CN204792803U - 一种垂直场效应二极管 - Google Patents
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Abstract
一种垂直场效应二极管，属于半导体器件制造领域。其特征在于：包括衬底，衬底上方为与衬底类型相同的外延层，外延层的上端面向下间隔开有多个沟槽（8），沟槽（8）内填充有与外延层的交界面形成P-N结的填充介质，在衬底的下部以及沟槽（8）的上部分别设置有作为阴极的底层金属层（5）和作为阳极的顶层金属层（1）；在两相邻的所述沟槽（8）之间以及位于两端的沟槽（8）的外侧还设置有重掺杂型区，重掺杂型区与外延层类型相同，位于外延层的上端且与沟槽（8）上端平齐。本垂直场效应二极管，由于采用场效应管的结构，相比较传统的半导体二极管，具有极低的死区电压，导通速度快，开关频率高。
Description
技术领域
一种垂直场效应二极管，属于半导体器件制造领域。
背景技术
二极管为半导体领域最为常见的元器件之一，在电子行业以及工业有广泛用途。在现有技术中，主要存在有以下两种二极管：以硅、锗为等半导体材质制成的半导体二极管，以及以肖特基二极管为代表的金属-半导体二极管。半导体二极管在正向导通时，具有较高的死区电压，大约为0.5V~0.8V，当正向电压超过死区电压时，二极管才会导通，因此开关效率较低，且耗能高。肖特基二极管具有较低的死区电压，大约为0.2V，且导通速度较快，但是肖特基二极管无法耐高压，不适合应用在高压场合。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有极低的导通电压，导通速度快，同时可以耐高压的垂直场效应二极管。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该垂直场效应二极管，其特征在于：包括衬底，衬底上方为与衬底类型相同的外延层，外延层的上端面向下间隔开有多个沟槽，沟槽内填充有与外延层的交界面形成P-N结的填充介质，在衬底的下部以及沟槽的上部分别设置有作为阴极的底层金属层和作为阳极的顶层金属层；在两相邻的所述沟槽之间以及位于两端的沟槽的外侧还设置有重掺杂型区，重掺杂型区与外延层类型相同，位于外延层的上端且与沟槽上端平齐。
优选的，所述的填充介质包括填充在沟槽内的多晶硅以及设置在多晶硅与沟槽内边沿之间的单晶硅层。
优选的，所述的填充介质为填充在沟槽内的单晶硅。
与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：
1、本垂直场效应二极管，由于采用场效应管的结构，相比较传统的半导体二极管，不存在常规P-N结二极管在导通时所存在的死区电压，当加载了正向电压之后，本垂直场效应管立即导通，因此具有提高正向导通效率的优点。
2、本垂直场效应二极管，没有普通P-N结二极管的开通及关断的多子与少子的注入及抽走的过程，所以开关速度大幅提高，开关频率可以大幅提升，开关损耗也可降低。
3、在外延层的上方进行重掺杂，形成重掺杂区域，与金属层之间实现了较好的欧姆接触。
4、外延层的厚度可根据实际需要的耐压等级调节，因此相比较肖特基二极管可应用于电压较高的场合。
5、在对沟槽内进行填充时，优选首先通过离子注入的形式形成单晶硅层，然后填充多晶硅，以离子注入的手段，相比较直接填充单晶硅的手段，单晶硅层形成的可靠性更高，对工艺要求较低。
附图说明
图1为垂直场效应二极管实施例1结构示意图。
图2为垂直场效应二极管实施例2结构示意图。
图3为垂直场效应二极管实施例3结构示意图。
图4为垂直场效应二极管实施例4结构示意图。
其中：1、顶层金属层2、N+型层3、P型多晶硅4、P型单晶硅层5、底层金属层6、N型衬底7、N型外延层8、沟槽9、P型单晶硅10、N型多晶硅11、N型单晶硅层12、P型外延层13、P型衬底14、P+型层15、N型单晶硅。
具体实施方式
图1是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1~4对本实用新型做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种垂直场效应二极管，包括N型衬底6，N型衬底6上方为N型外延层7，自N型外延层7的上端向下间隔设置有多个沟槽8，沟槽8与N型外延层7的交界面设置有P型单晶硅层4，在沟槽8内填充有P型多晶硅3。在相邻两沟槽8之间以及位于两端的沟槽8的外侧还设置有重掺杂的N+型层2，N+型层2位于N型外延层7的上端且与沟槽8上端平齐，通过重掺杂的N+型层2可以实现良好的欧姆接触。在N型衬底6的下部以及沟槽8和N+型层2的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层1同时将沟槽8中的P型多晶硅3以及N+型层2连接，在实际使用时，顶层金属层1作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
N型外延层7为单晶硅层，其厚度根据本垂直场效应管的耐压等级调节，因此相比较传统的肖特基二极管，具有良好的耐高压特性，可应用在高压场合。位于N型外延层7顶部侧N+型层2可通过离子注入的方式生成。
P型单晶硅层4优选通过离子注入的形成，然后填充P型多晶硅3，相比较直接填充单晶硅的手段，P型单晶硅层4形成的可靠性更高，对工艺要求较低。
本垂直场效应管的工作过程及工作原理如下：
当对本垂直场效应管的施加正向电压（即正极连接顶层金属层1，负极连接底层金属层5）时，由于N+型层2、N型外延层7以及N型衬底6均为导体，因此电流由顶层金属层1依次向下穿过N+型层2、N型外延层7以及N型衬底6组成的电流通道流至底层金属层5，此时，本垂直场效应二极管正向导通。
当对本垂直场效应管的施加反向电压（即正极连接底层金属层5，负极连接顶层金属层1）时，由于电压反接，相邻两沟槽8内的P型单晶硅层4之间开始出现空乏区，随着电压的逐渐增大，当电压值上升到截止电压时，此时相邻两沟槽8之间的空乏区相连接，将电流的通道截断，此时电流在阴极（底层金属层5）和阳极（顶层金属层1）之间流通受到限制，即本垂直场效应二极管反向截止。
