[发明专利]一种基于高纯本征单晶金刚石的雪崩二极管及制备方法

说明书

本发明涉及一种基于高纯本征单晶金刚石的雪崩二极管及制备方法，该雪崩二极管包括：本征金刚石层，本征金刚石层为高纯本征金刚石层，本征金刚石层上形成有第一台面和第二台面，第一台面相对于第二台面凸起且位于第二台面的中心；欧姆电极，形成在第二台面的表面且环绕第一台面；肖特基电极，形成在第一台面的表面。该雪崩二极管提高了雪崩二极管的雪崩发生几率、击穿电压、工作电流、响应速度，并且抑制了因工作温度过高而导致的失效问题，使得雪崩二极管雪崩状态可控且在高重频短脉冲下具有稳定复现的高击穿场强。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于高纯本征单晶金刚石的雪崩二极管及制备方法。

背景技术

金刚石具有优异的物理特性，使其成为下一代脉冲功率器件的理想材料。金刚石禁带宽度为5.5eV，是超宽禁带半导体材料的典型代表，大的禁带宽度使其具有极高的击穿场强(10MV/cm)和绝缘性。金刚石具有非常优良的载流子迁移率(电子4500cm²/Vs,空穴3800cm²/Vs)和饱和漂移速度(电子1.5×10⁷cm/s,空穴1.1×10⁷cm/s)，较小的相对介电常数(5.7)，可以极大地提高雪崩二极管的脉冲响应速度。金刚石具有自然界中最高的热导率(2200W/(m·K))，可以降低雪崩二极管中的热负载，简化脉冲功率系统热设计工作，避免常见硅脉冲功率器件由于高压大电流下结温过高引起的工作失效问题。

雪崩二极管具有重频高、频带宽、体积小、重量轻，稳定性好等优点，同时极易串并联使用，通过MARX等电路可以产生较高功率的短脉冲。雪崩二极管工作是利用PN结的反向雪崩击穿特性产生高速脉冲的半导体固态器件。PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，形成反向电击穿。根据击穿原理，分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿是轻掺杂PN结反向电压增大到一数值时，承担强电场的耗尽区范围大大扩展，其中载流子碰撞电离、雪崩倍增，增加得多而快。利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管。

雪崩二极管有多种不同的结构形式，以N⁺PP⁺结构较为多见。以N⁺PP⁺结构的雪崩管二极管为例来说明脉冲产生的原理。静止时，雪崩二极管两端加有小于击穿电压的反向偏压，管内电场强度的最大值小于击穿电场强度E_C；当有触发电压脉冲加于雪崩二极管两端从而触发二极管时，二极管内电场强度急剧增加，其中N⁺P结处的场强增加得最快，首先超过击穿场强E_C，雪崩立即发生，在N⁺P结附近产生大量的电子、空穴对。在外电场作用下，电子流向阴极，空穴流向阳极。由于这些载流子的流动，管内的电场分布发生了变化，空穴流向阳极，使管内电场最大值的位置向P⁺结移动，而电场最大值与N⁺P结之间的空间则是充满了电子和空穴的等离子体，在这个空间内电场强度下降至接近于零的很小值。由于向P⁺结移动的电场强度最大值仍超过击穿场强E_C，因此又会在新的位置发生雪崩，所以二极管的雪崩区将快速移动，形成一个雪崩冲击波。

只要触发电压脉冲的电压变化速率足够大，使雪崩冲击波在器件中移动的速度超过载流子的饱和速度，雪崩冲击波将迅速通过P区；同时雪崩产生的载流子不能比冲击波更快地漂移到电极，维持等离子体状态，整个P区将成为一个充满电子和空穴的等离子体，电场强度近似为零的低场区。由外加电压脉冲引起的位移电流使得二极管内有较大的电流，当等离子体被扫出体外后，二极管又恢复成初始状态。由此可见，触发脉冲的施加，使反向偏置的二极管有一段短暂的导电时间，利用这个过程可以产生高速脉冲。