè)接面場效應(yīng)區(qū)域、一第一金屬層以及一第二金屬層。

所述碳化硅基板具有n型重?fù)诫s，并包含一第一表面以及一相對的第二表面；所述漂移層設(shè)置于所述第一表面，并且有一n型摻雜以及一遠(yuǎn)離所述第一表面的第三表面；所述p型摻雜區(qū)域設(shè)置于所述漂移層內(nèi)并接觸所述第三表面；所述接面場效應(yīng)區(qū)域設(shè)置于所述漂移層內(nèi)，且由所述p型摻雜區(qū)域環(huán)繞而接觸所述第三表面，所述接面場效應(yīng)區(qū)域各包含N個(gè)圓區(qū)域以及(N-1)個(gè)連接于兩所述圓區(qū)域之間的連接區(qū)域，N為一自然數(shù)；所述第一金屬層設(shè)置于所述第三表面，并與所述接面場效應(yīng)區(qū)域之間形成一蕭特基能障；而所述第二金屬層則設(shè)置于所述第二表面，并與所述碳化硅基板之間形成一奧姆接觸。

其中，所述連接區(qū)域是由連接所述圓區(qū)域的兩弧邊所形成，其中至少一所述弧邊為內(nèi)凹。

其中，所述連接區(qū)域于垂直兩所述圓區(qū)域圓心的連接線的一縱方向具有一寬度，所述寬度小于所述圓區(qū)域的一直徑。

其中，N為2。

其中，更包含多個(gè)設(shè)置于所述第三表面并介于所述p型摻雜區(qū)域與所述第一金屬層之間的第三金屬層，所述第三金屬層與所述p型摻雜區(qū)域之間形成一奧姆接觸。

其中，所述第三金屬層的材質(zhì)為選自鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢以及其硅化物所組成的群組。

其中，所述第一金屬層的材質(zhì)為選自鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢以及其硅化物所組成的群組。

其中，所述第二金屬層的材質(zhì)為選自鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢、金、銀以及其硅化物所組成的群組。

其中，所述接面場效應(yīng)區(qū)域與所述p型摻雜區(qū)域的面積比為介于4：6至9：1之間。

其中，所述第一金屬層形成一陽極，所述第二金屬層形成一陰極，一為0伏特的偏壓施加于所述陽極與所述陰極之間時(shí)，所述p型摻雜區(qū)域與所述漂移層之間具有一空乏寬度(W1)，所述空乏寬度(W1)小于所述圓區(qū)域的一半徑。

其中，所述第一金屬層形成一陽極，所述第二金屬層形成一陰極，一為額定電壓的一半的偏壓施加于所述陽極與所述陰極之間時(shí)，所述p型摻雜區(qū)域與所述漂移層之間具有一空乏寬度(W2)，所述空乏寬度(W2)大于所述圓區(qū)域的一半徑。

其中，所述弧邊與所述圓區(qū)域在連接處的切線斜率相同。

如此一來，本發(fā)明借由于所述漂移層設(shè)置所述接面場效應(yīng)區(qū)域，令所述p型摻雜區(qū)域環(huán)繞所述接面場效應(yīng)區(qū)域以形成N個(gè)所述圓區(qū)域以及(N-1)個(gè)連接于兩所述圓區(qū)域之間的所述連接區(qū)域，使得各所述接面場效應(yīng)區(qū)域于所述碳化硅接面能障蕭特基整流器操作于逆向偏壓時(shí)，得以利用所述圓區(qū)域以及所述連接區(qū)域有效降低漏電流，改善現(xiàn)有的蕭特基障壁二極管具有較大漏電流的問題。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。

附圖說明

圖1A為本發(fā)明第一實(shí)施例的外觀立體分解示意圖。

圖1B為圖1A的局部剖面(圖1A于A-A截面處的剖面)示意圖。

圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例漂移層的俯視示意圖。

圖3A為本發(fā)明于0伏特偏壓下的空乏寬度示意圖。

圖3B為本發(fā)明于一半額定電壓的偏壓下的空乏寬度示意圖。

圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例與現(xiàn)有蕭特基障壁二極管于逆向偏壓下的電性示意圖。

