CN103489927A - 一种快速软恢复功率开关二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速软恢复功率开关二极管，从下到上依次设置有阴极N⁺区、耐压层和阳极P⁺区，耐压层由复合结构成，复合结有L型N^-柱和L型P^-柱构成。其中，阳极P⁺区为重掺杂Si材料；耐压层复合结结构区采用新型复合结Si材料结构，掺杂浓度较常规PiN二极管高一个数量级；阴极区采用N⁺掺杂结构。本发明还公开了一种快速软恢复功率开关二极管的制备方法，与常规PiN二极管的不同之处在于，复合结结构中引入了横向和纵向交替内建电场。二极管的反向恢复峰值电流较常规的PiN二极管和超结二极管大大减小，反向恢复时间很大程度上缩短了，该新型复合结结构的快速软恢复功率开关二极管便能够更好的适用于高频电路应用中。

Description

一种快速软恢复功率开关二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于电力半导体器件设计和应用领域，具体涉及一种快速软恢复功率开关二极管，本发明还涉及一种快速软恢复功率开关二极管的制备方法。

背景技术

电力电子器件是一种能够实现电能高效率应用和精确控制的电力半导体器件，是电力电子技术的基础。日益严重的能源和环境问题使得人们对电能的变换效率、品质愈来愈关注，也引导了功率器件沿着高效率、高频率、高耐压、高功率、集成化、智能化等方向迅速发展。

在许多工作条件下，这些器件需要一个与之反并联的二极管以提供续流通道，减少电容的充放电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。其中续流二极管的反向特性对施加于有源元件的尖峰电压及电路的效率产生很大影响，要求具有良好的快速和软恢复特性。

二极管和一般开关的不同在于，“开”与“关”由所加电压的极性决定，而且“开”态有微小的压降V_f，“关”态有微小的电流I₀。如图1所示，当电压由正向变为反向时，电流并不立刻成为(-I₀)，而是在一段时间t_s内，反向电流始终很大，二极管并不关断。经过t_s后，反向电流才逐渐变小，再经过t_f时间，二极管的电流才成为(-I₀)，t_s称为储存时间，t_f称为下降时间。t_rr=t_s+t_f称为反向恢复时间，以上过程称为反向恢复过程。软度因子S定义为S=t_f/t_s，S越大，说明反向恢复电流曲线越平缓，即曲线的软度越好。I_fm为正向通态电流，I_rm为反向恢复峰值电流。

传统的Si PiN功率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。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速软恢复功率开关二极管，该二极管由L型N^-柱和L型P^-柱相互组合形成复合结结构，取代了传统的PiN二极管的i区结构，其快速软恢复特性得到了较大的提升，解决了现有技术中存在的传统PiN二极管的反向恢复峰值电流过大，反向恢复时间长以及反向恢复特性曲线软度因子小的问题。

本发明的另一个目的是提供一种快速软恢复功率开关二极管的制备方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种快速软恢复功率开关二极管，从下到上依次设置有阴极N⁺区、耐压层和阳极P⁺区，耐压层由复合结构成，复合结是由L型N^-柱和L型P^-柱组合形成的长方体结构。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种快速软恢复功率开关二极管的制备方法，从下到上依次设置有阴极N⁺区、耐压层和阳极P⁺区，耐压层由多个复合结构成，复合结沿横向排列，复合结是由L型N^-柱和L型P^-柱组合形成的长方体结构，阳极P⁺区和阴极N⁺区的掺杂浓度均为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3，阳极P⁺区和L型P^-柱的掺杂剂为B离子，L型N^-柱和阴极N⁺区的掺杂剂为P离子，复合结中的L型N^-柱和L型P^-柱的掺杂浓度均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3，耐压层的厚度为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的竖直部分的厚度均为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的横向部分的厚度均为4μm～20μm，L型N^-柱和L型P^-柱的宽度相同，阳极P⁺区和阴极N⁺区的厚度均为3μm～6μm，具体按照如下步骤实施：

步骤1、选取掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3数量级的重掺杂衬底晶片，形成厚度为3-6μm阴极区；

步骤2、采用外延技术，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为4-20μm的本征硅区；

步骤3、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤4、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤5、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤6、进行硼离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤7、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤8、氧化形成SiO₂并涂抹刻蚀光刻胶，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤9、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤10、进行磷离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤11、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤12、外延本征层：使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤13、重复步骤3至步骤11，形成一半的耐压层；

步骤14、外延本征硅，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤15、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤16、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤17、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域，并进行硼离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤18、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤19、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度约为2-4μm；注意光刻胶的掩蔽范围；