由于本垂直场效应二极管由于正向导通时因连接阳极（即顶层金属层1）与阴极（即底层金属层5）为半导体材料，其电阻可随电压升高而导通，所以不存在常规二极管（如硅二极管、锗二极管、肖特基二极管）在导通时所存在的死区电压，当加载了正向电压之后，本垂直场效应管立即导通，因此具有提高正向导通效率的优点。
因为阳极与阴极间为半导体材料的电阻，因此没有普通P-N结二极管的开通及关断的多子与少子的注入及抽走的过程，所以开关速度大幅提高，开关频率可以大幅提升，开关损耗也可降低。
实施例2：
如图2所示，在本实施例中，垂直场效应管，包括N型衬底6，N型衬底6上方为N型外延层7，自N型外延层7的上端向下间隔设置有多个沟槽8，在沟槽8内填充有P型单晶硅9，在相邻两沟槽8之间以及位于两端的沟槽8的外侧还设置有重掺杂的N+型层2，N+型层2位于N型外延层7的上端且与沟槽8上端平齐，通过重掺杂的N+型层2可以实现良好的欧姆接触。在N型衬底6的下部以及沟槽8和N+型层2的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层1同时将沟槽8中的P型单晶硅层4以及N+型层2连接。与实施例1相同，顶层金属层1作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。在实施例2中，通过直接填充的方式直接在沟槽8内形成单晶硅。
实施例3：
实施例3与实施例1的区别在于：在实施例3中，将N型材质与P型材质进行交换，如图3所示，垂直场效应二极管，包括P型衬底13，P型衬底13上方为P型外延层12，自P型外延层12的上端向下间隔设置有多个沟槽8，沟槽8与P型外延层7的交界面设置有N型单晶硅层11，在沟槽8内填充有N型多晶硅10。在相邻两沟槽8之间以及位于两端的沟槽8的外侧还设置有重掺杂的P+型层14，P+型层14位于P型外延层12的上端且与沟槽8上端平齐，通过重掺杂的P+型层14可以实现良好的欧姆接触。在P型衬底13的下部以及沟槽8和P+型层14的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层1同时将沟槽8中的N型多晶硅10以及P+型层14连接。与实施例1相同，顶层金属层1作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
实施例4：
实施例4与实施例2的区别在于：将N型材质与P型材质进行交换，如图4所示，垂直场效应管，包括P型衬底13，P型衬底13上方为P型外延层12，自P型外延层12的上端向下间隔设置有多个沟槽8，在沟槽8内填充有N型单晶硅15，在沟槽8之间两端的沟槽8的外侧还设置有重掺杂的P+型层14，P+型层14位于P型外延层12的上端且与沟槽8上端平齐，通过重掺杂的P+型层14可以实现良好的欧姆接触。在P型衬底13的下部以及沟槽8和P+型层14的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层1同时将沟槽8中的N型单晶硅15以及P+型层14连接。与实施例1相同，顶层金属层1作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种垂直场效应二极管，其特征在于：包括衬底，衬底上方为与衬底类型相同的外延层，外延层的上端面向下间隔开有多个沟槽（8），沟槽（8）内填充有与外延层的交界面形成P-N结的填充介质，在衬底的下部以及沟槽（8）的上部分别设置有作为阴极的底层金属层（5）和作为阳极的顶层金属层（1）；在两相邻的所述沟槽（8）之间以及位于两端的沟槽（8）的外侧还设置有重掺杂型区，重掺杂型区与外延层类型相同，位于外延层的上端且与沟槽（8）上端平齐。
2.根据权利要求1所述的垂直场效应二极管，其特征在于：所述的填充介质包括填充在沟槽（8）内的多晶硅以及设置在多晶硅与沟槽（8）内边沿之间的单晶硅层。
3.根据权利要求1所述的垂直场效应二极管，其特征在于：所述的填充介质为填充在沟槽（8）内的单晶硅。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201520495995.3U CN204792803U (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 一种垂直场效应二极管 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201520495995.3U CN204792803U (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 一种垂直场效应二极管 |
Publications (1)
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| CN204792803U true CN204792803U (zh) | 2015-11-18 |
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| CN201520495995.3U Active CN204792803U (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 一种垂直场效应二极管 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105023953A (zh) * | 2015-07-10 | 2015-11-04 | 淄博汉林半导体有限公司 | 一种垂直场效应二极管及制造方法 |
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2015
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