一种特快速软恢复二极管的制作方法

本实用新型涉及半导体功率器件技术领域，具体涉及一种特快速软恢复二极管。

背景技术：

随着电力电子技术的不断发展，各种主要开关电路的工作频率和性能不断提升，尤其是各种变频电路、斩波电路的主回路，不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件(例如GTO、IGBT等)，都需要一种快速软恢复二极管与之并联，以通过负载的无功电流，减小电容充放电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。这些电力电子器件频率和性能的不断提升，无疑对功率二极管的性能也提出了更高的要求。为了与IGBT匹配，与之并联的二极管必须具有快速开通和关断的能力，即具有非常快的反向恢复速度和较小的反向峰值电流，同时具有良好的软恢复特性。良好的软恢复特性可以减小器件反向恢复过程中由于电流的振荡而引起的电压振荡和电压过冲，提高器件的稳定性和可靠性。

传统的Si功率PN开关二极管虽然具有较低的正向压降、较好的阻断能力、造价低廉、制作简单，然而它的反向恢复性能较差。为减少开态时的贮存电荷量获得较快的开关速度，常利用金和铂的扩散以及通过高能电子辐照等引入复合中心的方法减少少子寿命，这样又会造成二极管的硬恢复特性差及漏电流较大，同时也不易于集成。因此需要采用新材料和新结构解决这样的矛盾。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种特快速软恢复二极管，该二极管具有非常快的反向恢复速度和较小的反向峰值电流，同时具有良好的软恢复特性，具有快速开通和关断能力，同时可以减小器件反向恢复过程中由于电流的振荡而引起的电压振荡和电压过冲，提高器件的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种特快速软恢复二极管，包括N+型硅单晶衬底，所述N+型硅单晶衬底正面生长有N型外延层，背面设有背面金属层，所述N型外延层主表面设有N-型外延层，所述N-型外延层主表面开设有N阱，所述N阱内设有P型主结，所述P型主结表面设有正面金属层。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型在N+型硅单晶衬底和N-型外延层间设有N型外延层，由于N型外延层的掺杂浓度介于N+型衬底和N-型外延之间能够起到缓冲层作用，在反向恢复过程中使得耗尽至缓冲层后扩展减慢，在经过少数载流子存储之后，缓冲层内还有大量的载流子未被抽走或复合，以提升软恢复特性；

2、本实用新型在N-型外延层表面开设有N阱，将P型主结设置在N阱内，能够改善高浓度掺杂铂金或黄金所引起的P型主结反型，以提升软恢复特性。

进一步的，所述N-型外延层表面还设有二氧化硅层，且二氧化硅层上开设有与所述P型主结对应的窗口。

通过采用上述方案，二氧化硅层用于消除边缘区域的电场，提高耐压值。

进一步的，所述N型外延层浓度为4×10¹⁴-8×10¹⁴cm^-3，厚度为20-30um。

进一步的，所述N-外延层浓度为5×10¹³-1.5×10¹⁴cm^-3，厚度为30-40um。

通过采用上述方案，控制N型外延层的掺杂浓度在N-外延层和N+型衬底之间，N型外延层的厚度小于N-外延层，能够保证在反向恢复过程中的缓冲效果，保证软恢复特性。

进一步的，所述N阱的浓度为1×10¹⁴-5×10¹⁵cm^-3，结深为8-12um。

进一步的，所述P型主结的浓度为2×10¹⁴-5×10¹⁷cm^-3，结深为4-8um。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本实用新型的实施例的结构示意图。

图2是本实用新型的实施例与常规产品的恢复特性对比图。

图中所示：

1、N+型硅单晶衬底；

2、N型外延层；

3、N-型外延层；

4、二氧化硅层；

5、N阱；

6、P型主结；

7、正面金属层；

8、背面金属层。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“正面”“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1是本实用新型的实施例的结构示意图。

图2是本实用新型的实施例与常规产品的恢复特性对比图。

如图1所示，本实施例提供一种特快速软恢复二极管，包括N+型硅单晶衬底1，N+型单晶硅可采用As、Ph作为掺杂杂质，衬底电阻率设定0.002～0.004Ω.cm，单晶晶向可以选择<100>或<111>。

N+型硅单晶衬底1正面生长有N型外延层2，背面设有背面金属层8。N型外延层2采用气相外延工艺生长，掺杂元素为Ph，掺杂浓度为6×10¹⁴cm^-3，厚度为20um。

背面金属层8是通过采用砂轮减薄、化学腐蚀等方法，将硅片减薄至需要的厚度，之后采用蒸发或溅射的方式实现背面欧姆接触。

N型外延层2主表面设有N-型外延层3，N-型外延层3采用气相外延工艺生长，掺杂元素为Ph，掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3，厚度为30um。

N-型外延层3主表面开设有N阱5，N阱5是通过先离子注入Ph杂质再高温扩散炉退火以实现，其浓度为2×10¹⁵cm^-3，结深为10um的N阱。

N阱内设置有P型主结6，P型主结6是通过先离子注入B杂质再高温扩散炉退火以实现，其浓度为1×10¹⁷cm^-3，结深为6um的P型主结6。

P型主结6表面设有正面金属层7，正面金属层7是通过溅射或蒸发的方式淀积金属铝层，再通过光刻及腐蚀形成。

N—型外延层3表面还设有二氧化硅层4，且二氧化硅层4上开设有与P型主结6对应的窗口。

首先通过高温氧化方式生长出初始的二氧化硅层4，氧化温度在900～1100℃之间，再对初始的二氧化硅层4进行光刻、腐蚀出与P型主结6对应的窗口。

本实施例的具体制造过程如下：

1)在N+型硅单晶衬底1上生长N型外延层2。

2)在N型外延层上生长N-型外延层3。

3)通过高温氧化方式生长出初始的二氧化硅层4，氧化温度在900～1100℃之间，二氧化硅层4经过光刻、腐蚀出主结有源区窗口。

4)在N-型外延层3表面设置N阱5，先离子注入Ph杂质再高温扩散炉退火以实现。

5)在N阱5内设置有P型主结6，先离子注入B杂质再高温扩散炉退火以实现。

6)铂金扩散，采用铂金蒸发或铂金溅射工艺方法实现铂原子依附于硅片正面或者背面，把硅片放入900～1000℃的铂金扩散炉中进行金属铂的替位掺杂，形成少字复合中心。

7)通过溅射或蒸发的方式淀积金属铝层，通过光刻及腐蚀形成正面金属层7。

8)采用砂轮减薄、化学腐蚀等方法，将硅片减薄至需要的厚度，采用蒸发或溅射的方式实现背面金属层8。

如图2所示，本实施例的二极管具有较好的特快速软恢复特性，主要是由于本实施例在N+型硅单晶衬底1和N-型外延层3间设有N型外延层2，由于N型外延层2的掺杂浓度介于N+型硅单晶衬底1和N-型外延层3之间能够起到缓冲层作用，在反向恢复过程中使得耗尽至缓冲层后扩展减慢，在经过少数载流子存储之后，缓冲层内还有大量的载流子未被抽走或复合，以提升软恢复特性；

本实施例在N-型外延层3表面开设有N阱5，将P型主结6设置在N阱5内，能够改善高浓度掺杂铂金或黄金所引起的P型主结反型，以提升软恢复特性。

本实施例二氧化硅层4用于消除边缘区域的电场，提高耐压值。

本实施例控制N型外延层2的掺杂浓度在N-型外延层3和N+型硅单晶衬底1之间，N型外延层2的厚度小于N-外延层3，能够保证在反向恢复过程中的缓冲效果，保证软恢复特性。

本实用新型的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。