步骤20、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤21、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤22、进行磷离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤23、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤24、外延本征硅，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤25、重复步骤14至步骤23，形成整个耐压层，该耐压层由多个复合结横向排列构成；

步骤26、外延形成阳极区：采用外延技术，使用氢气做稀释剂和气态的磷烷PH₃相混合，在1100-1300℃下，外延时间为10-20min，形成厚度为3-6μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3的阳极P⁺区；

步骤27、蒸铝：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并做SiO₂钝化保护，经上述工艺步骤，最终形成复合结结构功率开关二极管。

本发明的特点还在于，

复合结至少设置2个，复合结沿横向排列。

阳极P⁺区和阴极N⁺区的掺杂浓度均为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3。

阳极P⁺区和L型P^-柱的掺杂剂为B离子，L型N^-柱和阴极N⁺区的掺杂剂为P离子。

复合结中的L型N^-柱和L型P^-柱的掺杂浓度均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3。

耐压层的厚度为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的竖直部分的厚度均为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的横向部分的厚度均为4μm～20μm，L型N^-柱和L型P^-柱的宽度相同，阳极P⁺区和阴极N⁺区的厚度均为3μm～6μm。

本发明的有益效果是：在耐压层中引入L型N^-和L型P^-柱形成复合结结构，耐压层复合结结构采用新型复合结Si材料结构，掺杂浓度较常规PiN二极管高一个数量级；阴极区采用N⁺掺杂结构。复合结结构中引入了横向和纵向交替内建电场。二极管的反向恢复峰值电流较常规的PiN二极管和超结二极管大大减小，反向恢复时间很大程度上缩短了，该新型复合结结构的快速软恢复功率开关二极管便能够更好的适用于高频电路应用中。同时，由于复合结结构的耐压层掺杂浓度较高，器件正向导通压降V_f便很小，这样使得器件在动态电路中工作时能够获得更小的功率损耗，极大的节约了能源和提升了电能的利用率。

附图说明

图1是现有的功率开关二极管的反向恢复电流图；

图2是本发明一种快速软恢复功率开关二极管的器件纵向剖面图；

图3是现有的功率开关二极管超结器件的纵向剖面图；

图4是现有的功率开关二极管PiN二极管的纵向剖面图；

图5是本发明一种快速软恢复功率开关二极管的复合结结构二极管与超结二极管和PiN二极管的反向恢复特性对比曲线；

图6是本发明一种快速软恢复功率开关二极管的复合结结构二极管与超结二极管和PiN二极管的反向阻断特性对比曲线；

图7是本发明一种快速软恢复功率开关二极管在外压为0时的内建电场图；

图8是本发明一种快速软恢复功率开关二极管在外压为0时的纵向电场分布曲线图；

图9是本发明一种快速软恢复功率开关二极管在外压为0时的空间电荷图；

图10是本发明一种快速软恢复功率开关二极管在外压为0时的空间电荷分布曲线图；

图11是本发明一种快速软恢复功率开关二极管的工艺制作流程示意图。

图中，1.阳极区，2.L型N^-柱，3.阴极区，4.L型P^-柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种快速软恢复功率开关二极管，全部是硅材料构成，如图2所示，从下到上依次设置有阴极N⁺区3、耐压层和阳极P⁺区1，耐压层由多个复合结构成，复合结沿横向排列，复合结有L型N^-柱2和L型P^-4柱构成。其中，阳极P⁺区1的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3，掺杂剂为B离子，厚度为3μm～6μm；阴极N⁺区3的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3；掺杂剂为P离子；厚度为：3μm～6μm；复合结中的L型N^-柱和L型P^-柱的掺杂浓度均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3，耐压层的厚度为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的竖直部分的厚度均为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的横向部分的厚度均为4μm～20μm，L型N^-柱和L型P^-柱的宽度相同，其中L型P^-柱掺杂物是B离子，而L型N^-柱掺杂P离子。

超结二极管的结构如图3所示，从下到上依次设置有阴极N⁺区、耐压层和阳极P⁺区，其耐压层由相互纵向交替的N^-柱和P^-柱，其掺杂浓度跟本发明中的复合结结构区一样，均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3范围内，P/N柱宽度为3-6μm，其中P^-柱掺杂物是B离子，而N^-柱掺杂P离子；区别是在本发明复合结结构中的L型N^-柱2和L型P^-4柱的存在相互组合的形态，PN结中载流子的在扩散作用下，不仅给该器件中引入横向分布的内建电场，同时也给纵向方向引入内建电场，但是超结只在横向方向引入内建电场。

