功率二极管的制作方法

本申请涉及功率半导体功率二极管，具体而言，涉及一种功率二极管。

背景技术：

随着高功率电子功率二极管的发展，高压二极管逐渐成为电力电子应用中的一个核心元件。目前市场所采用的高压二极管种类主要有高压PN结二极管、肖特基势垒二极管与高压JBS二极管。

高压PN结二极管的结构示意图见图1，该高压PN结二极管由下至上依次包括N+衬底01、N-外延层02、P+层03以及金属层04。这种高压PN结二极管的特点是耐压高但是反向恢复性能较差。当该功率二极管加反向电压时，由于大量少数载流子的存在，需要将这些少数载流子消耗掉或者中和掉，才能使得高压PN结二极管反向截止。由于将这些少数载流子消耗掉或者中和掉是一个耗时的过程，因此，反向电流增加到最大值到减小到最小值的过程比较耗时，即高压PN结二极管的反向恢复时间较长，反向恢复速度慢，功率二极管的反向恢复性能差。

现有的一种肖特基势垒二极管(SchottkyBarrier Diode，简称SBD)的结构如图2所示。该功率二极管由下至上依次包括叠置的N+衬底01、N-外延层02以及金属层04。这种肖特基势垒二极管是利用金属与半导接触形成的金属－半导体肖特基结，因其在正向导通时，不存在少数载流子的注人，因此，在加反向偏压时，不存在消耗或者中和大量少数载流子的过程，因此，该功率二极管的反向恢复速度快，具有开关速度快的优点，但是该功率二极管的最大缺点是反向电压很低，一般很难制造反偏电压在300V以上的肖特基势垒二极管。

现有的一种高压JBS二极管的结构如图3所示，该功率二极管包括N+衬底01、N-外延层02、P+层03以及金属层04。该JBS二极管在原有的肖特基势垒二极管中引入了一个PN结整流二极管来保护肖特基势垒，它虽然解决了肖特基势垒二极管的反向电压低的问题，但是由于PN结整流二极管中少数载流子的存在，也使得其反向恢复特性差。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种功率二极管，以解决现有技术中的功率二极管不兼具好的反向恢复性以及高的反向电压的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种功率二极管，该功率二极管包括：N型基体；至少两个P型掺杂区，间隔设置在上述N型基体中；N型掺杂区，设置在各上述P型掺杂区的远离上述N型基体的表面上；金属层，设置在上述N型掺杂区的远离上述N型基体的表面上，其中，上述金属层与各上述P型掺杂区隔离设置。

进一步地，上述功率二极管包括至少两个上述N型掺杂区，各上述N型掺杂区设置在上述N型基体中且与上述P型掺杂区一一对应设置，且各上述N型掺杂区的远离各上述P型掺杂区的表面与上述N型基体的平整表面平齐。

进一步地，第一表面为与上述N型基体的厚度方向垂直的表面，各上述N型掺杂区在上述第一表面上的投影位于对应的上述P型掺杂区在上述第一表面上的投影的内部，且上述功率二极管还包括：至少四个介质区，各上述介质区覆盖各上述P型掺杂区的靠近金属层的表面设置且用于隔离各上述P型掺杂区与上述金属层。

进一步地，上述N型基体包括：N+衬底层；N-外延层，设置在上述N+衬底层的表面上，且上述P型掺杂区设置在上述N-外延层中且远离上述N+衬底层。

进一步地，上述P型掺杂区为P+掺杂区。

进一步地，上述N型掺杂区为N+掺杂区。

进一步地，上述介质区的材料包括二氧化硅。

进一步地，上述金属层的材料包括为Al-Cu和/或Al-Si-Cu。

应用本申请的技术方案，该功率二极管在正向工作时，即金属层加正压，N型基体加负压，此时，两个PN结均不工作，只有肖特基二极管在工作，这样少数载流子不参与工作，进而使得在反向工作时，不存在将少数载流子中和或者消耗的过程，进而使得该功率二极管的反向恢复速度快，反向恢复性能较好。

