[发明专利]一种二极管及其制作方法

说明书

一种二极管器件及其制作方法，属于功率半导体器件技术领域。器件的元胞结构包括金属阴极、N+衬底和N‑外延层和金属阳极，N‑外延层的顶层两侧具有沟槽结构，沟槽结构自下而上包括P+半导体区和P型半导体Well区，P型半导体Well区与其上方的金属阳极相接触，部分P型半导体Well区和N‑半导体外延层上表面有介质层；介质层与N‑半导体外延层上表面有异质半导体；异质半导体、介质层、P型半导体Well区以及N‑半导体外延层形成超势垒结构。本发明在不影响器件性能的前提下，显著降低了传统PIN器件正向开启电压，优化了器件反向恢复特性，获得了正向导通压降与关断损耗之间良好的折中特性。另外，本发明器件还提供了多种工作模式选择，极大地方便了实际应用场合。

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，特别涉及一种二极管及其制作方法。

背景技术

能源资源是人类赖以生存和实现发展的重要物质基础，是人类进行生产生活的动力来源。许多能源资源取之不尽、用之不竭，如风能、太阳能以及潮汐能等。然而生产生活中所使用的主要能源却是不可再生能源，包括化石能源、煤以及天然气等等，由此引发了全球能源危机。自人类进入21世纪以来，该问题愈发引起人们的重视。如何降低生产生活中不必要的能量损耗，即如何提高能源资源的利用率，是缓解全球能源危机的重要手段。电能作为人类能够直接使用的能源之一，在生活中早已是不可或缺。电力系统是人类利用电能和提高电能使用效率的必要途径，电力系统对电能输运、管理以及使用效率的高低，体现着电力系统的现代化程度，进而体现着人类对于能源资源利用效率的高低。而据统计，世界上90％以上的电能由功率器件通过电力系统控制着。从某种角度来说，功率器件的控制电能效率的高低，关乎着人类可持续发展。

功率二极管在诸多电力半导体器件中是最为简单的电子元件，但亦是应用最为广泛的器件之一，在电路中起着非常关键的作用。因此，功率二极管的性能往往会成为电路设计能否成功的关键因素之一。功率二极管一般采用如图1所示的P+N-N+结构，当器件处于正向偏置状态时，P+N-N+结构二极管的低掺杂区域通常要被驱动到大注入状态。在这种状态下的中间区域跟没有掺杂(本征)是一样的，因此P+N-N+二极管PIN通常被称之为PIN二极管。PIN二极管作为一种双极器件，其正向导通过程中产生的电导调制效应能够显著降低其正向压降，然而，关断时由于漂移区中存在大量过剩载流子，这也导致其在关断时存在无法避免的关断损耗，延长了关断时间，进而影响了PIN二极管反向恢复特性，不利于其在高速整流、快恢复等场合的应用。而PIN二极管的反向恢复特性对电力电子系统来说至关重要。

同时，随着功率半导体技术的日渐成熟，硅基功率器件的特性已逐渐逼近其理论极限。研究人员力求在硅基功率器件狭窄的优化空间中寻找更佳参数的同时也注意到了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等第三代宽带隙半导体材料在大功率、高频率、耐高温、抗辐射等领域中优异的材料特性。其中，碳化硅功率二极管器件因其采用的宽禁带半导体材料——碳化硅对功率损耗的降低效果显著，故而业内人士称碳化硅功率半导体器件为“新能源革命”的“绿色能源”器件。除此之外碳化硅材料还具有诸多吸引人的特性，比如10倍于硅材料的临界击穿电场强度、高的热导率、大的禁带宽度以及高电子饱和漂移速度等，这些性能优势使得碳化硅材料成为了国际上功率半导体器件的研究热点。但在碳化硅功率二极管器件发展日趋成熟的同时也显现出宽禁带半导体材料的弊端：半导体材料的宽禁带会导致较大的膝点电压，以碳化硅为例，碳化硅PIN二极管器件正向导通压降为3.1V左右，而硅PIN二极管的正向导通压降仅为0.7V左右，相较而言碳化硅PIN二极管器件显著增加了导通损耗，降低了整流效率，导致了能源资源的严重浪费。而这与当今社会高度强调的“绿色工业”理念相违背。

发明内容

鉴于上文所述，本发明的目的在于：针对现有技术中PIN二极管存在导通损耗较大、反向恢复特性差等问题，提出了一种能够降低正向导通电压、优化反向恢复特性，同时还能保持高电压阻断能力的二极管器件结构，该器件结构适用于各种半导体材料；同时本发明还提供了该种二极管器件的制备方法。