快恢复二极管和电子设备的制作方法

本实用新型涉及二极管技术领域，具体的，涉及快恢复二极管和电子设备。

背景技术：

快恢复二极管(FRD)作为新一代电力半导体器件具有高频率、高电压、大电流、低损耗和低电磁干扰等优点，广泛的应用于电力电子电路中，与三端高频功率开关器件(如功率MOSFET、IGBT等)配合使用起续航嵌位和高频整流作用。近年来，随着电力电子的发展，要求更高的工作频率，以及更好的开关软度的快恢复二极管，而载流子的寿命以及分布对FRD的开关频率以及开关软度有着重要的影响。

目前主要通过重金属掺杂，电子辐照以及局域寿命控制等工艺来控制过剩载流子的寿命，从而降低关断时间，提高工作频率。但是上述寿命控制手段都存在明显的缺陷：由电子辐照工艺得到的器件，虽然提高开关工作频率，但是同时降低开关的软度，并且该工艺所形成的缺陷不稳定，不利于器件的长期使用；采用重金属掺杂的器件，重金属在器件的分布不可控；采用质子以及氦离子注入等形成的局域寿命控制的器件，在提高开关工作频率的同时，优化器件的开关软度，但是该工艺需要注入的能量高，成本高，工艺难度大不易实现。

因此，关于快恢复二极管的研究有待深入。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种具有更高工作频率、良好的开关软度、易于制作、或制作成本低等优点的快恢复二极管。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种快恢复二极管。根据本实用新型的实施例，所述快恢复二极管包括：第一导电类型衬底；第一导电类型外延层，所述第一导电类型外延层设置在所述第一导电类型衬底的上表面上；第二导电类型阳极区，所述第二导电类型阳极区设置在所述第一导电类型外延层的上表面上；至少一个内壁粗糙的沟槽，至少一个所述沟槽贯穿所述第二导电类型阳极区并延伸至所述第一导电类型外延层中，或从所述第一导电类型外延层的上表面向所述第一导电类型外延层中延伸。由此，沟槽内壁的粗糙会使得内壁存在大量的缺陷，该缺陷可以形成稳定的复合中心，作为局域寿命控制区，在快恢复二极管反向恢复的过程中，复合中心与少数载流子复合，进而降低少数载流子的寿命，以此达到局域寿命控制的目的，进而有效提高快恢复二极管的开关频率和开关软度；并且可以通过控制沟槽的数量以及深度来控制复合中心的多少；且上述通过形成沟槽形成复合中心，而无需采用高能离子注入，使得快恢复二极管的制作工艺更简单，制作成本更低。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提供了一种电子设备。根据本实用新型的实施例，所述电子设备包括前面所述的快恢复二极管。由此，该电子设备具有较快的反向恢复时间、较大的恢复软度、较长的使用寿命以及较低的制作成本。本领域技术人员可以理解，该电子设备具有前面所述的快恢复二极管的所有特征和优点，在此不再一一赘述。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图2是本实用新型另一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图3是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图4是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图5是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图6是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图7是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图8是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图9是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图10是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图11是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图；

图12是本实用新型又一个实施例中快恢复二极管的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种快恢复二极管。根据本实用新型的实施例，参照图1和图2，快恢复二极管包括：第一导电类型衬底10；第一导电类型外延层20，第一导电类型外延层20设置在第一导电类型衬底10的上表面上；第二导电类型阳极区30，第二导电类型阳极区30设置在第一导电类型外延层20的上表面上；至少一个内壁粗糙的沟槽40，至少一个内壁粗糙的沟槽40贯穿第二导电类型阳极区30并延伸至第一导电类型外延层20中(如图1所示)，或从第一导电类型外延层20的上表面向第一导电类型外延层20中延伸(如图2所示)。由此，沟槽内壁的粗糙会使得内壁存在大量的缺陷，该缺陷可以形成稳定的复合中心，作为局域寿命控制区，在快恢复二极管反向恢复的过程中，复合中心与少数载流子复合，进而降低少数载流子的寿命，以此达到局域寿命控制的目的，进而有效提高快恢复二极管的开关频率和开关软度，有效保证快恢复二极管电路的可靠性和稳定性；并且可以通过控制沟槽的数量以及深度来控制复合中心的多少；且上述通过形成沟槽形成复合中心，而无需采用高能离子注入，使得快恢复二极管的制作工艺更简单，制作成本更低。

