功率二極體的製作方法
2023-09-23 00:19:35 1
本申請涉及功率半導體功率二極體，具體而言，涉及一種功率二極體。
背景技術：
隨著高功率電子功率二極體的發展，高壓二極體逐漸成為電力電子應用中的一個核心元件。目前市場所採用的高壓二極體種類主要有高壓PN結二極體、肖特基勢壘二極體與高壓JBS二極體。
高壓PN結二極體的結構示意圖見圖1，該高壓PN結二極體由下至上依次包括N+襯底01、N-外延層02、P+層03以及金屬層04。這種高壓PN結二極體的特點是耐壓高但是反向恢復性能較差。當該功率二極體加反向電壓時，由於大量少數載流子的存在，需要將這些少數載流子消耗掉或者中和掉，才能使得高壓PN結二極體反向截止。由於將這些少數載流子消耗掉或者中和掉是一個耗時的過程，因此，反向電流增加到最大值到減小到最小值的過程比較耗時，即高壓PN結二極體的反向恢復時間較長，反向恢復速度慢，功率二極體的反向恢復性能差。
現有的一種肖特基勢壘二極體(SchottkyBarrier Diode，簡稱SBD)的結構如圖2所示。該功率二極體由下至上依次包括疊置的N+襯底01、N-外延層02以及金屬層04。這種肖特基勢壘二極體是利用金屬與半導接觸形成的金屬－半導體肖特基結，因其在正嚮導通時，不存在少數載流子的注人，因此，在加反向偏壓時，不存在消耗或者中和大量少數載流子的過程，因此，該功率二極體的反向恢復速度快，具有開關速度快的優點，但是該功率二極體的最大缺點是反向電壓很低，一般很難製造反偏電壓在300V以上的肖特基勢壘二極體。
現有的一種高壓JBS二極體的結構如圖3所示，該功率二極體包括N+襯底01、N-外延層02、P+層03以及金屬層04。該JBS二極體在原有的肖特基勢壘二極體中引入了一個PN結整流二極體來保護肖特基勢壘，它雖然解決了肖特基勢壘二極體的反向電壓低的問題，但是由於PN結整流二極體中少數載流子的存在，也使得其反向恢復特性差。
技術實現要素：
本申請的主要目的在於提供一種功率二極體，以解決現有技術中的功率二極體不兼具好的反向恢復性以及高的反向電壓的問題。
為了實現上述目的，根據本申請的一個方面，提供了一種功率二極體，該功率二極體包括：N型基體；至少兩個P型摻雜區，間隔設置在上述N型基體中；N型摻雜區，設置在各上述P型摻雜區的遠離上述N型基體的表面上；金屬層，設置在上述N型摻雜區的遠離上述N型基體的表面上，其中，上述金屬層與各上述P型摻雜區隔離設置。
進一步地，上述功率二極體包括至少兩個上述N型摻雜區，各上述N型摻雜區設置在上述N型基體中且與上述P型摻雜區一一對應設置，且各上述N型摻雜區的遠離各上述P型摻雜區的表面與上述N型基體的平整表面平齊。
進一步地，第一表面為與上述N型基體的厚度方向垂直的表面，各上述N型摻雜區在上述第一表面上的投影位於對應的上述P型摻雜區在上述第一表面上的投影的內部，且上述功率二極體還包括：至少四個介質區，各上述介質區覆蓋各上述P型摻雜區的靠近金屬層的表面設置且用於隔離各上述P型摻雜區與上述金屬層。
進一步地，上述N型基體包括：N+襯底層；N-外延層，設置在上述N+襯底層的表面上，且上述P型摻雜區設置在上述N-外延層中且遠離上述N+襯底層。
進一步地，上述P型摻雜區為P+摻雜區。
進一步地，上述N型摻雜區為N+摻雜區。
進一步地，上述介質區的材料包括二氧化矽。
進一步地，上述金屬層的材料包括為Al-Cu和/或Al-Si-Cu。
應用本申請的技術方案，該功率二極體在正向工作時，即金屬層加正壓，N型基體加負壓，此時，兩個PN結均不工作，只有肖特基二極體在工作，這樣少數載流子不參與工作，進而使得在反向工作時，不存在將少數載流子中和或者消耗的過程，進而使得該功率二極體的反向恢復速度快，反向恢復性能較好。
