一种二极管及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种二极管及其制备方法。

背景技术

二极管是一种应用广泛的半导体器件，其基本功能是只允许电流由单一方向流过。在实际电路中，二极管可以起到稳压、检波、整流、钳位和限幅等作用，作为集成电路中不可或缺的器件，二极管的制作对电子工业意义重大。

传统二极管的制备过程一般包括热氧化、掺杂、合金、清洗、测试、焊接封装等步骤，其中，掺杂步骤一般采用高温热扩散或离子注入技术，为了控制掺杂区域，该过程还需要多次进行上光刻胶、光刻、去除光刻胶等工序，流程及需要的设备都极为复杂。

具体地，以在硅片上使用热扩散法制作二极管为例，首先对单晶硅片进行热氧化，然后进行抛光，涂光刻胶，利用掩膜曝光、显影、腐蚀、去胶后得到扩散窗口，以适当扩散源及扩散条件进行杂质预淀积，再使用驱入工艺得到pn结，合金后再次进行光刻得到引出电极，清洗硅片，管芯制作完成。此后，还需要进行测片、划片、装配、封装、电参数测试、筛选、电镀、印字才得到成品管。类似地，以锗、砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌等为基底材料制作二极管同样极为复杂。由上可知，在二极管的整个制备过程中，掺杂、合金步骤都需要结合光刻，是其中最为复杂的两步。

综上所述，如何在现有研究基础上，研究开发一种简便且高效的二极管的制备方法，制备得到结构和性能稳定且成本低廉的二极管，具有重要的理论和实际意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种二极管及其制备方法。

根据本发明一方面提供了一种二极管的制备方法，包括如下步骤：

s1、对半导体晶片表面进行预处理，控制预处理层的厚度为10nm-1μm；

s2、在步骤s1中得到的所述半导体晶片一侧的预处理层上涂覆第一液态金属；

s3、对涂覆有第一液态金属的所述半导体晶片进行掺杂处理，所述掺杂处理包括将所述半导体晶片置于加热装置中进行加热处理和/或在所述半导体晶片与所述第一液态金属之间连接电压源，所述电压源的正极和负极分别与所述液态金属和所述半导体晶片连接；

s4、停止掺杂处理，检测并筛选出单向导电性能满足预设值的半导体晶片，切割，并在所述第一液态金属中固定金属丝，作为阳极；

s5、去除所述半导体晶片上未涂覆第一液态金属一侧的预处理层，并在去除了预处理层的半导体晶片上二次涂覆第二液态金属，并在所述第二液态金属中固定金属丝，作为阴极，即得二极管管芯；

s6、对步骤s5中得到的二极管管芯进行后处理，制得二极管。

在上述技术方案中，步骤s3中，所述电压源为直流稳压电源，其电压为0-100v。

优选地，在上述技术方案中，步骤s3中，所述加热处理的处理温度为25-1000℃。

具体地，步骤s3中，在掺杂处理过程中，通过加热处理提高反应温度可加剧原子热运动，在液态金属与半导体晶片间加电压可使液态金属中带正电的原子核向半导体晶片定向运动，二者均有利于液态金属向半导体晶片内部扩散掺杂。不同的电压及反应温度下，以及选用的液态金属或半导体晶片改变时，扩散速率都不同，扩散速率应在实际选定材料及反应条件后进行测试，扩散时间应当根据测得的扩散速率，及所需杂质浓度，使用fick第一及第二定律进行估算。

此外，步骤s3中，在掺杂处理过程中，加电压及加热处理可以同时使用，也可以分步使用或只使用其中一种，分步使用时，其使用顺序可调换。

进一步地，在上述技术方案中，所述半导体晶片为硅晶片、锗晶片、砷化镓晶片、磷化镓晶片、硫化镉晶片和硫化锌晶片中的一种。

再进一步地，在上述技术方案中，所述第一液态金属和/或第二液态金属为低熔点液态金属单质/合金或低熔点液态金属单质/合金与导电颗粒的混合物。

具体地，所述第一液态金属和第二液态金属可以分别是镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅等中的一种或多种；更优选地，所述第一液态金属和第二液态金属可以分别是汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。

详细地，液态金属由于可在常温下或略微加热后呈现液态而得名，且液态金属没有晶格结构，带正电的原子核及带负电的电子都可自由移动，通过适当控制电压及温度，部分液态金属原子可以掺杂进入半导体晶片内部，且液态金属本身是良导体，未进入半导体晶片的液态金属可以直接作为电极，省去传统制备方法中合金步骤；此外，液态金属可使用打印、喷印等方法进行图案化，无需光刻工艺即可控制掺杂区域；在传统二极管制备方法中引入液态金属有利于简化制作流程。

优选地，在上述技术方案中，所述第一液态金属和/或第二液态金属的涂覆方法为打印、喷印、丝网印刷、刮涂和旋涂中的一种。

在上述技术方案中，步骤s1中，所述预处理为热氧化处理或氮化处理，优选地，所述热氧化处理为干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化中的一种。

其中，干氧氧化得到的氧化层的结构致密且均匀性好，但氧化层生长速率很慢，一般用于高质量氧化；水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差；湿氧氧化得到的氧化层性能介于干氧氧化与水汽氧化之间。

