CN109216472A - 快恢复二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，提供一种快恢复二极管及其制备方法，其中快恢复二极管包括：第一导电类型的衬底；第二导电类型的半导体层，形成在衬底上，第二导电类型与第一导电类型相反；掺杂层，形成在衬底内且与衬底的导电类型相同，掺杂层是通过向衬底注入掺杂离子，并以预定温度退火得到的，预定温度小于500℃。该掺杂层同时兼备寿命阻挡以及寿命控制的作用，在反向阻断状态下，掺杂层能够降低其下方空间电荷区整体电场强度(即，掺杂层，与快恢复二极管的阴极之间的空间电荷区域)，减少了电子空穴对的分离能量，从而降低二极管反向阻断状态下的漏电流，降低了快恢复二极管的额定反向电压的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种快恢复二极管及其制备方法。
背景技术
功率快恢复二极管是一种具有单向导电的二端器件，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体快恢复二极管，它在许多的电路电力装置中起着重要的作用。其中，快恢复二极管(Fast Recovery Diode，简称为FRD)由于具有良好的开关特性以及较短的反向恢复时间，因此广泛应用于各个领域，其结构如图1所示。具体包括：P型半导体、N型半导体以及在P型、N型硅材料中间增加了本征半导体i区，构成P-i-N硅片。其中：制备本征半导体i区的方法主要是通过在P型层和N型层形成一个低浓度的N-区，使得N-区相比于P型区和N型区可以近似认为是本征半导体i区。快恢复二极管的工作状态一般分为正向导通与反向截止，其中，在正向导通状态下，由于基区存在电导调制，因而二极管的通态功率很低，可以达到很高的额定电流和额定功率；在反向截止状态下，必须全部抽出及复合导通时积累的大量少数载流子，由于复合过程较长，使得器件不能迅速关断。即，注入的少数载流子的浓度越高，二极管的通态压降、通态损耗越小，但开关时间、开关损耗越大。
因此，现有技术中为了在正向导通损耗以及反向关断时间之间折中，一般在二极管内部形成局部寿命控制区，向二极管内部引入空间分布适当的复合中心来控制少数载流子的寿命，以达到优化载流子分布，优化二极管性能参数的目的。具体地，利用重金属扩散工艺，再结合较高温度的退火温度(500℃以上)，形成局部寿命控制区。
然而，发明人在以快恢复二极管为例进行具体分析时发现，在反向阻断状态下，有源区中低掺杂漂移区N-区承担大部分电场，大量电子空穴对在电场的作用下发生分离，电子向N+高电位移动，形成电子电流，空穴向P+低电位移动，形成空穴电流，二者加和即为反向漏电流。特别地，由于在N-漂移区存在载流子寿命控制层，形成寿命控制层的缺陷会在反向电场作用下，产生更多的电子和空穴，反向漏电流会进一步增大，导致反向阻断状态下的损耗增大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种快恢复二极管及其制备方法，以解决现有快恢复二极管在反向阻断状态下漏电流大的问题。
本发明第一方面提供了一种快恢复二极管，包括：
第一导电类型的衬底；
第二导电类型的半导体层，形成在所述衬底上，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；
掺杂层，形成在所述衬底内且与所述衬底的导电类型相同；所述掺杂层是通过向所述衬底注入掺杂离子，并以预定温度退火得到的，所述预定温度小于500℃。
可选地，所述预定温度为200-400℃。
可选地，所述半导体层的掺杂浓度为1E15cm-3-1E19cm-3。
可选地，还包括：
第一电极，形成在所述衬底远离所述半导体层的一侧；
第二电极，形成在所述半导体层远离所述衬底的一侧。
可选地，所述掺杂离子为氢离子、氦离子或磷离子中的一种。
本发明第二方面还提供了一种快恢复二极管的制备方法，包括：
提供具有第一导电类型的衬底；
在所述衬底上形成第二导电类型的半导体层，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；
