当对本垂直场效应管的施加反向电压(即正极连接底层金属层5，负极连接顶层金属层I)时，由于电压反接，相邻两沟槽9内的P型单晶硅层4之间开始出现空乏区，随着电压的逐渐增大，当电压值上升到截止电压时，此时相邻两沟槽9之间的空乏区相连接，将电流的通道截断，此时电流在阴极(底层金属层5)和阳极(顶层金属层I)之间流通受到限制，即本垂直场效应二极管反向截止。
[0040]由于本垂直场效应二极管由于正向导通时因连接阳极(即顶层金属层I)与阴极(即底层金属层5)为半导体材料，其电阻可随电压升高而导通，所以不存在常规二极管(如硅二极管、锗二极管、肖特基二极管)在导通时所存在的死区电压，当加载了正向电压之后，本垂直场效应管立即导通，因此具有提高正向导通效率的优点。
[0041]因为阳极与阴极间为半导体材料的电阻，因此没有普通P-N结二极管的开通及关断的多子与少子的注入及抽走的过程，所以开关速度大幅提高，开关频率可以大幅提升，开关损耗也可降低。
[0042]实施例2:
如图10所示，在本实施例中，垂直场效应管，包括N型衬底6，N型衬底6上方为N型外延层7，自N型外延层7的上端向下间隔设置有多个沟槽9，在沟槽9内填充有P型单晶硅10，在相邻两沟槽9之间以及位于两端的沟槽9的外侧还设置有重掺杂的N+型层2，N+型层2位于N型外延层7的上端且与沟槽9上端平齐，通过重掺杂的N+型层2可以实现良好的欧姆接触。在N型衬底6的下部以及沟槽9和N+型层2的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层I同时将沟槽9中的P型单晶硅层4以及N+型层2连接。与实施例1相同，顶层金属层I作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
[0043]在本实施例中，垂直场效应管的制造工艺，包括如下步骤:
其中步骤a~步骤d与实施例1相同，分别如图2~5所示，在此不再赘述；
步骤e，在沟槽9内填充P型单晶硅10，使沟槽9内与位于沟槽9外部的N型外延层7之间形成P-N结结构，如图11所示。
[0044]步骤f，去除上部多余的P型单晶硅10以及氧化层8。
[0045]利用化学腐蚀或物理抛光的方式将顶部多余的P型单晶硅10以及步骤c中未进行刻蚀的氧化层8去除，使芯片上部露出N+型层2以及与N+型层2平齐的P型单晶硅10，如图12所示。
[0046]步骤g，分别在芯片上、下两端分别做出顶层金属层I和底层金属层5，完成如图10所述的垂直场效应二极管。
[0047]实施例3:
实施例3与实施例1的区别在于:在实施例3中，将N型材质与P型材质进行交换，如图13所示，垂直场效应二极管，包括P型衬底14，P型衬底14上方为P型外延层13，自P型外延层13的上端向下间隔设置有多个沟槽9，沟槽9与P型外延层7的交界面设置有N型单晶硅层12，在沟槽9内填充有N型多晶硅11。在相邻两沟槽9之间以及位于两端的沟槽9的外侧还设置有重掺杂的P+型层15，P+型层15位于P型外延层13的上端且与沟槽9上端平齐，通过重掺杂的P+型层15可以实现良好的欧姆接触。在P型衬底14的下部以及沟槽9和P+型层15的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层I，顶层金属层I同时将沟槽9中的N型多晶硅11以及P+型层15连接。与实施例1相同，顶层金属层I作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
[0048]实施例3的制造工艺与实施例1相同，只是在制造时将N型材质与P型材质进行交换，在此不再赘述。
[0049]实施例4:
实施例4与实施例2的区别在于:将N型材质与P型材质进行交换，如图14所示，垂直场效应管，包括P型衬底14，P型衬底14上方为P型外延层13，自P型外延层13的上端向下间隔设置有多个沟槽9，在沟槽9内填充有N型单晶硅16，在沟槽9之间两端的沟槽9的外侧还设置有重掺杂的P+型区15，P+型区15位于P型外延层13的上端且与沟槽9上端平齐，通过重掺杂的P+型区15可以实现良好的欧姆接触。在P型衬底14的下部以及沟槽9和P+型层15的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层I同时将沟槽9中的N型单晶硅16以及P+型层15连接。与实施例1相同，顶层金属层I作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
[0050]实施例4的制造工艺与实施例2相同，只是在制造时将N型材质与P型材质进行交换，在此不再赘述。
[0051]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种垂直场效应二极管，其特征在于:包括衬底，衬底上方为与衬底类型相同的外延层，外延层的上端面向下间隔开有多个沟槽(9)，沟槽(9)内填充有与外延层的交界面形成P-N结的填充介质，在衬底的下部以及沟槽(9)的上部分别设置有作为阴极的底层金属层(5)和作为阳极的顶层金属层(I);在两相邻的所述沟槽(9)之间以及位于两端的沟槽(9)的外侧还设置有重掺杂型区，重掺杂型区与外延层类型相同，位于外延层的上端且与沟槽(9)上端平齐。2.根据权利要求1所述的垂直场效应二极管，其特征在于:所述的填充介质包括填充在沟槽(9)内的多晶硅以及设置在多晶硅与沟槽(9)内边沿之间的单晶硅层。3.根据权利要求1所述的垂直场效应二极管，其特征在于:所述的填充介质为填充在沟槽(9)内的单晶硅。4.用于制造根据权利要求1~4任一项所述的垂直场效应二极管的制造方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1，在衬底上部首先形成外延层，然后在外延层上依次形成重掺杂区和氧化层(8)； 步骤2，对重掺杂区和氧化层(8)进行等间距的刻蚀； 步骤3，以未刻蚀的氧化层(8)作为硬掩膜，在外延层的上方间隔刻蚀出多个沟槽(9); 步骤4，在沟槽(9)内通过填充工艺填充与外延层的交界面形成P-N结的填充介质； 步骤5，去除上部多余的填充介质以及氧化层(8); 步骤6，在芯片上、下两端分别作出顶层金属层(I)和底层金属层(5 )。5.根据权利要求4所述的垂直场效应二极管的制造方法，其特征在于:步骤4中所述的填充工艺，包括如下步骤: 步骤4-1，在沟槽(9)内表面生成单晶硅层； 步骤4-2，在沟槽(9)内填充多晶硅。6.根据权利要求4所述的垂直场效应二极管的制造方法，其特征在于:步骤4中所述的填充工艺，包括如下步骤: 步骤4-1，在沟槽(9 )内填充单晶硅。
【专利摘要】一种垂直场效应二极管及制造方法，属于半导体器件制造领域。其特征在于：包括衬底，衬底上方为与衬底类型相同的外延层，外延层的上端面向下间隔开有多个沟槽（9），沟槽（9）内填充有与外延层的交界面形成P-N结的填充介质，在衬底的下部以及沟槽（9）的上部分别设置有作为阴极的底层金属层（5）和作为阳极的顶层金属层（1）；在两相邻的所述沟槽（9）之间以及位于两端的沟槽（9）的外侧还设置有重掺杂型区，重掺杂型区与外延层类型相同，位于外延层的上端且与沟槽（9）上端平齐。本垂直场效应二极管，由于采用场效应管的结构，相比较传统的半导体二极管，具有极低的死区电压，导通速度快，开关频率高。
【IPC分类】H01L29/06, H01L21/329, H01L29/861
【公开号】CN105023953
【申请号】CN201510402695
【发明人】关仕汉
【申请人】淄博汉林半导体有限公司
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年7月10日