CN110581179A - 一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管及整流电路 - Google Patents
一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管及整流电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管，包括：衬底、绝缘层、外延层、第一金属电极、第二金属电极、第一凹槽，其中，所述绝缘层、所述外延层依次层叠设置于所述衬底上；所述第一凹槽设置于所述外延层上，且所述第一凹槽内填充有绝缘材料；所述第一金属电极设置于所述外延层上，且设置于所述第一凹槽的一侧，且所述第一金属电极的下表面与所述外延层的上表面接触；所述第二金属电极设置于所述外延层上，且设置于所述第一凹槽的另一侧。本发明所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管通过减小肖特基整流二极管的结电容，提高微波无线能量传输系统中的能量转化效率。
Description
技术领域
本发明属于无线传输技术领域，具体涉及一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管及整流电路。
背景技术
自由空间中存在无穷无尽的电磁波，如何将这些电磁波转化为电子设备的能量在当今能源危机日益显现的情况下，显得尤为重要。微波无线能量传输系统将在这个问题上发挥充分的优势，微波无线能量传输系统能够将环境中的自由电磁能直接转化为直流电，且在输送电能时，不受传输线的限制、简单方便、灵活性强、传输距离远、减少输电线的架设、不需要频繁更换电池等，但是如何提高其能量转化效率依然是目前微波无线能量传输系统研究的热点与重点。微波无线能量传输系统由接收天线，匹配电路以及整流电路组成，所以可以通过提高系统中不同组成部分的转换效率来提高整体系统的能量转换效率。
近几年，国内外对整流电路中的关键器件肖特基二极管在能量转换效率方面的研究比较多。肖特基二极管是使用一种特定的金属与N型半导体之间形成的具有接触势垒的特定的金属半导体器件，其金属与半导体之间形成的势垒被称为肖特基势垒，这种接触，也被称为整流接触。这种肖特基二极管相比较一般的PN结二极管具有开启电压小，频率特性好，整流效率高的特点。其中Ge肖特基整流二极管结构简单、制造成本低，其系列产品从高能量密度到低能量密度，甚至到超低能量密度射频环境均可适用，是微波无限能量传输(MWPT)系统常用的整流二极管。但目前暂未发现从Ge肖特基整流二极管的角度去提升能量转换效率的现有技术。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管及整流电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管，包括：衬底、绝缘层、外延层、第一金属电极、第二金属电极、第一凹槽，其中，
所述绝缘层、所述外延层依次层叠设置于所述衬底上；
所述第一凹槽设置于所述外延层上，且所述第一凹槽内填充有绝缘材料；
所述第一金属电极设置于所述外延层上，且设置于所述第一凹槽的一侧，且所述第一金属电极的下表面与所述外延层的上表面接触；
所述第二金属电极设置于所述外延层上，且设置于所述第一凹槽的另一侧。
在本发明的一个实施例中，所述外延层的厚度为0.3～0.5μm，所述第一凹槽的厚度为0.05～0.15μm。
在本发明的一个实施例中，所述外延层的材料为Ge、GeSn、GaAs中的任一种。
在本发明的一个实施例中，所述外延层包括：第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区设置于所述外延层的一侧，且所述第一掺杂区与所述第一金属电极接触，所述第二掺杂区设置于所述外延层的另一侧，且所述第二掺杂区与所述第二金属电极接触。
在本发明的一个实施例中，所述第二金属电极的下表面与所述外延层上表面接触；
在本发明的一个实施例中，所述外延层包括：第二凹槽，所述第二凹槽设置于所述第二掺杂区上，所述第二凹槽的厚度为所述第一凹槽的厚度的1/4～1/3。
在本发明的一个实施例中，所述第二金属电极设置于所述第二凹槽内，所述第二金属电极的侧面和底面均与所述第二凹槽内表面接触。
在本发明的一个实施例中，所述外延层的材料为Ge或GeSn时，所述第一金属电极为Al电极，所述第二金属电极为W电极；所述外延层的材料为GaAs时，所述第一金属电极为Al电极，所述第二金属电极为Pt电极、Ti电极、Au电极中的任一种。
在本发明的一个实施例中，所述第一凹槽的底面至所述外延层的底面之间的横截面积小于所述第二金属电极的底面面积。
