CN105590965A - 一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术，特别涉及一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管。本发明的二极管包括N型重掺杂单晶硅衬底、N-外延层、阴极电极和阳极电极；N-外延层上层两侧具有N型重掺杂区，N型重掺杂区下表面连接有P型埋层；N型重掺杂区和P型重掺杂区上面连接金属区，N-外延层上表面中部具有平面栅结构；二氧化硅栅氧化层的下表面两侧与N型重掺杂区的上表面接触；氮化物介质层位于二氧化硅栅氧化层上表面；阳极电极通过金属区连接P型重掺杂区与P型埋层形成欧姆接触。本发明的有益效果为，具有较大的正向电流、较小的导通压降以及较小的反向漏电流，器件在不影响反向击穿电压和反向漏电的情况下的开启电压可调。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，特别涉及一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管。
背景技术
二极管是最常用的电子元件之一，传统的整流二极管主要是肖特基整流器和PN结整流器。其中，PN结二极管能够承受较高的反向阻断电压，稳定性较好，但是其正向导通压降较大，反向恢复时间较长。肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的，通态压降较低。由于是单极载流子导电，肖特基二极管在正向导通时没有过剩的少数载流子积累，反向恢复较快。但是肖特基二极管的反向击穿电压较低，反向漏电流较大，温度特性较差。
通态压降和反向恢复时间是影响功率二极管性能的两个重要参数。通态压降主要影响了二极管的正向导通损耗，反向恢复时间则决定了二极管开关损耗，并影响了电路工作频率。为了提高二极管的性能，国内外提出了PiN二极管、结势垒控制整流器JBS(JBS：JunctionBarrierSchottkyRectifier)、MOS控制二极管MCD(MCD：MOSControlledDiode)、槽栅MOS势垒肖特基二极管TMBS(TMBS：TrenchMOSBarrierShcottyDiode)等器件。专利“一种积累型槽栅二极管，申请号：201210049361.6”在TMBS的基础上，提出了一种新型的半导体二极管器件，结合了电子积累层结构，获得了非常低的导通压降，大大提高了击穿电压并且降低了泄漏电流，与现有二极管技术相比，具有更好的正向导通压降和反向击穿电压之间的折衷。但是现有二极管一旦制备完成，其正向导通电压即固定不变，这在一定程度上限制了器件的应用场合。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种开启电压可调的槽栅型金属氧化物半导体二极管。
本发明的技术方案：一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，包括N型重掺杂单晶硅衬底2、位于N型重掺杂单晶硅衬底2上表面的N-外延层3和位于N型重掺杂单晶硅衬底2下表面的阴极电极1；所述N-外延层3上层两侧具有N型重掺杂区7，所述N型重掺杂区7下表面连接有P型埋层5，所述P型埋层5上有P型重掺杂区4，所述N型重掺杂区7和P型重掺杂区4上为金属6；所述N-外延层3上表面中部具有平面栅结构，所述平面栅结构包括二氧化硅栅氧化层10、氮化物介质层9和多晶硅栅电极8；所述二氧化硅栅氧化层10的下表面两侧与N型重掺杂区7的上表面接触；所述氮化物介质层9位于二氧化硅栅氧化层10上表面；所述多晶栅电极8位于氮化物介质层9上表面；所述N-外延层3上表面具有阳极电极11；所述阳极电极11与平面栅结构之间具有绝缘介质层12；所述阳极电极11通过金属区6连接P型重掺杂区4与P型埋层5形成欧姆接触。
进一步的，所述P型埋层5的掺杂浓度大于N-外延层3的掺杂浓度两个数量级。
进一步的，所述二氧化硅栅氧化层10是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nm。
本发明的有益效果为，具有较大的正向电流、较小的导通压降以及较小的反向漏电流；器件在不影响反向击穿电压和反向漏电的情况下的开启电压可调。
附图说明
图1是本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管剖面结构示意图；
图2是本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管在外加零电压时耗尽线示意图；
图3是本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，在外加电压到达开启电压时，耗尽线及电流路径示意图；
图4是本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管外加反向电压时耗尽线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
如图1所示，本发明的一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，包括N型重掺杂单晶硅衬底2、位于N型重掺杂单晶硅衬底2上表面的N-外延层3和位于N型重掺杂单晶硅衬底2下表面的阴极电极1；所述N-外延层3上层两侧具有N型重掺杂区7，所述N型重掺杂区7下表面连接有P型埋层5；所述N型重掺杂区7的侧面为P型重掺杂区4；所述N-外延层3上表面中部具有平面栅结构，所述平面栅结构包括二氧化硅栅氧化层10、氮化物介质层9和多晶硅栅电极8；所述二氧化硅栅氧化层10的下表面两侧与N型重掺杂区7的上表面接触；所述氮化物介质层9位于二氧化硅栅氧化层10上表面；所述多晶栅电极8位于氮化物介质层9上表面；所述N-外延层3上表面具有阳极电极11；所述阳极电极11与平面栅结构之间具有绝缘介质层12；所述阳极电极11通过金属区6连接P型重掺杂区4与P型埋层5形成欧姆接触。