向所述衬底注入掺杂离子；
以预定温度对离子注入后的所述衬底进行退火，形成与所述衬底导电类型相同的掺杂层；其中，所述预定温度小于500℃。
可选地，所述预定温度为200-400℃。
可选地，所述掺杂离子的注入剂量为1E5～1E20cm-2。
可选地，所述在所述衬底上形成第二导电类型的半导体层，包括：
以1E13cm-2-1E15cm-2的注入剂量向所述衬底注入第二导电类型的掺杂离子。
可选地，还包括：
在所述衬底远离所述半导体层的一侧形成第一电极层；
在所述半导体层远离所述衬底的一侧形成第二电极层。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明实施例提供的快恢复二极管，通过在衬底内形成掺杂层，用以调整快恢复二极管内部反向阻断状态下的电场分布，降低了低掺杂区的电场强度。其中，该掺杂层同时兼备寿命阻挡以及寿命控制的作用，具体地，快恢复二极管在反向阻断状态下，掺杂层能够降低其下方空间电荷区整体电场强度(即，掺杂层，与快恢复二极管的阴极之间的空间电荷区域)，减少了电子空穴对的分离能量，从而降低快恢复二极管在反向阻断状态下的漏电流，降低了快恢复二极管的额定反向电压的损耗；此外，掺杂层的缺陷提供了禁带中的间接复合能级，降低了电子空穴复合所需要的能量，从而提高了电子空穴复合率，降低载流子寿命，可以提高快恢复二极管的整体载流子寿命，达到降低快恢复二极管正向导通压降的目的，降低了额定正向电流下的损耗。
2.本发明实施例提供的快恢复二极管，利用预定温度为200-400℃进行退火，以得到掺杂层；在正向导通状态下，该控制层掺杂层能够降低正向导通电压；在反向阻断状态下，能够降低反向漏电流，减小快恢复二极管的整体损耗。
3.本发明实施例提供的快恢复二极管的制备方法，通过在低于500℃的预定温度对离子注入后的衬底进行退火，从而在衬底内形成掺杂层；即通过离子注入以及一次低于500℃的退火工艺，即可在衬底内形成掺杂层，简化了制备工艺；该掺杂层同时兼备寿命阻挡以及寿命控制的功能，具体地，快恢复二极管在反向阻断状态下，掺杂层能够降低其下方空间电荷区整体电场强度(即，掺杂层，与快恢复二极管的阴极之间的空间电荷区域)，减少了电子空穴对的分离能量，从而降低快恢复二极管在反向阻断状态下的漏电流，降低了快恢复二极管的额定反向电压的损耗；此外，掺杂层的缺陷提供了禁带中的间接复合能级，降低了电子空穴复合所需要的能量，从而提高了电子空穴复合率，降低载流子寿命，可以提高快恢复二极管的整体载流子寿命，达到降低快恢复二极管正向导通压降的目的，降低了额定正向电流下的损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为快恢复二极管的结构和掺杂分布示意图；
图2为本发明实施例中快恢复二极管的结构示意图；
图3为本发明实施例中快恢复二极管的反向电场分布示意图；
图4为本发明实施例中快恢复二极管的反向漏电流的示意图；
图5为本发明实施例中快恢复二极管的正向导通压降的示意图；
图6为本发明实施例中快恢复二极管的结构示意图；
图7为本发明实施例中快恢复二极管的制备工艺流程图；
图8a-8f为本发明实施例中快恢复二极管的结构图；
附图标记：1-衬底；11-低掺杂区；12-高掺杂区；2-半导体层；3-掺杂层；4-第一电极；5-第二电极。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种快恢复二极管，如图2所示，包括第一导电类型的衬底1，形成在衬底1上的第二导电类型的半导体层2以及在衬底1内形成有至少一层掺杂层3。其中，第一导电类型与第二导电类型相反。例如，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型；或，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。在本实施例中，以第一导电类型为N型，第二导电类型为P型为例，进行详细描述。即，本实施例中，衬底1为N型衬底，半导体层2为P型。