本发明的另一个实施例提供了一种整流电路，包括上述任一实施例中所述的用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将纵向空间电荷区进行折叠，形成纵向空间电荷区和横向空间电荷区，减小肖特基整流二极管的结电容，提高了以肖特基整流二极管为关键器件的整流电路在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。
2、本发明所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将肖特基接触处的金属电极设置于凹槽内，增加导通电流，减小串联电阻，进一步提升肖特基二极管的能量转换效率。
3、本发明所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管在结构改进基础上，通过选择不同的外延层材料，不仅实现肖特基二极管的转换效率的逐渐提高，而且可以实现肖特基二极管在不同频率下工作的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构详细示意图；
图3为本发明实施例提供的一种不同外延层的折叠空间电荷区肖特基二极管和传统肖特基二极管的能量转换效率对比图；
图4为本发明实施例提供的又一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构详细示意图；
图5为本发明实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的等效电路模型图；
图6为本发明实施例提供的一种Ge肖特基二极管SPICE模型的电容扫描仿真结果图；
图7为本发明实施例提供的一种Ge肖特基二极管SPICE模型的串联电阻扫描的仿真结果图；
图8为本发明实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结电容的结构示意图。
具体实施方式
在进行具体的实施例说明之前，先对本发明的设计思路作一阐述。
如背景技术介绍的，国内外对整流电路中的关键器件肖特基二极管在能量转换效率方面的研究比较多，但目前暂未发现从Ge肖特基整流二极管的角度去提升能量转换效率的现有技术。
鉴于此，本发明通过改进传统的Ge肖特基整流二极管的结构来达到更高能量转换效率的目的，以及在改进结构的基础上改变Ge外延层的材料进一步满足肖特基整流二极管在多频率下工作的目的。
本发明折叠空间电荷区的肖特基二极管的具体结构及效果详见下面实施例。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构示意图。该折叠空间电荷区肖特基二极管包括：衬底001、绝缘层002、外延层003、第一金属电极004、第二金属电极005、第一凹槽006，其中，
所述绝缘层002、所述外延层003依次层叠设置于所述衬底001上；
所述第一凹槽006设置于所述外延层003上，且所述第一凹槽006内填充有绝缘材料；
所述第一金属电极004设置于所述外延层003上，且设置于所述第一凹槽006的一侧，且所述第一金属电极004的下表面与所述外延层003的上表面接触；
所述第二金属电极005设置于所述外延层003上，且设置于所述第一凹槽006的另一侧。
需要说明的是，所述衬底001的材料可选半导体制造领域常用的Si衬底，所述绝缘层002的材料同样可选用本领域常用的SiO2绝缘材料，所述第一凹槽006内填充的绝缘材料也可以为SiO2绝缘材料。
需要说明的是，本发明的折叠空间电荷区肖特基二极管的“折叠”的意思是：肖特基二极管在空间电荷区由纵向空间电荷区与横向空间电荷区两个部分组合而成，类似将原本纵向的空间电荷区折叠成为两个部分，因此称其为折叠空间电荷区的肖特基二极管。
本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将纵向空间电荷区进行折叠，形成纵向空间电荷区和横向空间电荷区，减小肖特基整流二极管的结电容，提高了以肖特基整流二极管为关键器件的整流电路在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。
实施例二
请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构详细示意图。本实施例在实施例一的基础上，对结构的具体参数做细化说明。
具体地，所述外延层003的厚度为0.3～0.5μm，所述第一凹槽006的厚度为0.05～0.15μm。
需要说明的是，所述第一凹槽006的厚度、所述外延层003的厚度与实现本发明的效果有关，凹槽太浅体现不出折叠的效果，对能量转换效率影响不大；凹槽太深会导致电流密度过大，因此，所述外延层003的厚度和所述第一凹槽006的厚度的尺寸关系决定了电流密度和能量转换效率的综合性能的提升。
具体地，所述外延层003的材料为Ge、GeSn、GaAs中的任一种。