传统的PiN二极管的结构如图4所示，也是从下到上依次设置有阴极N⁺区、耐压层和阳极P⁺区，其耐压层为单一N^-区，为了对比说明起见，该PiN二极管i区的掺杂浓度和本发明中的复合结结构一样为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3范围内，在具有相同的工艺参数和结构尺寸的情况下，如图5所示可知，具有复合结结构的快恢复二极管的反向恢复峰值电流明显较超结结构和PiN二极管的小了很多，且反向恢复时间较后两者也有缩减。如图6所示可知，反向阻断特性最好的是具有L型复合结结构的二极管，其次是超结结构的二极管，传统的PiN二极管反向阻断特性最差，约为110V，而复合结结构的二极管反向阻断电压可达到130V，相比之下增加了18.2%。当传统PiN二极管的掺杂浓度降低到正常范围（10¹³cm^-3-10¹⁴cm^-3）内时，其阻断电压可以达到140V甚至以上，但是较低的掺杂浓度严重的影响了器件的正向导通压降，使得器件在工作时的功率损耗大大增加。而本发明中的L型复合结结构很好的解决了这个问题，可以在具有较高掺杂浓度时即保证了高的反向阻断电压，又有效的降低了器件的正向导通电阻。这个优点是常规PiN二极管无法比拟的。

在外压为0时的内建电场图如图7所示，其对应的纵向电场分布曲线图如图8所示，由图7和图8可以看出：在PN结附近电场强度均达到最大峰值，且在沿x轴方向即器件宽度方向x=1.5μm和x=4.5μm处具有轴对称的电场分布曲线，纵向和横向电场可以最大限度的促进电荷补偿和电荷平衡，使得存在于耐压层中的载流子在器件的反向恢复过程中很快就会被抽取并复合掉，因此极大的降低了反向恢复峰值电流，减小了反向恢复电荷的存储时间，有效地缩短了反向恢复时间。

外压为0时的空间电荷图如图9所示，其对应的空间电荷分布曲线图如图10所示，由图9和图10可以看出：在在沿x轴方向即器件宽度方向x=1.5μm和x=4.5μm处，空间电荷的分布具有中心对称性，由于在阳极区和阴极区附近为重掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3数量级范围内，所以在电极区和耐压层很小的交界面处，空间电荷分布呈现出很大的跳变，但是耐压层中的空间电荷分布趋于零，这样便很好的提升了器件的反向阻断电压。

本发明是在常规的PiN二极管的基础上，将耐压层的结构用复合结结构代替，其结构与PiN二极管的工艺具有很好的兼容性，但需要在工艺制作中进行多次离子注入，以保证形成较好的L型复合结结构，最大限度的保证电荷补偿。器件的阴极N⁺区3和阳极P⁺区1均采用重掺杂和电极部分形成欧姆接触，耐压层采用复合结结构。

而耐压层的工艺参数和结构尺寸对以上参数会起到直接的影响，如，掺杂浓度和器件的厚度直接决定了正向导通压降和导通电阻以及反向阻断电压，耐压层中的掺杂浓度越低、器件尺寸越厚，正向导通压降越大，反向阻断特性越好，且耐压层中掺杂浓度和厚度直接影响反向恢复过程中少子耐压层中的反向抽取时间，厚度越大，反向恢复时间越长，反向恢复软度因子越大，反向恢复过程中的电荷存储和抽取时间越长，器件的高频特性越差，反之亦然。故需要在复合结中综合考虑纵横交替P/N柱的掺杂浓度和结构尺寸，一般选取掺杂浓度为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3范围内，P/N柱宽度为3-6μm，掺杂浓度要是低于这个范围的话，会导致器件正向导通压降过大，在动态电路中的导通功耗增大，但相对来说可以提高器件的反向阻断电压，高于该掺杂浓度会严重降低器件耐压层中的电阻率，从而降低反向阻断电压，会导致器件容易被击穿，不适用于大功率电路中，且由于高掺杂浓度会导致硼磷离子的扩散现象较为严重，这样就影响到复合结内部的尺寸结构不均衡，同时应当结合实际工艺，严格控制耐压层中的硼磷离子分布情况，保证内部电荷平衡和电荷补偿，所以需要综合考虑器件的工艺参数和结构尺寸。