需要说明的是，本文中第一导电类型和第二导电类型没有特殊的限制要求，其中一个为N型导电，则另一个为P型导电，比如第一导电类型为N型导电，则第二导电类型为P型导电。

根据本实用新型的实施例，第一导电类型衬底和第一导电类型外延层的具体材料没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择，例如，在本实用新型的一些实施例中，第一导电类型衬底和第一导电类型外延层可以是由硅材料形成的。由此，可以提高快恢复二极管的使用性能。根据本实用新型的实施例，为提高快恢复二极管的开关软度等性能，第一导电类型衬底的离子掺杂浓度大于第一导电类型外延层的离子掺杂浓度，其具体的掺杂浓度没有限制要求，本领域技术人员根据实际需求灵活选择即可。

根据本实用新型的实施例，第一导电类型衬底和第一导电类型外延层的形成方法也没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择常规技术手段即可，比如，形成第一导电类型衬底，然后通过外延的方法得到所需掺杂浓度的外延层。

根据本实用新型的实施例，第一导电类型外延层为单层结构或依次层叠的掺杂离子浓度不同的多层结构。由此，本领域技术人员可以根据快恢复二极管的使用要求以及沟槽的设置位置等实际情况灵活选择第一导电类型外延层的结构。

根据本实用新型的实施例，第二导电类型阳极区中离子掺杂浓度没有限制要求，本领域技术人员根据实际需求灵活选择即可。第二导电类型阳极区的形成方法也没有特殊要求，本领域技术人员采用常规技术手段即可，比如通过将掺杂离子注入到第一导电类型外延层中，然后通过高温，在高温的过程中注入的掺杂离子扩散形成第二导电类型阳极区。

根据本实用新型的实施例，沟槽40还可以仅仅设置在第二导电类型阳极区30中，在一些示例中，如图3所示，沟槽40的底部位于第二导电类型阳极区30的底部，和第二导电类型外延层20的上表面的交界处，由此，该结构的沟槽由于内壁粗糙，也会存在大量的缺陷，该缺陷可以形成稳定的复合中心，作为局域寿命控制区，在快恢复二极管反向恢复的过程中，复合中心与少数载流子复合，进而降低少数载流子的寿命，以此达到局域寿命控制的目的，进而有效提高快恢复二极管的开关频率和开关软度。

根据本实用新型的实施例，若沟槽40是从第二导电类型阳极区30的表面穿过第二导电类型阳极区30并延伸至第一导电类型外延层20中(图1所示)，或仅设置在第二导电类型阳极区30中(如图3所示)时，不仅可以通过复合中心的形成来提高快恢复二极管的开关频率和改善开关软度，还可以通过调整沟槽40的宽度与第二导电类型阳极区30注入区的比例，来降低第二导电类型阳极区30注入效率，进而提高快恢复二极管的开关频率。

根据本实用新型的实施例，如图1～3，通过控制沟槽40的深度来控制局域寿命控制区的位置，从而起到局域寿命控制的作用，所以本领域技术人员可以根据实际需求精确的控制沟槽40在第二导电类型阳极区30和/或第一导电类型外延层20的深度，以此来精确的控制局域寿命控制区的位置。由此，可以精确有效地缩短快恢复二极管的反向恢复时间，提高快恢复二极管的开关频率。

根据本实用新型的实施例，沟槽的深度和设置位置是根据少数载流子的分布和数量确定的，沟槽的深度越深，形成的复合中心越多，进而可以与更多的少数载流子进行复合，如此便可有效降低少数载流子的寿命；若少数载流子集中分布在第二导电类型阳极区，则可将沟槽仅设置在第二导电类型阳极区中，并根据少数载流子的数量，确定沟槽的深度，若少数载流子集中分布在第二导电类型阳极区和第一导电类型外延层，则可使沟槽从第二导电类型阳极区的表面穿过第二导电类型阳极区并延伸至第一导电类型外延层中，并根据少数载流子的数量，确定沟槽的深度。

根据本实用新型的实施例，沟槽的数量没有限制要求，本领域技术人员可以根据少数载流子的分布和数量等实际情况灵活设计，比如，可以为2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个等。

