肖特基和離子注入碳化硅SIT

  圖1比較了制作在SiC上的肖特基勢(shì)壘柵SIT、離子注入柵SIT,以及平面金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管( Metal-Semiconductor FET, MESFET)。在肖特基勢(shì)壘柵中,刻蝕出深溝形成溝道區(qū),而且肖特基金屬柵接觸沿深溝側(cè)壁在深溝底部形成。因此,肖特基勢(shì)壘整流金屬半導(dǎo)體結(jié)沿溝道側(cè)壁形成,這與垂直MESFET結(jié)構(gòu)相似。對(duì)于離子注入柵SIT,p+型柵沿源柱的兩個(gè)側(cè)面注入形成,這樣就沿著溝道形成了pn結(jié)。由于p型柵形成了整流結(jié),所以在p+型柵區(qū)只需要一個(gè)平面歐姆金屬接觸,這樣就避免了沿著SiC溝道側(cè)壁的淀積工藝。離子注入柵SIT和垂直結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管( Junction FET,JFET)最相似。

圖1 幾種不同的SiC射頻大功率晶體管(SIT器件在包括MESFET在內(nèi)的所有晶體管中能夠獲得最高的功率密度,然而,作為一種垂直器件,SIT對(duì)于單片微波集成電路MMIC并不適用)
 
  由于在SiC中形成p摻雜區(qū)有一定難度,所以最早的碳化硅SIT采用肖特基勢(shì)壘柵結(jié)構(gòu)。在Si SIT中,雖然可以利用擴(kuò)散工藝形成p+柵區(qū),但是在SiC材料中非常困難,因?yàn)樗枰浅８叩臄U(kuò)散溫度和非常低的摻雜物擴(kuò)散率。因此,利用鋁或硼離子注入到輕摻雜的溝道層形成p+柵是制造pn結(jié)SlT所需p+型區(qū)的最實(shí)際的方法(鋁比硼更好,因?yàn)殇X的激活能較高)。
 
  隨著能夠控制離子注入到熱SiC襯底上(高達(dá)1000℃)技術(shù)的出現(xiàn)和精確高溫掩膜(退火保護(hù)層)工藝的發(fā)展,可以在激活離子注入摻雜物時(shí)保護(hù)SiC襯底,現(xiàn)在可以將離子注入柵SIT做在SiC上。離子注入形成的結(jié)對(duì)于大功率應(yīng)用有許多優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高性能和穩(wěn)定性微波功率晶體管的理想選擇。離子注入柵在高達(dá)1750℃的溫度中退火以修復(fù)SiC中的晶格損傷并電激活p型摻雜物,它們?cè)诟邷睾透唠妶?chǎng)條件下穩(wěn)定可靠。離子注入柵SiC SIT能夠阻止靜電放電(高達(dá)16kV測(cè)試時(shí),器件沒(méi)有失效,也沒(méi)有改變工作狀態(tài)),而且不受電路上柵驅(qū)動(dòng)電壓的影響,與肖特基勢(shì)壘柵SIT相比能降低表面拓?fù)?參見圖1)。
 
  通常,SiC上的離子注入柵SIT能改善以下性能：
  (1)更高的工作電壓,得益于有優(yōu)良的邊緣終端技術(shù)；
  (2)由于統(tǒng)一的重?fù)诫sn+源區(qū)(與柵區(qū)一樣,利用離子注入形成),降低了源區(qū)電阻；
  (3)因?yàn)楦叩膒n結(jié)內(nèi)建電壓,可以制作成常關(guān)態(tài)；
  (4)器件工作時(shí)即使結(jié)溫上升,pn結(jié)也很穩(wěn)定；
  (5)因?yàn)閜n結(jié)的非破壞擊穿特性,所以能防止靜電放電；
  (6)結(jié)擊穿可逆(非破壞性)；
  (7)更好的抗輻照性能；
  (8)采用平面離子注入器件工藝,成品率顯著提高。
 
  圖形化注入時(shí),離子注入在水平方向上的散射會(huì)鉆蝕掩膜(也就是形成凸起),使柵-柵距離縮小,即不需要線寬更好的光刻就能得到比定義溝道寬度的掩膜尺寸略小的柵-柵間距。利用這種凸起形成更窄溝道的優(yōu)點(diǎn)是：
  (1)更窄的溝道寬度能提供更高的關(guān)斷電壓(更高的電壓增益),而且優(yōu)越的整流pn結(jié)能使電壓增益最大；
 
  (2)該凸起會(huì)使源區(qū)與柵區(qū)部分重疊,因此,在形成源區(qū)時(shí)不需要嚴(yán)格的對(duì)準(zhǔn)精度；
 
  (3)SiC芯片下方會(huì)出現(xiàn)很小的溝道寬度,這樣,表面附近的溝道寬度比常規(guī)的柵結(jié)構(gòu)大1~2µm,這就使溝道處的開態(tài)壓降減小;利用離子注入柵結(jié)構(gòu),開態(tài)壓降降低,是常規(guī)SIT結(jié)構(gòu)的十分之一,而關(guān)斷增益并沒(méi)有減??；
 
  (4)柵-柵間距和器件間距的減小,降低了寄生電容,增大了溝道電流、跨導(dǎo)和電壓增益，這使器件工作于更高的頻率。
 
  此外,高的pn結(jié)內(nèi)建電壓(~3V,與SiC的能帶寬度3.2eV成比例)有可能制造常關(guān)態(tài)微波功率晶體管,從而使其等效電路更簡(jiǎn)化。
 



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