圖5為本發(fā)明第一實(shí)施例與現(xiàn)有蕭特基障壁二極管于順向偏壓下的電性示意圖。

圖6A及圖6B為本發(fā)明第二實(shí)施例第三金屬層的設(shè)置示意圖，其中圖6B為圖6A于B-B截面處的剖面示意圖。

圖7為本發(fā)明第二實(shí)施例與現(xiàn)有蕭特基障壁二極管于順向偏壓下的電性示意圖。

其中，附圖標(biāo)記：

10：碳化硅基板

11：第一表面

12：第二表面

20：漂移層

21：第三表面

30：第一金屬層

40：p型摻雜區(qū)域

50：接面場效應(yīng)區(qū)域

501：第一接面場效應(yīng)區(qū)域

502：第二接面場效應(yīng)區(qū)域

51：圓區(qū)域

52：連接區(qū)域

521：第一連接區(qū)域

522：第二連接區(qū)域

60：第二金屬層

70：第三金屬層

80：空乏區(qū)域

W1：空乏寬度

W2：空乏寬度

具體實(shí)施方式

涉及本發(fā)明的詳細(xì)說明及技術(shù)內(nèi)容，現(xiàn)就配合圖式說明如下：

請搭配參閱圖1A、圖1B及圖2所示，圖1A為本發(fā)明第一實(shí)施例的外觀立體分解示意圖，圖1B為圖1A的局部剖面示意圖，圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例漂移層的俯視示意圖，如圖所示：本發(fā)明為一種碳化硅接面能障蕭特基整流器，包含有一碳化硅基板10、一漂移層20、一p型摻雜區(qū)域40、多個(gè)接面場效應(yīng)區(qū)域50、一第一金屬層30以及一第二金屬層60。

所述碳化硅基板10在此可借由將碳化硅結(jié)晶切割為特定的厚度而得，亦可使用市售的碳化硅基板10，亦可將碳化硅結(jié)晶生長于任一基板上而得，只要具有由碳化硅結(jié)晶而成的表面的基板，并不加以特別限制，所述碳化硅基板10具有n型重?fù)诫s，且電阻率(resistivity)小于0.1Ω.cm，并具有一第一表面11以及一相對遠(yuǎn)離所述第一表面11的第二表面12；所述漂移層20設(shè)置于所述第一 表面11，在此為使用磊晶技術(shù)成長而成，其材質(zhì)可為碳化硅，且所述漂移層20具有n型摻雜，摻雜濃度為介于1E+14cm^-3與1E+17cm^-3之間，所述漂移層20并具有一遠(yuǎn)離所述第一表面11的第三表面21。

所述p型摻雜區(qū)域40為設(shè)置于所述漂移層20內(nèi)，在此為使用離子布植技術(shù)而形成，所摻雜的材料可為鋁或硼，并且，所述p型摻雜區(qū)域40具有一大于所述漂移層20的摻雜濃度，介于1E+17cm^-3與1E+20cm^-3之間。而所述接面場效應(yīng)區(qū)域50，設(shè)置于所述漂移層20內(nèi)并接觸所述第三表面21，且彼此之間由所述p型摻雜區(qū)域40環(huán)繞而間隔，于本實(shí)施例中，所述接面場效應(yīng)區(qū)域50與所述p型摻雜區(qū)域40之間的面積比為介于4：6至9：1之間。

至于所述第一金屬層30設(shè)置于所述第三表面21，所述第一金屬層30與所述接面場效應(yīng)區(qū)域50之間形成一蕭特基能障，其材質(zhì)可為鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢或上述材料所形成的硅化物。而所述第二金屬層60則設(shè)置于所述第二表面12，所述第二金屬層60與所述碳化硅基板10之間形成一奧姆接觸，其材質(zhì)可為鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢、金、銀或上述材料所形成的硅化物。

在本發(fā)明中，要特別說明的是，所述接面場效應(yīng)區(qū)域50，受到所述p型摻雜區(qū)域40的環(huán)繞而彼此之間相互間隔，其各包含N個(gè)圓區(qū)域51以及(N-1)個(gè)連接區(qū)域52，N在實(shí)施例中以2為舉例，但本發(fā)明不以此為限制，于本發(fā)明其它實(shí)施例中，N還可為大于2的一自然數(shù)。所述連接區(qū)域52為連接于兩個(gè)所述圓區(qū)域51之間，而由連接兩個(gè)所述圓區(qū)域51的兩弧邊所形成，并且其中至少一所述弧邊為內(nèi)凹，所述弧邊與兩個(gè)所述圓區(qū)域51在連接處的切線斜率相同，而使得所述連接區(qū)域52于垂直兩所述圓區(qū)域51圓心的連接線的一縱方向具有一寬度，所述寬度小于所述圓區(qū)域51的一直徑，令所述接面場效應(yīng)區(qū)域50由所述兩個(gè)圓區(qū)域51朝向所述連接區(qū)域52漸縮，而于所述連接區(qū)域52具有最小的所述寬度。