该功率二极管在反向工作时，即金属层加负压，N型基体加正压，功率二极管中P型掺杂区与N型基体形成的PN结二极管反向偏置，金属层与N型基体形成肖特基二极管反向偏置，形成耗尽区，且当反偏至一定电压时，P型掺杂区两侧的耗尽区连接在一起，将肖特基电流沟道夹断，反向电压不由肖特基二极管承担，只由P型掺杂区与N型基体形成的PN结二极管承担，从而确保功率二极管能在很高的反向偏置电压下工作。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的高压PN结二极管的结构示意图；

图2示出了现有技术中的肖特基势垒二极管的结构示意图；

图3示出了现有技术中的高压JBS二极管的结构示意图；以及

图4示出了本申请的一种实施例的功率二极管的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

01、N+衬底；02、N-外延层；03、P+层；04、金属层；10、N型基体；20、P型掺杂区；30、N型掺杂区；40、介质区；50、金属层；11、N+衬底层；12、N-外延层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、功率二极管、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的功率二极管不兼具好的反向恢复性以及高的反向电压，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种功率二极管。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种功率二极管，如图4所示，该功率二极管包括N型基体10、至少两个P型掺杂区20、N型掺杂区30以及金属层50。其中，至少两个上述P型掺杂区20间隔设置在上述N型基体10中；N型掺杂区30设置在各上述P型掺杂区20的远离上述N型基体10的表面上；金属层50设置在上述N型掺杂区30的远离上述N型基体10的表面上，其中，上述金属层50与各上述P型掺杂区20隔离设置。

该功率二极管在正向工作时，即金属层加正压，N型基体加负压，由于金属层与各个P型掺杂区隔离设置，所以两个PN结均不正向导通，即少数载流子不参与工作，只有肖特基二极管在工作，进而使得在反向工作时，不存在将少数载流子中和或者消耗的过程，进而使得该功率二极管的反向恢复速度快，反向恢复性能较好。

该功率二极管在反向工作时，即金属层加负压，N型基体加正压，功率二极管中P型掺杂区与N型基体形成的PN结二极管反向偏置，金属层与N型基体形成肖特基二极管反向偏置，形成耗尽区，且当反偏至一定电压时，P型掺杂区两侧的耗尽区连接在一起，将肖特基电流沟道夹断，反向电压不由肖特基二极管承担，只由P型掺杂区与N型基体形成的PN结二极管承担，从而确保功率二极管能在很高的反向偏置电压下工作。

但是上述N型掺杂区并不限于图4的结构，本领域技术人员可以根据实际情况将N型掺杂区设置在P型掺杂区的表面上并实现对应的作用即可。例如，将N型掺杂区设置在N型基体中，且N型掺杂区与P型掺杂区在第一表面上的投影可以完全重合，第一表面为与上述N型基体的厚度方向垂直的表面。

本申请的一种实施例中，如图4所示，上述功率二极管包括至少两个上述N型掺杂区30，各上述N型掺杂区30设置在上述N型基体10且与上述P型掺杂区20一一对应设置，且上述各上述N型掺杂区30的远离各上述P型掺杂区20的表面与上述N型基体10的平整表面平齐。这样结构的功率二极管更易制备。

为了进一步确保制备工艺的可实现性，确保制备得到的功率二极管具有较好的功率二极管特性，本申请的一种实施例中，如图4所示，第一表面与上述N型基体10的厚度方向垂直的表面，各上述N型掺杂区30在上述第一表面上的投影位于对应的上述P型掺杂区20在上述第一表面上的投影的内部，且上述功率二极管还包括至少四个介质区40，各上述介质区40覆盖各上述P型掺杂区20的靠近金属层的表面设置且用于隔离各上述P型掺杂区20与上述金属层50。该功率二极管中，由于介质区40覆盖P型掺杂区20的靠近金属层50的表面，进而在功率二极管正向工作时，由于介质区40与N型掺杂区30的存在，使得P型掺杂区20与金属层50隔离。