具体地，掺杂层3与衬底1的导电类型相同，掺杂层3是通过向衬底1注入掺杂离子，并以预定温度退火得到的。其中，预定温度小于500℃。通过低于500℃的退火温度，使得注入掺杂离子所形成的功能层同时具备寿命阻挡以及寿命控制的功能，所述的功能层即为掺杂层3。
可选地，掺杂离子可以为氢离子、氦离子、磷离子或银离子中的一种；也可以为其他类型的轻离子，或重离子等等。
通过在衬底1上形成掺杂层3，用以调整快恢复二极管内部反向阻断状态下的电场分布，降低了衬底的电场强度。其中，该掺杂层3同时兼备寿命阻挡以及寿命控制的作用，具体地，如图3所示，快恢复二极管在反向阻断状态下，掺杂层3能够将PN结处的电场强度拉高，从而降低其下方空间电荷区整体电场强度(即，掺杂层3，与快恢复二极管的阴极之间的空间电荷区域)，减少了电子空穴对的分离能量，从而降低二极管反向阻断状态下的漏电流，降低了快恢复二极管的额定反向电压的损耗；此外，掺杂层3的缺陷提供了禁带中的间接复合能级，降低了电子空穴复合所需要的能量，从而提高了电子空穴复合率，降低载流子寿命，可以提高快恢复二极管的整体载流子寿命，达到降低快恢复二极管正向导通压降的目的，降低了额定正向电流下的损耗。
可选地，半导体层2的掺杂浓度为1E15cm-3-1E19cm-3。
在本实施例的一些可选实施方式中，退火的预定温度为200-400℃。发明人分别以200℃，250℃，300℃，400℃，550℃进行退火，得到不同的快恢复二极管，并对各个快恢复二极管的反向漏电流与反向阻断电压，以及正向导通电流与正向导通电压进行测试，得到的测试数据如图4以及图5所示。
图4示出了不同退火温度对应的快恢复二极管的反向漏电流与反向阻断电压之间的关系，其中，a2，b2，c2，以及d2分别对应于400℃，300℃，250℃，以及200℃退火得到的快恢复二极管的测试数据，e2对应于常规500℃以上的退火工艺得到的快恢复二极管的测试数据。由图4所示的测试数据可知，以200-400℃的退火温度得到的快恢复二极管与常规快恢复二极管相比，在反向阻断状态下具有较低的漏电流，即本实施例中的快恢复二极管能够降低快恢复二极管在反向阻断状态下的漏电流，以及额定反向电压下的损耗。
图5示出了不同退火温度对应的快恢复二极管的正向导通电流与正向导通电压之间的关系，其中，a1-d1分别对应于400℃，300℃，250℃，以及200℃退火得到的快恢复二极管的测试数据，e1对应于常规500℃以上的退火工艺得到的快恢复二极管的测试数据。由图5所示的测试数据可知，以200-400℃的退火温度得到的快恢复二极管与常规快恢复二极管相比，在正向导通状态下具有较低的漏电流，即本实施例中的快恢复二极管能够降低快恢复二极管在正向导通状态下的压降，以及额定正向电流下的损耗。具体地，与同电压等级的常规快恢复二极管相比，本实施例中的快恢复二极管的反向漏电流降低90％以上，整体损耗降低70％以上。
此外，如图6所示，快恢复二极管的衬底1包括第一导电类型的低掺杂区11以及第一导电类型的高掺杂区12，例如，N-区以及N+区。其中，掺杂层3形成在低掺杂区11中，由于在所有有源区中，第一导电类型的低掺杂区11承担大部分电场，因此，将掺杂层形成在低掺杂区11中，能够调整在反向阻断状态下的快恢复二极管的电场分布，降低整个低掺杂区11的电场强度，减少电子空穴对的分离能量，从而降低快恢复二极管在反向阻断状态下的漏电流。具体地，与常规快恢复二极管相比，本实施例中的快恢复二极管的正向导通压降降低38％。
进一步地，如图6所示，快恢复二极管还包括形成在衬底1远离半导体层2的一侧的第一电极4，以及形成在半导体层2远离衬底1的一侧的第二电极5。其中，第一电极4可以用作快恢复二极管的阴极，对应地第二电极5可以用作快恢复二极管的阳极。
在本实施例的一些可选实施方式中，掺杂层3的数量可以根据快恢复二极管的实际需求，在低掺杂区11的任意位置形成，且数量可以不唯一。
可选地，掺杂层3中载流子寿命以及掺杂浓度可以根据载流子寿命的控制程度同时进行调控，以满足实际需要的目的。此外，掺杂层3的注入深度可以根据实际情况进行设置，只需保证在低掺杂区11形成有掺杂层3即可。
