CN103579365A - 一种新型二极管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型二极管器件结构；本发明的二极管器件结构由沟道和漂移区构成；当二极管器件接反向偏压时，沟道两边的掺杂区形成的夹断势垒和肖特基势垒共同阻断反向电流；当二极管器件接正向偏压时，沟道内的势垒和肖特基势垒被同时降低，允许电流通过，可调的沟道参数和肖特基势垒高度实现了相对低的开启电压；本发明适用于所有半导体材料的垂直结构二极管器件。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，涉及几乎所有应用场合下的电气设备，包括交流电机、变频器、开关电源、牵引传动等领域的一种新型二极管器件。
背景技术
作为重要的功率半导体器件，二极管器件主要包括基于PN结势垒和肖特基势垒两种。PN结势垒具有相对较高的势垒高度，反向泄漏电流低，但正向导通压降偏高，同时存在反向恢复电流的问题；而肖特基势垒具有良好的正向特性，不存在反向恢复电流的问题，但是在承受高的反向电场时，会受到势垒变低和隧穿效应的影响，导致反向泄露电流大大增加，对器件长期工作的可靠性产生了影响。如何同时优化并且平衡二极管器件的正反向特性是半导体器件设计的重要课题。
发明内容
本发明提出了新的二极管结构，适用于所有半导体材料的二极管器件。相对于仅依靠肖特基势垒或者直接PN结势垒的二极管，本发明提出的二极管结构具有以下特点：
1.相对降低的泄漏电流。通过调节沟道掺杂和宽度，可以将反向泄漏电流明显降低。
2.可以调节的正向开启电压。随着沟道宽度和掺杂的改变，开启电压可以得到调节并大大降低。
3.良好的反向恢复特性。正向导通条件下为单极性工作，电流主要通过沟道 流过，无明显少子注入现象，因此具有和传统肖特基二极管一样的无反向恢复电流的特点。
附图说明
图1是发明基于掺杂直接注入的结构截面图；
图2是发明基于沟槽型P掺杂的结构截面图；
图3是发明基于仅垂直掺杂的沟槽结构截面图；
图4是发明基于倾斜型沟道的结构截面图；
图5是发明基于水平沟道的结构截面图；
图6是与图1结构相对应的P型二极管例子的结构示意图；
图7是与图1结构相对应的沟道掺杂不包含整个沟道的示意图。
其中，
1、沟道，第一半导体类型；
2、重掺杂区，第二半导体类型；
3、漂移区，第一半导体类型；
4、电场截止层，第一半导体类型；
5、衬底，第一半导体类型；
6、肖特基接触界面；
7、阳极金属；
8、阴极金属；
9、横向沟道表明掺杂区，第二半导体类型；
10、肖特基金属。
具体实施方案
实施例1
图1为本发明的一种新型二极管器件的结构截面图，结合图1予以详细说明。
如图1所示，一种新型结构的二极管器件，包括：衬底5，其上方为漂移区3；可以选择是否在衬底层上方增加电场截止层4；导电沟道1位于漂移区3的上方，并处在两块相邻的重掺杂区2之间；阳极金属7位于器件最上方表面，与重掺杂区2实现欧姆接触；在沟道1上方与肖特基金属10接触形成肖特基接触界面6，肖特基金属10和阳极金属7进一步互连，并引出作为器件电极；阴极金属8位于器件结构的最下方，与衬底5相连，引出电极。
在本例中，第一半导体类型为N型半导体导电材料，第二半导体类型为P型半导体材料，因此构成N型二极管；其一种可能的制造工艺包括如下步骤：
第一步，根据是否需要电场截止层4，决定在N型衬底5上方是否先生长产生形成截止层4；(可选)
第二步，继续向上外延生长分别获得漂移区3，和对应对于沟道浓度和长度的N型外延；
第三步，直接在N型外延表面利用离子注入或扩散方式或其他方式在指定位置掺入P型掺杂形成P型重掺杂区2，同时获得夹在P型掺杂区之间的沟道1；
第四步，在沟道1表面淀积指定的肖特基金属10，获得肖特基接触界面6；
第五步，分别在器件上下表面淀积金属，形成欧姆接触，得到阳极金属7和阴极金属8，并引出电极，如图1所示。
实施例2
图2为本发明的一种新型二极管器件的结构截面图，结合图2予以详细说明。
如图2所示，一种新型结构的二极管器件，包括：衬底5，其上方为漂移区3；可以选择是否在衬底层上方增加电场截止层4；导电沟道1位于漂移区3的上方，并处在两块相邻的重掺杂区2之间；阳极金属7位于器件重掺杂区2上方的沟槽内，与肖特基金属10互连，并为器件引出电极；在沟道1和肖特基金属10之间为肖特基接触界面6；阴极金属8位于器件结构的最下方，与衬底5相连，引出电极。
在本例中，第一半导体类型为N型半导体导电材料，第二半导体类型为P型半导体材料，因此构成N型二极管；其一种可能的制造工艺包括如下步骤：
第一步，根据是否需要电场截止层4，决定在N型衬底5上方是否先生长产生形成截止层4；(可选)
第二步，继续向上外延生长分别获得漂移区3，和对应对于沟道浓度和长度的N型外延；
第三步，在N型外延表面指定位置进行刻蚀，获得用于掺杂注入的沟槽；
第四步，在获得的沟槽内进行侧向和垂直的P型掺杂注入，形成P型重掺杂区2，同时获得夹在P型掺杂区之间的沟道1；
第五步，在沟道1的上表面淀积指定的肖特基金属10，或的肖特基接触界面6；