本发明的工作原理为：
(1)器件的正向导通：
本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，其正向导通时的电极连接方式为：阳极电极11和栅电极8短接且接高电位，阴极电极1接低电位。
当阳极11相对于阴极1加零电压时，由于P型埋层5的掺杂浓度远高于N-外延层3的掺杂浓度，P型埋层5和N-外延层3之间所形成的PN结内建电势使得P型埋层5之间的电子通路由于两边的耗尽区相连而闭合，如图2所示，图中虚线为耗尽区边界。同时，P型埋层5之上的N-区也由于PN结内建电势被耗尽，因此此时二极管内没有电流流过。
当阳极11相对于金属化阴极1加非常小的正电压时，P型埋层5和N-外延层3之间的耗尽区逐渐缩小，同时由于栅电极8与阳极11短接，薄栅氧化层10下方的耗尽区也减小。当阳极11相对于阴极1的正电压继续加大到一定程度时，P型埋层5和N-外延层3之间的PN结耗尽区相分离，电子通路产生。同时，由于与阳极短接的栅极电压为正，将在栅氧化层之下的半导体表面形成载流子积累层，器件开启，如图3所示。此时的阳极正电压即对应该二极管的开启电压。当所加正电压继续加大，薄栅氧化层10下方的电子累积层中电子浓度更高，这为电子流动提供了一个更加流畅的通路，导通压降降低，正向电流增大。
(2)器件的反向阻断：
本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，其反向阻断时的电极连接方式为：阴极电极1接高电位，阳极电极11和栅电极8短接且接低电位。
由于零偏压时，电子的导电通路已被PN结耗尽区夹断，继续增加反向电压时，深P体区5下方的N-外延层3将被进一步耗尽，耗尽层将向靠近阴极1一侧扩展以承受反向电压(如图4所示)。由于反向电压由PN结的耗尽区承担，因此器件的反向泄漏电流远小于肖特基二极管的反向漏电。
(3)器件的开启电压调节：
本发明所提供的开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，其进行开启电压调节时的电极连接方式为：阳极电极11和阴极电极1短接且接地，栅电极8施加正向电压脉冲信号，且该电压脉冲值远大于器件正向导通时的阳极电压。
电压脉冲导致的热载流子效应将使N-外延层3表面的电子获得足够高的能量，越过Si-SiO2界面势垒，并最终被二氧化硅层10与氮化物9的界面陷阱所俘获。积累的俘获电子将吸引正电荷聚集在N-外延层3表面，形成电子的耗尽层，甚至形成P型反型层。在栅电极8上外加不同强度的电压脉冲会在二氧化硅层10与氮化物9的界面处累积不同量的电子电荷，吸引的正电荷数量也不同，N-外延层3表面反型程度也不同。外加电压脉冲强度越大，俘获电子数量越多，N-外延层3表面反型程度越大，二极管更难开启，开启电压越大。
本发明结构可以用以下方法制备得到，工艺步骤为：
1、单晶硅准备。采用N型重掺杂单晶硅衬底2，晶向为<100>。
2、外延生长。采用气相外延VPE等方法生长一定厚度和掺杂浓度的N-外延层3。
3、P型埋层注入。在整个硅片表面淀积一层1um厚的光刻胶，用掩模版光刻出P埋层5的图形然后高能硼离子注入，注入角度可根据要求改变，通过调整注入能量和剂量改变掺杂浓度和结深。
4、制备栅结构。热生长栅氧化层10，用化学气相淀积(CVD)的方法淀积氮化物介质层9，淀积多晶硅栅电极。
5、光刻、刻蚀形成栅电极8。
6、自对准砷注入制备N型重掺杂区7。
7、P型重掺杂注入。
8、淀积隔离介质层12。
9、正面金属化阳极。在整个器件表面溅射一层金属铝，形成金属区6和金属化阳极11。
10、背面减薄、金属化，形成阴极1。
Claims (3)
1.一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，包括N型重掺杂单晶硅衬底(2)、位于N型重掺杂单晶硅衬底(2)上表面的N-外延层(3)和位于N型重掺杂单晶硅衬底(2)下表面的阴极电极(1)；所述N-外延层(3)上层两侧具有N型重掺杂区(7)，所述N型重掺杂区(7)下表面连接有P型埋层(5)；所述N型重掺杂区(7)的外侧面连接P型重掺杂区(4)；所述N型重掺杂区(7)和P型重掺杂区(4)上面连接金属区(6)，所述N-外延层(3)上表面中部具有平面栅结构，所述平面栅结构包括二氧化硅栅氧化层(10)、氮化物介质层(9)和多晶硅栅电极(8)；所述二氧化硅栅氧化层(10)的下表面两侧与N型重掺杂区(7)的上表面接触；所述氮化物介质层(9)位于二氧化硅栅氧化层(10)上表面；所述多晶栅电极(8)位于氮化物介质层(9)上表面；所述N-外延层(3)上表面具有阳极电极(11)；所述阳极电极(11)与平面栅结构之间具有绝缘介质层(12)；所述阳极电极(11)通过金属区(6)连接P型重掺杂区(4)与P型埋层(5)形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述P型埋层(5)的掺杂浓度大于N-外延层(3)的掺杂浓度两个数量级。
3.根据权利要求1或2所述的一种开启电压可调的平面型金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述二氧化硅栅氧化层(10)是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190329 |