本发明实施例还提供了一种快恢复二极管的制备方法，如图7所示，该制备方法包括：
S10，提供具有第一导电类型的衬底。
如图8a所示，第一导电类型可以为N型，也可以为P型。本实施例中，以N型为例，进行详细描述。例如，可以采用N型硅作为衬底。
S20，在衬底上形成第二导电类型的半导体层，第二导电类型与第一导电类型相反。
如图8b所示，第二导电类型可以为P型，也可以为N型，以P型为例进行详细描述。例如，可以在衬底1上注入硼离子，形成硼离子注入层，该硼离子注入层即为半导体层2。
S30，向衬底注入掺杂离子。
在形成半导体层2之后，向衬底1注入掺杂离子。其中，掺杂离子可以为氢离子、氦离子、磷离子或银离子中的一种。
S40，以预定温度对离子注入后的衬底进行退火，形成与衬底导电类型相同的掺杂层；其中，预定温度小于500℃。
对注入掺杂离子之后的衬底，以低于500℃的温度进行退火，从而形成掺杂层3，如图8c所示。该掺杂层3同时兼备寿命控制以及寿命阻挡的功能，其中，寿命控制可以调控载流子寿命范围，包括本征载流子寿命及更低，同时可以调控衬底浓度及更高。
本实施例中，通过在低于500℃的预定温度对离子注入后的衬底进行退火，从而在衬底内形成掺杂层3；即通过离子注入以及一次低于500℃的退火工艺，即可在衬底内形成掺杂层3，简化了制备工艺；该掺杂层3同时兼备寿命阻挡以及寿命控制的功能，具体地，快恢复二极管在反向阻断状态下，掺杂层3能够降低其下方空间电荷区整体电场强度(即，掺杂层，与快恢复二极管的阴极之间的空间电荷区域)，减少了电子空穴对的分离能量，从而降低二极管反向阻断状态下的漏电流，降低了快恢复二极管的额定反向电压的损耗；此外，掺杂层3的缺陷提供了禁带中的间接复合能级，降低了电子空穴复合所需要的能量，从而提高了电子空穴复合率，降低载流子寿命，可以提高快恢复二极管的整体载流子寿命，达到降低快恢复二极管正向导通压降的目的，降低了额定正向电流下的损耗。
在本实施例的一些可选实施方式中，退火工艺的预定温度为200-400℃。其中，关于本实施例中的预定退火温度所形成的快恢复二极管的性能参数与500℃以上退火温度所形成的快恢复二极管的性能参数的对比分析，请参照图4以及图5所示实施例的相关描述，在此不再赘述。
可选地，掺杂离子的注入剂量为1E5～1E20cm-2。其中，掺杂离子的注入能量与掺杂离子的注入深度有关，注入深度越深，掺杂离子的注入能量越大；反之，掺杂离子的注入能量越小；仅需保证在衬底1中形成为掺杂层3即可。
进一步地，衬底1中所形成的掺杂层3的深度以及数量，可以根据快恢复二极管的实际需求进行具体设置。
可选地，形成掺杂层3的方法包括但不限于轻离子注入技术、重离子注入技术等。
在本实施例的一些可选实施方式中，S20中在衬底上形成第二导电类型的半导体层，包括：以1E13cm-2-1E15cm-2的注入剂量向所述衬底注入第二导电类型的掺杂离子。具体包括：
S21，在衬底的表面上生长离子掩膜层。
其中，可以在N型硅衬底表面生成氧化层，用作第二导电类型的掺杂离子注入的离子掩膜层。
S22，图案化离子掩膜层，以形成离子注入窗口。
S23，利用离子注入窗口进行第二导电类型的掺杂离子的注入，以形成半导体层。
具体地，通过离子注入窗口对N型硅衬底进行硼离子的注入，以形成硼离子注入层。其中，硼离子的注入剂量为1E13cm-2-1E15cm-2，再在1200℃氮气气氛下推结形成重掺杂P型半导体层2，该P型半导体层2作为快恢复二极管的P型阳极区。可选地，P型半导体层2结深距离N型衬底1顶部为5μm至25μm，P型半导体层2的掺杂浓度为1E15cm-3-1E19cm-3。
进一步地，S30之前，还包括：在衬底1的另一表面形成高掺杂浓度的N型半导体层12，以使得衬底1包括低掺杂区11(N-型半导体区)以及高掺杂区12(N+型半导体区)，如图8d所示。可选地，衬底1可以选用低掺杂浓度的N型硅，衬底1的掺杂浓度为1E11cm-3-1E15cm-3，在N型衬底1的背面进行磷离子扩散，形成N+型半导体层，该N+型半导体层作为快恢复二极管的阴极。在形成半导体层2以及高掺杂区12之后，形成掺杂层3的结构，如图8e所示。