需要说明的是，从材料角度考虑，Ge材料具有比Si材料更高的电子迁移率，利用Ge材料制备的器件，其电阻较小，比Si材料更加适合在2.45GHz频率下工作；此外，GeSn合金和GaAs合金具有高迁移率的特性，同时其直接带隙特性也有利于载流子隧穿能力的提升，因此本申请中外延层的材料可以为Ge、GeSn、GaAs中的任一种。请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种不同外延层的折叠空间电荷区肖特基二极管和传统肖特基二极管的能量转换效率对比图，图3中横坐标为施加电压，纵坐标为随着施加电压的增大，传统肖特基二极管、不同外延层的折叠空间电荷区肖特基二极管的转换效率的变化曲线，从图3中可以看出，传统的肖特基二极管的能量转换效率为69.1％，基于Ge材料的折叠空间电荷区肖特基二极管的能量转换效率为75.4％，基于GeSn材料的折叠空间电荷区肖特基二极管的能量转换效率为77.2％，因为GaAs合金比GeSn合金材料的电子迁移率高，所以从理论上来说，基于GaAs材料的折叠空间电荷区肖特基二极管的能量转换效率更高。综上所述，基于这三种材料制作的肖特基二极管的能量转化效率为：Ge肖特基二极管<GeSn肖特基二极管<GaAs肖特基二极管；而且基于GaAs合金的肖特基二极管不仅适用于在2.45GHz频率下工作，更适用于在5.8GHz频率下工作。
具体地，所述外延层003包括：第一掺杂区0031和第二掺杂区0032，所述第一掺杂区0031设置于所述外延层003的一侧，且所述第一掺杂区0031与所述第一金属电极004接触，所述第二掺杂区0032设置于所述外延层003的另一侧，且所述第二掺杂区0032与所述第二金属电极005接触。
需要说明的是，所述第一掺杂区0031为N型离子注入形成，掺杂浓度为1.8x1020cm-3～5.8x1020cm-3，所述第二掺杂区0032为N型离子注入形成，掺杂浓度为1.8x1017cm-3～8.8x1017cm-3。
优选地，所述第一掺杂区0031的掺杂浓度为2.0×1020cm-3，所述第二掺杂区0032的掺杂浓度为6.8×1017cm-3。
具体地，所述第二金属电极005的下表面与所述外延层003的上表面接触；
需要说明的是，所述第一金属电极004为欧姆接触形成的阴极，对应地，所述第二金属电极005为肖特基接触形成的阳极。本实施例中的阳极是直接沉积在所述外延层003的表面上，此种情况下，所述外延层003的上表面与所述第二金属电极005的下表面接触。
具体地，所述外延层003的材料为Ge或GeSn时，所述第一金属电极004为Al电极，所述第二金属电极005为W电极；所述外延层003的材料为GaAs时，所述第一金属电极004为Al电极，所述第二金属电极005为Pt电极、Ti电极、Au电极中的任一种。
需要说明的是，所述第一金属电极004的材料可以选择铝、金、钼、镍和钛等，考虑到形成欧姆接触所需金属材料的功函数和制造成本，在本发明实施例中，所述第一金属电极004的材料确定为铝。
需要说明的是，所述外延层003的材料为Ge、GeSn中的任一种时，第二金属电极可以是W，也可以是任何可以和Ge、GeSn外延层形成肖特基接触的金属层，考虑到形成肖特基接触所需金属材料的功函数和制造成本，在本发明实施例中，所述第二金属电极005的材料确定为W。
需要说明的是，所述第一金属电极004与所述第二金属电极005的厚度均为70～90nm。
具体地，所述第一凹槽006的底面至所述外延层003的底面之间的横截面积小于所述第二金属电极005的底面的面积。
需要说明的是，所述横截面积是指在图8所示的y-z平面上，所述第一凹槽006的下表面和所述外延层003的下表面之间的截面积；所述第二金属电极005的底面的面积是指在图8所示的x-z平面上，所述第二金属电极005的底面的面积。
本实施例在实施例一的结构改进基础上，通过选择不同的外延层材料，不仅实现肖特基二极管的转换效率的逐渐提高，而且可以实现肖特基二极管在不同频率下工作的目的。
本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管的制备工艺包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在所述Si衬底上生成绝缘层；
步骤c、在所述绝缘层上制备外延层；
步骤d、在所述外延层的第一区域进行第一掺杂；
步骤e、在所述外延层的第二区域进行第二掺杂；
步骤f、刻蚀所述外延层形成第一凹槽，并填充所述第一凹槽；
步骤g、在所述第一区域上形成第一金属电极；
步骤h、在所述第二区域上形成第二金属电极。
实施例三
参见图4，图4为本发明实施例提供的又一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构详细示意图。本实施例与实施例二不同之处在于：