如此，本發(fā)明以所述p型摻雜區(qū)域40于所述接面場效應(yīng)區(qū)域50圍繞出所述圓區(qū)域51，以及連接于兩個(gè)所述圓區(qū)域51之間的所述連接區(qū)域52，可增加所述接面場效應(yīng)區(qū)域50與所述第一金屬層30所形成的蕭基接觸的面積，而所述碳化硅接面能障蕭特基整流器在逆向偏壓下，仍可形成均勻的空乏區(qū)，將有效屏蔽位于蕭基接觸處的表面電場，而降低漏電流。

尚需說明的是，于本實(shí)施例中，以所述連接區(qū)域52連接于兩個(gè)所述圓區(qū)域 51之間，使得所述接面場效應(yīng)區(qū)域50具有一類似護(hù)目鏡(goggles)的外形為舉例，但本發(fā)明并不以此為限制，主要以進(jìn)一步于兩個(gè)所述圓區(qū)域51之間增加蕭基接觸的面積即可。

請搭配參閱圖3A以及圖3B，圖3A為本發(fā)明于0伏特偏壓下的空乏寬度示意圖，圖3B為本發(fā)明于一半額定電壓的偏壓下的空乏寬度示意圖，如圖3A所示，在本發(fā)明中，令所述第一金屬層30形成一陽極，所述第二金屬層60形成一陰極，當(dāng)一為0伏特的偏壓施加于所述陽極與所述陰極之間時(shí)，將于所述接面場效應(yīng)區(qū)域50沿著所述p型摻雜區(qū)域40產(chǎn)生一pn接面所形成的空乏區(qū)域80，所述空乏區(qū)域80于所述p型摻雜區(qū)域40與所述漂移層20之間，具有一空乏寬度W1，所述空乏寬度W1是由所使用的所述漂移層20的摻雜濃度與所述p型摻雜區(qū)域40的濃度所決定，其中所述圓區(qū)域51的半徑大于所述空乏寬度W1。又如圖3B所示，當(dāng)于所述陽極與所述陰極之間施以一偏壓時(shí)，此時(shí)所述p型摻雜區(qū)域40與所述漂移層20所形成的pn接面將處于逆向偏壓，pn接面所形成的空乏區(qū)寬度隨著逆向偏壓的上升而增加。當(dāng)逆向偏壓達(dá)一額定電壓(rated blocking voltage)的一半時(shí)，所述空乏區(qū)域80具有另一空乏寬度W2，所述空乏寬度W2大于所述圓區(qū)域51的一半徑。

請參閱圖4所示，為本發(fā)明第一實(shí)施例與現(xiàn)有蕭特基障壁二極管于逆向偏壓(Reverse Bias)下的元件仿真電性示意圖，于第一實(shí)施例中，所使用的所述漂移層20厚度為11μm，摻雜濃度為6E+15cm^-3，所述第一金屬層30的材質(zhì)為鈦。所述p型摻雜區(qū)域40的摻雜濃度為1E+19cm^-3，其與所述漂移層20在無偏壓下(0V)的所述空乏區(qū)域80的寬度為0.7μm，目標(biāo)額定電壓為1200V，在額定電壓50％的逆向偏壓600V下的所述空乏區(qū)域80的寬度為10.4μm，模擬中所使用的所述接面場效應(yīng)區(qū)域50的寬度為3μm。從圖4中可知，在施予相同的逆向偏壓(Reverse Bias)下，在約于2300V以下時(shí)，本發(fā)明的所述碳化硅接面能障蕭特基整流器(Junction Barrier Schottky Rectifier，JBS)，相較現(xiàn)有的蕭特基障壁二極管(Schottky Barrier Diode，SBD)，具有一較小的漏電流，顯示所述接面場效應(yīng)區(qū)域50有效抑止所述漏電流的產(chǎn)生。接著，請參閱圖5所示，為本發(fā)明第一實(shí)施例與現(xiàn)有蕭特基障壁二極管于順向偏壓(Forward Bias)下的電性示意圖，從圖5中可知，在施予相同的順向偏壓(forward voltage)下，本發(fā)明的所述碳化硅接面能障蕭特基整流器，相較現(xiàn)有的蕭特基障壁二極管(SBD)，在 所述p型摻雜區(qū)域40的作用下，具有一較小的順向電流，這是由于蕭基能障低于pn接面的內(nèi)建電位(built-in potential)，因而在一般的順向操作電壓(通常小于2V)下，只有蕭基能障導(dǎo)通，故蕭基接觸所占的面積比例與順向?qū)ǖ碾娏髅芏瘸烧?。換言之，借由所述連接區(qū)域52的設(shè)置，可增加元件中蕭基接觸所占的面積比例而增加順向?qū)娏髅芏取?/p>