其中，S30中在向衬底注入掺杂离子时，可以根据注入深度选择是从半导体层2一侧注入，还是从N型半导体层12一侧注入。例如，当掺杂层3靠近半导体层2时，可以选择从半导体层2一侧注入；当掺杂层3靠近N型半导体层12时，可以选择从N型半导体层12一侧注入。
本发明实施例通过在衬底1上分别形成阳极区以及阴极区之后，再利用离子注入技术，在衬底1内(进一步地，在低掺杂区11)形成掺杂层3，能够避免由于形成阳极区以及阴极区的较高退火温度对掺杂层3性能的影响，进而能够保证掺杂层的寿命控制以及寿命阻挡的功能。
此外，该制备方法还包括：在衬底1远离半导体层2的一侧形成第一电极4，以及在半导体层远离衬底的一侧形成第二电极5，如图8f所示。其中，第一电极4用作阴极，第二电极5用作阳极。
在本实施例的另一些可选实施方式中，还包括在整个快恢复二极管内形成全局寿命控制区的步骤。例如，可以对N型衬底1进行电子辐射或重金属扩散，在整个快恢复二极管内形成全局载流子寿命控制区。
本实施例通过在快恢复二极管的低掺杂区11增加掺杂层，降低了N-漂移区电场强度，从而减小了快恢复二极管反向阻断状态的漏电流。同时，由于掺杂层提供了额外的寿命控制功能，可以降低全局载流子寿命控制区对载流子寿命控制力度，降低了快恢复二极管的正向导通压降。
此外，未在本实施例中详细描述的快恢复二极管的结构细节，请参照图2-图6所示实施例的详细描述，在此不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种快恢复二极管，其特征在于，包括：
第一导电类型的衬底；
第二导电类型的半导体层，形成在所述衬底上，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；
掺杂层，形成在所述衬底内且与所述衬底的导电类型相同；所述掺杂层是通过向所述衬底注入掺杂离子，并以预定温度退火得到的，所述预定温度小于500℃。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述预定温度为200-400℃。
3.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述半导体层的掺杂浓度为1E15cm-3-1E19cm-3。
4.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，还包括：
第一电极，形成在所述衬底远离所述半导体层的一侧；
第二电极，形成在所述半导体层远离所述衬底的一侧。
5.根据权利要求1-4中任一项所述快恢复二极管，其特征在于，所述掺杂离子为氢离子、氦离子、磷离子或银离子中的一种。
6.一种快恢复二极管的制备方法，其特征在于，包括：
提供具有第一导电类型的衬底；
在所述衬底上形成第二导电类型的半导体层，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；
向所述衬底注入掺杂离子；
以预定温度对离子注入后的所述衬底进行退火，形成与所述衬底导电类型相同的掺杂层；其中，所述预定温度小于500℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定温度为200-400℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述掺杂离子的注入剂量为1E5-1E20cm-2。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上形成第二导电类型的半导体层包括：
以1E13cm-2-1E15cm-2的注入剂量向所述衬底注入第二导电类型的掺杂离子。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底远离所述半导体层的一侧形成第一电极层；
在所述半导体层远离所述衬底的一侧形成第二电极层。
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