所述外延层003包括：第二凹槽007，所述第二凹槽007设置于所述第二掺杂区0032上，且所述第二凹槽007的厚度为所述第一凹槽006的厚度的1/4～1/3。
所述第二金属电极005设置于所述第二凹槽007内，所述第二金属电极005的侧面和底面均与所述第二凹槽007接触。
需要说明的是，因为所述第二凹槽007的厚度为所述第一凹槽006的厚度的1/4～1/3；
所述其中本实施例的一种实现方式中，所述第二凹槽007的厚度范围为0.0125～0.05μm，而所述第二金属电极005的厚度是70～90nm,即0.07～0.09μm，所以所述第二金属电极005的上表面是高于所述第二凹槽007的上表面，即所述第二金属电极005会有一部分凸出所述第二凹槽007的上表面。
本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将第二金属电极设置于第二凹槽内，增加导通电流，减小串联电阻，进一步提升肖特基二极管的能量转换效率。
本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管的制备工艺包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在所述Si衬底上生成绝缘层；
步骤c、在所述绝缘层上制备外延层；
步骤d、在所述外延层的第一区域进行第一掺杂；
步骤e、在所述外延层的第二区域进行第二掺杂；
步骤f、刻蚀所述外延层形成第一凹槽，并填充所述第一凹槽；
步骤g、在所述第一区域上形成第一金属电极；
步骤h、刻蚀所述第二区域形成第二凹槽；
步骤i、在所述第二凹槽形成第二金属电极。
实施例四
本实施例在上述实施例的基础上，重点对上述实施例提供的用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管的工作原理进行详细描述。
当肖特基二极管在不加偏压时，金属与半导体接触后形成的空间电荷区宽度已经达到器件结构中半导体材料的纵向厚度时，即不加偏压时已经纵向耗尽，施加偏压后只在横向耗尽，这类肖特基二极管被称为全耗尽肖特基二极管，本发明以全耗尽肖特基二极管作用研究的基础。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的等效电路模型图；图中，Rs为串联电阻，Cp是封装引入的寄生电容，Rj与Cj分别为肖特基二极管的结电阻与结电容。由图5可知，肖特基二极管的Spice参数与整流电路的整流效率密切相关。
首先，为了验证Ge肖特基二极管Spice参数对于转换效率的影响，利用Spice参数结合ADS仿真软件带入相关Ge肖特基二极管模型进行仿真。仿真结果如图6和图7，图6为电容扫描仿真结果图，图6中横坐标为施加电压，纵坐标为随着施加电压的增大，Ge肖特基二极管SPICE模型的零偏电容Cj0扫描计划不同时，转换效率的变化曲线，通过图6可以看出，转换效率随着零偏电容Cj0的增大而减小；图7为串联电阻扫描的仿真结果图，图7中横坐标为施加电压，纵坐标为随着施加电压的增大，Ge肖特基二极管SPICE模型的串联电阻Rs扫描计划不同时，转换效率的变化曲线，通过图7可以看出，转化效率随串联电阻Rs的增大而减小。因为零偏电容Cj0是在不施加电压时，肖特基二极管空间电荷区的结电容，因此本发明的Ge肖特基二极管的结构优化的方向是降低肖特基二极管的结电容、减小串联电阻。
参见图8，图8为一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结电容的结构示意图。因为在折叠空间电荷区肖特基二极管中，空间电荷区被分为纵向空间电荷区和横向空间电荷区，所以其电容也被分为两个部分，分别为纵向Ct与横向电容Cl，
其中，纵向电容模型如式1
式1中，At为纵向空间电荷区电子穿过面积，εs为外延层材料的介电常数，Tepi为折叠空间电荷区肖特基二极管的外延层掺杂厚度。
其中，横向电容模型如式2
上式中，Al为横向空间电荷区电子穿过面积，Vbi为肖特基二极管金属-半导体接触的内建电势差，VR为肖特基二极管上所施加的反向电压，VPT为肖特基二极管纵向穿通电压，C0＝[qNdεs/(2Vbi)]1/2为理想情况下肖特基二极管的纵向结电容。
基于纵向空间电荷区电容模型与横向空间电荷区电容模型属于串联关系，可以得到折叠空间电荷区的结电容模型如式(3)所示，
将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，得到全耗尽折叠空间电荷区肖特基二极管的总结电容为：
在公式(4)中，由于第一凹槽的存在，使得横向电荷区电子穿过面积Al变小，而Al变小会使总结电容CJ变小；而总结电容的变小，使得能量转换效率提高。
实施例五