第六步，在器件上表面和沟槽内淀积金属，形成欧姆接触，得到阳极金属7；在器件下表面做欧姆接触产生阴极金属8，并引出电极，如图2所示。
图3是本发明的一种新型二极管器件的结构截面图，其结构在图2的基础上，在沟槽中不进行侧向注入，仅进行垂直注入来形成P掺杂区2和沟道1。
图4是本发明的一种新型二极管器件的结构截面图，其结构在图2的基础上，在刻蚀步骤中采用倾斜型刻蚀的方式，从而得到倾斜的沟道1。
实施例3
图5为本发明的一种新型二极管器件的结构截面图，结合图5予以详细说明。
如图5所示，一种新型结构的二极管器件，包括：衬底5，其上方为漂移区3；可以选择是否在衬底层上方增加电场截止层4；导电沟道1与漂移区3相连，并处在上下相邻的重掺杂区2和表面重掺杂区9之间；阳极金属7位于器件最上方表面，分别与表面掺杂区9、重掺杂区2连接，同时与肖特基金属10互连，并为器件引出电极；沟道1终端和肖特基金属10接触形成肖特基接触界面6；阴极金属8位于器件结构的最下方，与衬底5相连，引出电极。
在本例中，第一半导体类型为N型半导体导电材料，第二半导体类型为P型半导体材料，因此构成N型二极管；其一种可能的制造工艺包括如下步骤：
第一步，根据是否需要电场截止层4，决定在N型衬底5上方是否先生长产生形成截止层4；(可选)
第二步，继续向上外延生长分别获得漂移区3，在其表面做P型掺杂，得到重掺杂区2；
第三步，按照沟道的浓度和宽度设计，继续向上生长得到N型外延；
第四步，在器件上表面利用离子注入或扩散方式或其他方式在指定位置掺入P型掺杂形成表面重掺杂区9，从而获得夹在掺杂区2和掺杂区9之间的沟道1；
第五步，在沟道1两边对应的器件表面采用离子注入或扩散方式或其他方式继续掺入高浓度的P型掺杂，从而露出重掺杂区2；
第六步，在沟道终端表面淀积指定的肖特基金属10，形成肖特基接触界面6；
第七步，分别在器件上下表面淀积金属，形成欧姆接触，得到阳极金属7和阴极金属8，并引出电极，如图5所示。
实施例4
上述图1至图5所展示的为N型二极管的结构截面图，其分别对应一种相应的P型二极管结构。此时第一半导体类型为P型半导体导电材料，第二半导体类型为N型半导体导电材料，并相应改变肖特基金属10的势垒，同时将阳极金属和阴极金属的位置调换，即可获得对应的P型二极管，以图1所示的第一种二极管结构为例予以说明。
图6为本发明的一种新型二极管器件的结构截面图，其结构与图1所展示的N型二极管结构相对应，结合图6予以详细说明。
如图6所示，一种新型结构的二极管器件，包括：衬底5，其上方为漂移区3；可以选择是否在衬底层上方增加电场截止层4；导电沟道1位于漂移区3的上方，并处在两块相邻的重掺杂区2之间；阴极金属8位于器件最上方表面，与重掺杂区2实现欧姆接触；在沟道1上方和肖特基金属10接触形成肖特基界面6，肖特基金属10和阳极金属7进一步互连，并引出电极；阳极金属7位于器件结构的最下方，与衬底5相连，引出电极。
在本例中，第一半导体类型为P型半导体导电材料，第二半导体类型为N型半导体材料，因此构成P型二极管；其一种可能的制造工艺包括如下步骤：
第一步，根据是否需要电场截止层4，决定在P型衬底5上方是否先生长产生形成截止层4；(可选)
第二步，继续向上外延生长分别获得漂移区3，和对应对于沟道浓度和长度的P型外延；
第三步，直接在器件上表面利用离子注入或扩散方式或其他方式在指定位置掺入N型掺杂形成N型重掺杂区2，同时获得夹在N型掺杂区2之间的沟道1；
第四步，在沟道1表面淀积指定的肖特基金属10，从而得到肖特基接触界面6；
第五步，分别在器件上下表面淀积金属，分布形成欧姆接触，得到阴极金属8和阳极金属7，并引出电极，如图6所示。
图2至图5同理对应各自的P型二极管结构，不做赘述。
如上所述的所有结构中，沟道掺杂的范围均包含了整个沟道，与此相对应的情况为，沟道掺杂不包含整个沟道：以图1所示的结构为例，与其相对应的器件结构如图7所示，其他结构也分别各自对应与此相似的结构。
通过上述实例阐述了本发明，同时也可以采用其他实例予以实现，本发明不局限于上述具体实例，因此由所附权利要求范围限定。
Claims (6)
1.一种新型二极管器件结构，其特征在于：包括：
沟道，由邻近的相应类型的掺杂区构成，同时形成所需的势垒高度，并通过肖特基接触形成二极管一端；
漂移区，由半导体材料构成，与沟道相连，并通过衬底和欧姆接触获得二极管另一端。
2.如权利要求1所述的二极管器件，其特征在于：所述二极管器件可以采用任意半导体材料，包括硅、碳化硅、氮化镓、金刚石等等。
3.如权利要求1所述的二极管器件，其特征在于：所述二极管器件可以为P型二极管或N型二极管。
4.如权利要求1所述的二极管器件，其特征在于：所述的半导体沟道，可以为垂直型、横向型、倾斜型结构，其中的掺杂可以为一致性掺杂和非一致性掺杂。
5.如权利要求1所述的二极管器件，其特征在于：所述的半导体漂移区，可以包含或不包含电场截止层；
6.如权利要求1所述的二极管器件，其特征在于：所述的半导体沟道的掺杂，可以包含整个沟道，也可以不包含整个沟道。
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