本发明还提供一种快速软恢复功率开关二极管制备方法，如图11所示，制备得到一种快速软恢复功率开关二极管，从下到上依次设置有阴极N⁺区3、耐压层和阳极P⁺区1，耐压层由多个复合结构成，复合结是由L型N^-柱2和L型P^-柱4组合形成的长方体结构，阳极P⁺区1和阴极N⁺区4的掺杂浓度均为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3，阳极P⁺区1和L型P^-柱4的掺杂剂为B离子，L型N^-柱2和阴极N⁺区3的掺杂剂为P离子，复合结中的L型N^-柱和L型P^-柱的掺杂浓度均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3，耐压层的厚度为8μm～40μm，复合结的厚度为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的竖直部分的厚度均为8μm～40μm，L型N^-柱和L型P^-柱中的横向部分的厚度均为4μm～20μm，L型N^-柱和L型P^-柱的宽度相同，阳极P⁺区1和阴极N⁺区4的厚度均为3μm～6μm，具体按照如下步骤实施：

步骤1、选取掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3数量级的重掺杂衬底晶片，形成厚度为3-6μm阴极区3；

步骤2、采用外延技术，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为4-20μm的本征硅区；

步骤3、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤4、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤5、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤6、进行硼离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤7、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤8、氧化形成SiO₂并涂抹刻蚀光刻胶，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤9、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤10、进行磷离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤11、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤12、外延本征层：使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤13、重复步骤3至步骤11，形成一半的耐压层；

步骤14、外延本征硅，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤15、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤16、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤17、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域，并进行硼离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤18、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤19、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度约为2-4μm；注意光刻胶的掩蔽范围；

步骤20、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤21、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤22、进行磷离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤23、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤24、外延本征硅，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤25、重复步骤14至步骤23，形成整个耐压层，该耐压层由多个复合结横向排列构成；

步骤26、外延形成阳极区：采用外延技术，使用氢气做稀释剂和气态的磷烷PH₃相混合，在1100-1300℃下，外延时间为10-20min，形成厚度为3-6μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3的阳极P⁺区1；

步骤27、蒸铝：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并做SiO₂钝化保护，经上述工艺步骤，最终形成复合结结构功率开关二极管。

本发明以复合结结构替换了传统PiN二极管的i区耐压层，而复合结结构中由于存在相互组合的部分，这样就在耐压层中引入了纵向和横向分布的内建电场。这样在交替分布的纵向和横向自建电场的作用下能够更好的形成空间电荷区，促进PN结附近载流子的耗尽和电荷补偿，使得在外加反向电压的情况下，复合结内部耗尽的更加彻底。因此，反向阻断电压的大小就仅仅依赖于复合结结构区的厚度，而与掺杂浓度无关，这样就可以在不改变反向击穿电压的基础上提高复合结结构区P/N柱掺杂浓度。同时，可以使得导通电阻大大的降低，甚至突破所谓的“硅极限”。同样，由于复合结结构的加入，使得在相同的击穿电压和相同的导通电阻下使用更小的管芯面积，提高开关频率，提升器件的动态特性。

本发明中复合结部分的制作工艺采用多次外延和离子注入相结合的工艺实现，这是普通二极管所不具备的。离子注入工艺和常规PiN二极管所用的扩散工艺相比，具有如下优点：

1）杂质是通过质量分析仪分选出来的，且注入过程在高真空环境中（1×10^-4Pa）进行，因而注入物特别纯净，污染很小；

2）获得高浓度的杂质不受固溶度限制；

3）杂质剂量和注入的能量可有效控制；

4）该操作在室温中进行，掩蔽膜的选择较为宽泛；

本发明的关键参数是复合结结构中N^-柱2和P^-柱4的掺杂浓度、柱区厚度和宽度。众所周知，一个二极管的动态特性和静态特性的好坏很大程度上依赖于耐压层的结构尺寸和工艺参数。而静态特性主要包括正向导通压降、正向导通电阻、反向阻断电压等，动态特性主要包括反向恢复时间、反向恢复电荷量、反向恢复峰值电流等参数。

其中导通电阻R_on和击穿电压的关系式为：

$R_{\mathrm{on}}=C_p\·V_B/2q{\mathrm{\μ}}_n{E}_{c}Q=C_p\·V_B/2{\mathrm{\μ}}_n{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{E}_e^2$

式中，V_B表示击穿电压，C_p表示原胞宽度，μ_n为电子的迁移率，E_c表示临界场强，Q表示电荷量，ε_Si是硅的电介质常数。

可以看出，正向导通电阻R_on与电荷量Q成反比，所以为了降低导通电阻，必须保持尽量高的电荷。同时R_on正比于原胞宽度，所以要尽量减小L型N^-柱2和P^-柱4的宽度。

在工艺制作过程中，离子注入是必不可少的步骤之一。而注入离子的浓度分布从本质上取决于入射离子能量损失机构，与之相关的参数有：入射离子的能量、质量和原子序数；离子注入剂量和速度以及硅片温度等；同时还应当注意晶体的晶向和离子束的入射方向。