該功率二極體在反向工作時，即金屬層加負壓，N型基體加正壓，功率二極體中P型摻雜區與N型基體形成的PN結二極體反向偏置，金屬層與N型基體形成肖特基二極體反向偏置，形成耗盡區，且當反偏至一定電壓時，P型摻雜區兩側的耗盡區連接在一起，將肖特基電流溝道夾斷，反向電壓不由肖特基二極體承擔，只由P型摻雜區與N型基體形成的PN結二極體承擔，從而確保功率二極體能在很高的反向偏置電壓下工作。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：
圖1示出了現有技術中的高壓PN結二極體的結構示意圖；
圖2示出了現有技術中的肖特基勢壘二極體的結構示意圖；
圖3示出了現有技術中的高壓JBS二極體的結構示意圖；以及
圖4示出了本申請的一種實施例的功率二極體的結構示意圖。
其中，上述附圖包括以下附圖標記：
01、N+襯底；02、N-外延層；03、P+層；04、金屬層；10、N型基體；20、P型摻雜區；30、N型摻雜區；40、介質區；50、金屬層；11、N+襯底層；12、N-外延層。
具體實施方式
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、功率二極體、組件和/或它們的組合。
正如背景技術所介紹的，現有技術中的功率二極體不兼具好的反向恢復性以及高的反向電壓，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種功率二極體。
本申請的一種典型的實施方式中，提供了一種功率二極體，如圖4所示，該功率二極體包括N型基體10、至少兩個P型摻雜區20、N型摻雜區30以及金屬層50。其中，至少兩個上述P型摻雜區20間隔設置在上述N型基體10中；N型摻雜區30設置在各上述P型摻雜區20的遠離上述N型基體10的表面上；金屬層50設置在上述N型摻雜區30的遠離上述N型基體10的表面上，其中，上述金屬層50與各上述P型摻雜區20隔離設置。
該功率二極體在正向工作時，即金屬層加正壓，N型基體加負壓，由於金屬層與各個P型摻雜區隔離設置，所以兩個PN結均不正嚮導通，即少數載流子不參與工作，只有肖特基二極體在工作，進而使得在反向工作時，不存在將少數載流子中和或者消耗的過程，進而使得該功率二極體的反向恢復速度快，反向恢復性能較好。
該功率二極體在反向工作時，即金屬層加負壓，N型基體加正壓，功率二極體中P型摻雜區與N型基體形成的PN結二極體反向偏置，金屬層與N型基體形成肖特基二極體反向偏置，形成耗盡區，且當反偏至一定電壓時，P型摻雜區兩側的耗盡區連接在一起，將肖特基電流溝道夾斷，反向電壓不由肖特基二極體承擔，只由P型摻雜區與N型基體形成的PN結二極體承擔，從而確保功率二極體能在很高的反向偏置電壓下工作。
但是上述N型摻雜區並不限於圖4的結構，本領域技術人員可以根據實際情況將N型摻雜區設置在P型摻雜區的表面上並實現對應的作用即可。例如，將N型摻雜區設置在N型基體中，且N型摻雜區與P型摻雜區在第一表面上的投影可以完全重合，第一表面為與上述N型基體的厚度方向垂直的表面。
本申請的一種實施例中，如圖4所示，上述功率二極體包括至少兩個上述N型摻雜區30，各上述N型摻雜區30設置在上述N型基體10且與上述P型摻雜區20一一對應設置，且上述各上述N型摻雜區30的遠離各上述P型摻雜區20的表面與上述N型基體10的平整表面平齊。這樣結構的功率二極體更易製備。
為了進一步確保製備工藝的可實現性，確保製備得到的功率二極體具有較好的功率二極體特性，本申請的一種實施例中，如圖4所示，第一表面與上述N型基體10的厚度方向垂直的表面，各上述N型摻雜區30在上述第一表面上的投影位於對應的上述P型摻雜區20在上述第一表面上的投影的內部，且上述功率二極體還包括至少四個介質區40，各上述介質區40覆蓋各上述P型摻雜區20的靠近金屬層的表面設置且用於隔離各上述P型摻雜區20與上述金屬層50。該功率二極體中，由於介質區40覆蓋P型摻雜區20的靠近金屬層50的表面，進而在功率二極體正向工作時，由於介質區40與N型摻雜區30的存在，使得P型摻雜區20與金屬層50隔離。