在上述技术方案中，步骤s4中，所述切割为金刚石刀片切割、晶圆划片机切割和激光切割中的一种。

优选地，在上述技术方案中，步骤s4中，所述切割为晶圆划片机切割或激光切割。

具体地，步骤s4中，测试其单向导电性能可采用万用表测试或iv曲线描记，其中，采用万用表测试较为简便，而iv曲线描记更加准确。详细地，批量制备时，可抽取多个进行iv曲线描记，其余部分则采用万用表简单测试。

在上述技术方案中，所述金属丝为铜丝、铜合金丝和表面镀铜的金属丝中的一种；

进一步地，在上述技术方案中，所述金属丝的固定方法为uv固化胶粘接。

优选地，在上述技术方案中，所述uv固化胶为uv环氧丙烯酸酯、uv聚氨酯丙烯酸酯、uv聚醚丙烯酸酯、uv聚酯丙烯酸酯和uv不饱和聚酯中的一种或多种。

在上述技术方案中，步骤s5中，所述预处理层的去除方法为氢氟酸溶液处理或金刚石刮削。

在上述技术方案中，步骤s6中，所述后处理包括装配、封装、电参数测试、筛选、电镀和印字。

具体地，在实际应用过程中，可直接选用预处理完毕的半导体晶片作为二极管制备的原材料，此时则应跳过步骤s1的预处理。

根据本发明另一方面提供了一种二极管，所述二极管采用上述二极管的制备方法制备。

本发明的优点：

(1)本发明所提供的二极管制备方法能大幅简化传统工艺中极为复杂的掺杂及合金步骤，整个制备方法中没有光刻步骤，不需要专门的扩散或离子注入设备，大幅度降低了二极管制备的设备要求，能有效降低其生产成本；

(2)本发明所提供的二极管制备方法制备得到的二极管结构和性能稳定，成本更低，应用前景广阔，理论和实际意义重大。

附图说明

图1为本发明实施例1中二极管的制备方法的工艺流程示意图；

图2为本发明实施例1中步骤s3中得到的半导体晶片的结构示意图；

图3为本发明实施例1中步骤s5中得到的二极管管芯的结构示意图；

图中：

1-半导体晶片，2-氧化层，3-第一液态金属，4-加热装置，5-电压源，6-掺杂区，7-金属丝，8-uv固化胶。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。

若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明实施例提供了一种二极管的制备方法，在本实施例中，所用半导体晶片为硅片，所用第一液态金属和第二液态金属均为共晶镓铟合金，所用金属丝为铜丝，所用uv固化胶为uv环氧丙烯酸酯，使用功率36w的365nm紫外光照射5min后固化。

具体地，制备方法如图1所示，具体包括如下步骤：

s1、对半导体晶片1(硅片)表面进行热氧化处理，具体工艺为湿氧氧化，通过控制氧化时间，使得氧化层2的厚度为500nm；

s2、在步骤s1中得到的所述半导体晶片的上表面的氧化层上按4*4阵列打印第一液态金属3；

s3、对涂覆有第一液态金属3的所述半导体晶片1进行掺杂处理，具体为，在上述半导体晶片1与上述第一液态金属3之间连接电压源5，并置于加热装置4中进行加热处理，上述电压源5的正极和负极分别与所述第一液态金属3和所述半导体晶片1连接，且电压源5的电压为30v，同时，控制上述加热装置4的温度恒定为150℃，且加热处理的反应时间为6h，所得到的半导体晶片的结构示意图如图2所示；

s4、停止加热并拆除电压源，连接万用表测试其单向导电性，筛选单向导电性满足预设值的半导体晶片，性能满足要求即说明在步骤s3反应过程中，半导体晶片1上已经得到满足需求的掺杂区6，切割分离出性能满足要求的器件，在未进入半导体晶片1的第一液态金属3中插入金属丝7，使金属丝7与第一液态金属3相连，使用uv固化胶8进行固定，作为阳极；

s5、用氢氟酸溶液处理半导体晶片1下表面的氧化层，随后用去离子水洗去多余溶液，并在去除了氧化层2的半导体晶片上二次涂覆第二液态金属，在第二液态金属中插入金属丝，使金属丝与第二液态金属相连，使用uv固化胶进行固定，作为阴极，即得二极管管芯，所得二极管管芯的结构示意图如图3所示；

s6、按常规二极管制作方法，使用外部封装do-35，对管芯进行装配、封装、电参数测试、筛选、电镀、印字，即得。

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

实施例2

本发明实施例提供了一种二极管的制备方法，与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处。

在本实施例中，所用半导体晶片为经氮化处理过的锗晶片，所用第一液态金属和第二液态金属分别为镓铟锡合金和镓锡合金，所用金属丝为表面镀铜的铝丝，所用uv固化胶为uv环氧丙烯酸酯，使用功率36w的365nm紫外光照射5min后固化。

在其制备方法中，无需再进行步骤s1的预处理，s2-s6与实施例1类似。

本发明实施例所提供的二极管制备方法能大幅简化传统工艺中极为复杂的掺杂及合金步骤，整个制备方法中没有光刻步骤，不需要专门的扩散或离子注入设备，大幅度降低了二极管制备的设备要求，能有效降低其生产成本；本发明实施例所制备得到的二极管结构和性能稳定，成本更低，应用前景广阔，理论和实际意义重大。

最后，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。