Claims (7)

1.一种快速软恢复功率开关二极管，其特征在于，从下到上依次设置有阴极N⁺区（3）、耐压层和阳极P⁺区（1），所述的耐压层由复合结构成，所述的复合结是由L型N^-柱（2）和L型P^-柱（4）组合形成的长方体结构。

2.根据权利要求1所述的一种快速软恢复功率开关二极管，其特征在于，所述的复合结至少设置2个，所述的复合结沿横向排列。

3.根据权利要求1所述的一种快速软恢复功率开关二极管，其特征在于，所述的阳极P⁺区（1）和阴极N⁺区（4）的掺杂浓度均为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3。

4.根据权利要求1所述的一种快速软恢复功率开关二极管，其特征在于，所述的阳极P⁺区（1）和L型P^-柱（4）的掺杂剂为B离子，所述的L型N^-柱（2）和阴极N⁺区（3）的掺杂剂为P离子。

5.根据权利要求1所述的一种快速软恢复功率开关二极管，其特征在于，所述的复合结中的L型N^-柱和L型P^-柱的掺杂浓度均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3。

6.根据权利要求1所述的一种快速软恢复功率开关二极管，其特征在于，所述的耐压层的厚度为8μm～40μm，所述的L型N^-柱和L型P^-柱中的竖直部分的厚度均为8μm～40μm，所述的L型N^-柱和L型P^-柱中的横向部分的厚度均为4μm～20μm，所述的L型N^-柱和L型P^-柱的宽度相同，所述的阳极P⁺区（1）和阴极N⁺区（4）的厚度均为3μm～6μm。

7.一种快速软恢复功率开关二极管的制备方法，制备得到一种快速软恢复功率开关二极管，从下到上依次设置有阴极N⁺区（3）、耐压层和阳极P⁺区（1），所述的耐压层由多个复合结构成，所述的复合结沿横向排列，所述的复合结是由L型N^-柱（2）和L型P^-柱（4）组合形成的长方体结构，所述的阳极P⁺区（1）和阴极N⁺区（4）的掺杂浓度均为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3，所述的阳极P⁺区（1）和L型P^-柱（4）的掺杂剂为B离子，所述的L型N^-柱（2）和阴极N⁺区（3）的掺杂剂为P离子，所述的复合结中的L型N^-柱和L型P^-柱的掺杂浓度均为7×10¹⁴cm^-3-6×10¹⁵cm^-3，所述的耐压层的厚度为8μm～40μm，所述的L型N^-柱和L型P^-柱中的竖直部分的厚度均为8μm～40μm，所述的L型N^-柱和L型P^-柱中的横向部分的厚度均为4μm～20μm，所述的L型N^-柱和L型P^-柱的宽度相同，所述的阳极P⁺区（1）和阴极N⁺区（4）的厚度均为3μm～6μm，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1、选取掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3数量级的重掺杂衬底晶片，形成厚度为3-6μm阴极区（3）；

步骤2、采用外延技术，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为4-20μm的本征硅区；

步骤3、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤4、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤5、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤6、进行硼离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤7、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤8、氧化形成SiO₂并涂抹刻蚀光刻胶，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤9、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤10、进行磷离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤11、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤12、外延本征层：使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤13、重复步骤3至步骤11，形成一半的耐压层；

步骤14、外延本征硅，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤15、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度为2-4μm；

步骤16、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤17、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域，并进行硼离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤18、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤19、氧化形成SiO₂，采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜SiO₂，厚度约为2-4μm；注意光刻胶的掩蔽范围；

步骤20、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分SiO₂表面裸露出来；

步骤21、刻蚀SiO₂露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤22、进行磷离子注入，剂量为2.95×10¹⁵cm^-2-3.06×10¹⁵cm^-2，注入能量为300-500Kev；

步骤23、刻蚀掉光刻胶和SiO₂掩蔽层；

步骤24、外延本征硅，使用氢气作为还原剂，在1100-1300℃高温下四氯化硅被氢还原析出硅，外延时间为10-20min，形成厚度为2-10μm的本征硅区；

步骤25、重复步骤14至步骤23，形成整个耐压层，该耐压层由多个复合结横向排列构成；

步骤26、外延形成阳极区：采用外延技术，使用氢气做稀释剂和气态的磷烷PH₃相混合，在1100-1300℃下，外延时间为10-20min，形成厚度为3-6μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3的阳极P⁺区（1）；

步骤27、蒸铝：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并做SiO₂钝化保护，经上述工艺步骤，最终形成复合结结构功率开关二极管。

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