請搭配參閱圖6A及圖6B所示，為本發(fā)明第二實(shí)施例第三金屬層的設(shè)置示意圖，在第二實(shí)施例中，相較于第一實(shí)施例，更包含多個(gè)第三金屬層70，由圖6B觀之，所述第三金屬層70設(shè)置于所述第三表面21并介于所述p型摻雜區(qū)域40與所述第一金屬層30之間，所述第三金屬層70與所述p型摻雜區(qū)域40之間形成一奧姆接觸，其材質(zhì)可為鈦、鋁、鉬、鎳、鉭、鎢或上述材料所形成的硅化物，再由圖6A觀之，所述接面場效應(yīng)區(qū)域50更包含一第一接面場效應(yīng)區(qū)域501以及一與所述第一接面場效應(yīng)區(qū)域501并排的第二接面場效應(yīng)區(qū)域502，所述第一接面場效應(yīng)區(qū)域501具有一第一連接區(qū)域521，所述第二接面場效應(yīng)區(qū)域502具有一相對所述第一連接區(qū)域521的第二連接區(qū)域522，所述第一接面場效應(yīng)區(qū)域501與所述第二接面場效應(yīng)區(qū)域502彼此相面對，所述第一連接區(qū)域521與所述第二連接區(qū)域522彼此相面對，其中，所述第一連接區(qū)域521與所述第二連接區(qū)域522具有較小的寬度，而使所述第一連接區(qū)域521與所述第二連接區(qū)域522之間具有較大的所述p型摻雜區(qū)域40，而易于在其上形成所述第三金屬層70。所述第三金屬層70可位于所述第一接面場效應(yīng)區(qū)域501與所述第二接面場效應(yīng)區(qū)域502之間，例如為所述第一連接區(qū)域521與所述第二連接區(qū)域522之間，或者是所述第一接面場效應(yīng)區(qū)域501與所述第二接面場效應(yīng)區(qū)域502之間于排列上的一空位處。

在如此的設(shè)置下，請搭配參閱圖7所示，為本發(fā)明第二實(shí)施例與現(xiàn)有蕭特基障壁二極管于順向偏壓下的電性示意圖，從圖7中可知，現(xiàn)有蕭特基障壁二極管(SBD)，在較低的順向偏壓時(shí)，具有較大的順向電流。但是隨著順向偏壓提高，蕭特基障壁二極管(SBD)相較第二實(shí)施例的所述碳化硅接面能障蕭特基整流器(JBS)，順向電流較早即達(dá)到飽和狀態(tài)，顯示第二實(shí)施例的所述碳化硅接面能障蕭特基整流器，借由所述奧姆接觸的形成，能承受一較大的突波電流(surge current)，具有較好的元件耐用性(ruggedness)。

綜上所述，由于本發(fā)明于所述漂移層設(shè)置所述p型摻雜區(qū)域以及所述接面 場效應(yīng)區(qū)域，令所述p型摻雜區(qū)域圍繞并間隔各所述接面場效應(yīng)區(qū)域，利用所述圓區(qū)域以及所述連接區(qū)域的幾何特性，使得所述碳化硅接面能障蕭特基整流器操作于逆向偏壓時(shí)，能有效降低漏電流，改善現(xiàn)有的蕭特基障壁二極管具有較大漏電流的問題，再者，本發(fā)明還借由設(shè)置所述第三金屬層形成所述奧姆接觸，提高所述碳化硅接面能障蕭特基整流器的元件耐用性。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。