本申請的另一種實施例中，如圖4所示，上述N型基體10包括：N+襯底層11與N-外延層12，其中，N-外延層12設置在上述N+襯底層11的表面上，且上述P型摻雜區20與上述N型摻雜區30設置在上述N-外延層12中且遠離上述N+襯底層11。在功率二極體正向工作時，金屬層與N-外延層形成的肖特基二極體工作，當功率二極體反向工作時，P型摻雜區與N-外延層形成的PN結二極體反向工作形成耗盡區，金屬層與N-外延層形成的肖特基二極體反向工作。
為了進一步確保該功率二極體在N型基體中具有較大的耗盡區域，從而進一步保證該功率二極體的P型摻雜區兩側的N型基體中的耗盡區更快地連接在一起，本申請的一種實施例中，上述P型摻雜區20為P+摻雜區。
在沒有特殊說明的情況下，本申請中的P+、N+以及N-中的「+」與「-」分別代表重摻雜與輕摻雜，P+表示P型重摻雜，N+表示N型重摻雜，N-表示N型輕摻雜。
本申請的再一種實施例中，上述N型摻雜區30為N+摻雜區。
本申請中的介質區可以是任何材料形成的，例如，該介質區的材料可以包括氮化矽與二氧化矽，也可以只包括二氧化矽，還可以是PSG(Phospho-Silicate-Glass，簡稱磷矽玻璃)或者BPSG(Boro-Phospho-Silicate-Glass，簡稱硼磷矽玻璃)。
本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的材料形成介質區。為了進一步保證形成的介質區具有較好的隔離效果，本申請的一種實施例中，上述介質區的材料包括二氧化矽。
為了簡化介質區的形成工藝，本申請的一種實施例中，上述的介質區為二氧化矽介質區。
本申請中的金屬層可以是現有技術中的任何肖特基二極體中的金屬層，例如可以是Al-Si-Cu，也可以是Al-Si，還可以是Al-Cu，還可以是任意幾種金屬混合形成的金屬層。本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的材料形成金屬層。
本申請中的功率二極體的製作工藝均採用現有技術中的工藝，以圖4所示的結構為例，來說明本申請的功率二極體的具體製作方法。
功率二極體的製作工藝包括：
首先，製作N型基體10。
在N+襯底層11的表面上外延生長N-外延層12，形成N型基體10。
其次，形成P型摻雜區20。
通過光刻、刻蝕、離子注入法和擴散爐推進在N型基體10中形成P型摻雜區20。
再次，形成N型摻雜區30和介質區。
利用P型摻雜區20形成過程中擴散爐生長的二氧化矽，通過光刻、刻蝕、N+離子注入和擴散爐推進等工藝，形成如圖4所示的N型摻雜區30和介質區40。
最後，在介質區40的裸露表面上、N-外延層12的裸露表面上以及N型摻雜區30的裸露表面上濺射形成設置Al-Si-Cu金屬層。
從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現了如下技術效果：
本申請的功率二極體在正向工作時，即金屬層加正壓，N型基體加負壓，此時，兩個PN結均不工作，只有肖特基二極體在工作，這樣少數載流子不參與工作，進而使得在反向工作時，不存在將少數載流子中和或者消耗的過程，進而使得該功率二極體的反向恢復速度快，反向恢復性能較好。
該功率二極體在反向工作時，即金屬層加負壓，N型基體加正壓，功率二極體中P型摻雜區與N型基體形成的PN結二極體反向偏置，金屬層與N型基體形成肖特基二極體反向偏置，形成耗盡區，且當反偏至一定電壓時，P型摻雜區兩側的耗盡區連接在一起，將肖特基電流溝道夾斷，反向電壓不由肖特基二極體承擔，只由P型摻雜區與N型基體形成的PN結二極體承擔，從而確保功率二極體能在很高的反向偏置電壓下工作，其反向耐壓可以達到600V、1200V甚至更高電壓，進而使得該功率二極體不僅具有較好的反向恢復特性還能承受很高的反向偏壓。
以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。