本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种整流电路，其中，该整流电路包括上述实施例一～实施例三中任一所述的折叠空间电荷区肖特基二极管。
本实施例的整流电路因为采用了折叠空间电荷区肖特基二极管，因此具有较高的能量转换效率，本整流电路可用于微波无限能量传输系统，可以提高微波无限能量传输系统的能量转换效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，包括：衬底(001)、绝缘层(002)、外延层(003)、第一金属电极(004)、第二金属电极(005)、第一凹槽(006)，其中，
所述绝缘层(002)、所述外延层(003)依次层叠设置于所述衬底(001)上；
所述第一凹槽(006)设置于所述外延层(003)上，且所述第一凹槽(006)内填充有绝缘材料；
所述第一金属电极(004)设置于所述外延层(003)上，且设置于所述第一凹槽(006)的一侧，且所述第一金属电极(004)的下表面与所述外延层(003)的上表面接触；
所述第二金属电极(005)设置于所述外延层(003)上，且设置于所述第一凹槽(006)的另一侧。
2.根据权利要求1所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述外延层(003)的厚度为0.3～0.5μm，所述第一凹槽(006)的厚度为0.05～0.15μm。
3.根据权利要求1所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述外延层(003)的材料为Ge、GeSn、GaAs中的任一种。
4.根据权利要求1所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述外延层(003)包括：第一掺杂区(0031)和第二掺杂区(0032)，所述第一掺杂区(0031)设置于所述外延层(003)的一侧，且所述第一掺杂区(0031)与所述第一金属电极(004)接触，所述第二掺杂区(0032)设置于所述外延层(003)的另一侧，且所述第二掺杂区(0032)与所述第二金属电极(005)接触。
5.根据权利要求1所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述第二金属电极(005)的下表面与所述外延层(003)的上表面接触。
6.根据权利要求1所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述外延层(003)包括：第二凹槽(007)，所述第二凹槽(007)设置于所述第二掺杂区(0032)上，且所述第二凹槽(007)的厚度为所述第一凹槽(006)的厚度的1/4～1/3。
7.根据权利要求6所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述第二金属电极(005)设置于所述第二凹槽(007)内，所述第二金属电极(005)的侧面和底面均与所述第二凹槽(007)接触。
8.根据权利要求3所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述外延层(003)的材料为Ge或GeSn时，所述第一金属电极(004)为Al电极，所述第二金属电极(005)为W电极；
所述外延层(003)的材料为GaAs时，所述第一金属电极(004)为Al电极，所述第二金属电极(005)为Pt电极、Ti电极、Au电极中的任一种。
9.根据权利要求1所述的折叠空间电荷区肖特基二极管，其特征在于，所述第一凹槽(006)的底面至所述外延层(003)的底面之间的横截面积小于所述第二金属电极(005)的底面面积。
10.一种整流电路，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管。
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|---|---|---|---|
| CN201910631155.8A CN110581179A (zh) | 2019-07-12 | 2019-07-12 | 一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管及整流电路 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201910631155.8A CN110581179A (zh) | 2019-07-12 | 2019-07-12 | 一种用于整流电路的折叠空间电荷区肖特基二极管及整流电路 |
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