根据本实用新型的实施例，沟槽内壁的粗糙度没有特殊的限制要求，由于内壁粗糙度越大，内壁的缺陷越大，即形成的复合中心数量越多，故而本领域技术人员可以根据少数载流子的数量和分布以及上述原则，灵活设计沟槽内壁的粗糙度。根据本实用新型的实施例，为形成内壁具有一定粗糙度的沟槽，沟槽可通过刻蚀工艺制作得到的。由此，不仅制作工艺简单成熟，而且通过刻蚀工艺可以有效得到内壁粗糙的沟槽，使得沟槽内壁具有大量缺陷的沟槽，进而形成大量稳定的复合中心。

根据本实用新型的实施例，沟槽的形状没有特殊限制要求，本领域技术人员可以根据实际需要灵活设计沟槽的形状。在本实用新型的一些实施例中，沟槽的截面的形状选自矩形(如图1～3所示)和U形中的至少一种，本领域技术人员也可以通过改变蚀刻方法以及蚀刻用到的特定化学溶液得到不同形状的沟槽结构。由此，沟槽结构不受限制，可以满足各种不同的设计需求。

根据本实用新型的实施例，参照图4、图5和图6，快恢复二极管还包括：氧化层50，氧化层50设置在沟槽的内壁上。由此，可以将第一导电类型外延层和/或第二导电类型阳极区与后续在沟槽内填充的金属材料隔离绝缘设置，防止二极管漏电，进而保证快恢复二极管的良好使用性能。

根据本实用新型的实施例，参照图7、图8和图9，沟槽40内填充有金属材料60或半导体材料90。由此，本领域技术人员可根据沟槽的设置位置等实际情况灵活选择沟槽中的填充材料，比如，在图7和图9中的沟槽中，可以选择填充半导体材料90和金属材料60中的任一种，在图8中沟槽中，可以填充半导体材料90，如此便于工艺的实施。

根据本实用新型的实施例，上述金属材料和半导体材料的具体种类没有限制要求，比如，金属材料可以为铝(Al)、硅铝合金(ALSI)、硅铝铜合金(ALSICU)或者其他接触性良好的导电材料，那么导体材料可以为单晶硅或多晶硅等半导体材料。

根据本实新型的实施例，填充金属材料的步骤可以为：在形成第二导电类型阳极区之后刻蚀形成沟槽，然后通过溅射或蒸发形成整层金属材料，之后再通过刻蚀工艺去除沟槽之外的金属材料；填充半导体材料的步骤可以为：在形成第一导电类型外延层之后形成沟槽，然后填充单晶硅或者多晶硅等半导体材料，之后通过外延或键合的方法形成第二导电类型阳极区。

根据本实用新型的实施例，参照图10、图11和图12，快恢复二极管还包括：背面金属层70，背面金属层70设置在第一导电类型衬底10的下表面上；正面金属层80，正面金属层80设置在第二导电类型阳极区30的上表面上。由此，可以完善快恢复二极管的使用性能。

根据本实用新型的实施例，为缩减快恢复二极管的制作流程，可以根据沟槽的设置位置选择金属材料的填充工艺流程：在本实用新型的一些实施例中，参照图10和图11，沟槽40贯穿第二导电类型阳极区30并延伸至第一导电类型外延层20中，或沟槽40仅设置在第二导电类型阳极区30中时，此时正面金属层80与沟槽40中填充的金属材料40相邻设置，故而，正面金属层80和沟槽中金属材料60可同步形成，进而可以缩短工艺流程。

根据本实用新型的实施例，形成背面金属层的材料也没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择。在本实用新型的一些实施例中，形成背面金属层的材料包括但不限于铬、镍、银、铬镍合金、铬银合金或铬镍银合金等。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提供了一种电子设备。根据本实用新型的实施例，所述电子设备包括前面所述的快恢复二极管。由此，该电子设备具有较快的反向恢复时间、较大的恢复软度、较长的使用寿命以及较低的制作成本。本领域技术人员可以理解，该电子设备具有前面所述的快恢复二极管的所有特征和优点，在此不再一一赘述。

根据本实用新型的实施例，上述电子设备的具体种类没有限制，本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择，比如可以为手机、汽车等。本领域技术人员可以理解，上述电子设备除了前面所述的快恢复二极管，还包括常规电子设备所必备的结构或部件

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。