本申请的另一种实施例中，如图4所示，上述N型基体10包括：N+衬底层11与N-外延层12，其中，N-外延层12设置在上述N+衬底层11的表面上，且上述P型掺杂区20与上述N型掺杂区30设置在上述N-外延层12中且远离上述N+衬底层11。在功率二极管正向工作时，金属层与N-外延层形成的肖特基二极管工作，当功率二极管反向工作时，P型掺杂区与N-外延层形成的PN结二极管反向工作形成耗尽区，金属层与N-外延层形成的肖特基二极管反向工作。

为了进一步确保该功率二极管在N型基体中具有较大的耗尽区域，从而进一步保证该功率二极管的P型掺杂区两侧的N型基体中的耗尽区更快地连接在一起，本申请的一种实施例中，上述P型掺杂区20为P+掺杂区。

在没有特殊说明的情况下，本申请中的P+、N+以及N-中的“+”与“-”分别代表重掺杂与轻掺杂，P+表示P型重掺杂，N+表示N型重掺杂，N-表示N型轻掺杂。

本申请的再一种实施例中，上述N型掺杂区30为N+掺杂区。

本申请中的介质区可以是任何材料形成的，例如，该介质区的材料可以包括氮化硅与二氧化硅，也可以只包括二氧化硅，还可以是PSG(Phospho-Silicate-Glass，简称磷硅玻璃)或者BPSG(Boro-Phospho-Silicate-Glass，简称硼磷硅玻璃)。

本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成介质区。为了进一步保证形成的介质区具有较好的隔离效果，本申请的一种实施例中，上述介质区的材料包括二氧化硅。

为了简化介质区的形成工艺，本申请的一种实施例中，上述的介质区为二氧化硅介质区。

本申请中的金属层可以是现有技术中的任何肖特基二极管中的金属层，例如可以是Al-Si-Cu，也可以是Al-Si，还可以是Al-Cu，还可以是任意几种金属混合形成的金属层。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成金属层。

本申请中的功率二极管的制作工艺均采用现有技术中的工艺，以图4所示的结构为例，来说明本申请的功率二极管的具体制作方法。

功率二极管的制作工艺包括：

首先，制作N型基体10。

在N+衬底层11的表面上外延生长N-外延层12，形成N型基体10。

其次，形成P型掺杂区20。

通过光刻、刻蚀、离子注入法和扩散炉推进在N型基体10中形成P型掺杂区20。

再次，形成N型掺杂区30和介质区。

利用P型掺杂区20形成过程中扩散炉生长的二氧化硅，通过光刻、刻蚀、N+离子注入和扩散炉推进等工艺，形成如图4所示的N型掺杂区30和介质区40。

最后，在介质区40的裸露表面上、N-外延层12的裸露表面上以及N型掺杂区30的裸露表面上溅射形成设置Al-Si-Cu金属层。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的功率二极管在正向工作时，即金属层加正压，N型基体加负压，此时，两个PN结均不工作，只有肖特基二极管在工作，这样少数载流子不参与工作，进而使得在反向工作时，不存在将少数载流子中和或者消耗的过程，进而使得该功率二极管的反向恢复速度快，反向恢复性能较好。

该功率二极管在反向工作时，即金属层加负压，N型基体加正压，功率二极管中P型掺杂区与N型基体形成的PN结二极管反向偏置，金属层与N型基体形成肖特基二极管反向偏置，形成耗尽区，且当反偏至一定电压时，P型掺杂区两侧的耗尽区连接在一起，将肖特基电流沟道夹断，反向电压不由肖特基二极管承担，只由P型掺杂区与N型基体形成的PN结二极管承担，从而确保功率二极管能在很高的反向偏置电压下工作，其反向耐压可以达到600V、1200V甚至更高电压，进而使得该功率二极管不仅具有较好的反向恢复特性还能承受很高的反向偏压。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。