專利名稱：一種二極管及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域，尤其是一種二極管。
背景技術：
功率快恢復二極管(FRD)是一種開關特性好，反向恢復時間短的半導體器件。主要應用于開關電源、脈寬調制器、變頻器等電子電路，廣泛作為高頻整流、續流、阻尼二極管。快恢復二極管的基本結構如圖1所示，具有101 P型區，與105金屬電極連接，102為低摻雜濃度的N-漂移區，漂移區位于P型區101之下，N-漂移區包括第一區域107和第二區域108，N區103位于N-區102之下，其為摻雜濃度比102稍高的外延層，N+104位于N區103之下，其為高濃度的N+襯底，N+襯底104與106金屬電極相連，金屬層106作為二極管的陰極。
功率快恢復二極管工作原理如下:二極管正向導通時，陽極加正電壓，由P區101及N-區102組成的PN結導通，P區101向N-體區102注入空穴，N+襯底104向N-漂移區注入電子；當二極管關斷時，陰極加正壓，由P區101與N-漂移區組成的PN結在反偏電壓作用下耗盡層主要向N-漂移區擴展，位于漂移區102和P型區101組成的PN結附近的載流子被反向迅速抽取，那么該處的載流子濃度決定了二極管反向恢復時的峰值電流，載流子濃度高低決定了二極管反向恢復時電流Ixxm下降的速率，從而決定了二極管關斷時的軟度S ;二極管的軟度S=tb/ta，ta為二極管反向恢復電流從零上升至峰值電流所需的時間，tb為二極管反向恢復電流從峰值電流下降至Imw十分之一所需的時間，S越小表示二極管關斷越硬，產生的di/dt也會越大，導致反向恢復電壓過沖也越大，在實際應用中會產生嚴重影響:一是二極管自身可能被擊穿，二是對應用電路產生干擾，出現誤動作等等；在實際應用中，如在散熱條件一定的情況下，二極管的總功耗決定了芯片溫升，二極管的總功耗包括正向導通損耗和反向恢復損耗，其中正向導通損耗由二極管的通態壓降決定，反向恢復損耗由二極管的反向恢復特性決定；在低頻應用時，二極管的通態損耗所占比例較大，因此在器件設計時，器件參數的折衷傾向于降低二極管的導通壓降；在高頻應用時，二極管的反向恢復損耗所占比例較大，因此在器件設計時，器件參數的折衷傾向于優化二極管的反向恢復特性，為了能夠讓二極管良好的應用于高頻領域，需要從設計上降低反向恢復損耗，那么就要減小其關斷時的反向恢復時間U、反向恢復電荷Qra、反向恢復峰值電流1t，從而減小反向恢復損耗，提高其工作頻率。為此，我們常通過進行載流子壽命控制滿足以上要求；為降低二極管反向恢復時的峰值電流Imi和關斷時間，需對芯片進行載流子壽命控制，因電子輻照具有工藝方便，輻照能量準確可控等優點，至今仍被廣泛使用。電子輻照是一種整體壽命控制技術，電子在高能量下很容易穿透晶圓，所以它在晶圓中感生的缺陷也是均勻分布的，因此它會導致整體載流子壽命降低，這將會使二極管導通時的載流子濃度分布也整體降低，值得注意的是N-漂移區102中第一區域107和N外延層103的載流子濃度的降低并不是所希望的，該區域濃度的降低會使二極管關斷時反向恢復電流特性變硬；如圖2所示，Xl曲線為二極管電子輻照前的反向恢復電流曲線，反向恢復峰值電流Irrm大，反向恢復時間trr長；X2為二極管電子輻照后的反向恢復電流曲線，反向恢復峰值電流Irrm降低，恢復時間變短，但軟度變差。發明內容
針對現有技術中功率二極管軟度差等問題。
本發明提出了一種二極管，包括:從下至上順次連接的第一金屬層、第一導電類型第一半導體層、第一導電類型第二半導體層、第一導電類型第三半導體層、第二導電類型第四半導體層和第二金屬層；所述第三半導體層包括第一區域和第二區域，所述第一區域位于第二半導體層和第二區域之間，所述第二區域與第四半導體層連接； 所述第一區域晶格缺陷密度小于第二區域晶格缺陷密度。
進一步地，所述第一半導體層厚度為2um_20um。
進一步地，進一步地，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
本發明還提供二極管的一種制造方法，包括以下步驟:提供第一導電類型第一半導體層； 于第一半導體層上形成第一導電類型第二半導體層； 于第二半導體層上形成第一導電類型第三半導體層； 于第三半導體層上形成第二導電類型第四半導體層； 于第四半導體層上形成第二金屬層，第一半導體層背面形成第一金屬層； 對第一半導體層、第二半導體層、第三半導體層和第四半導體層進行電子輻照，然后對第二半導體層和第三半導體層第一區域進行激光處理。
進一步地,所述電子福照劑量為80kgy/h_500kgy/h。
進一步地，所述激光處理駐留時間為100ms-800ms。
進一步地，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
有益效果:本發明二極管第三半導體層第一區域晶格缺陷密度小于第二區域晶格缺陷密度使得二極管在保持反向恢復電流和反向恢復時間不變的情況下，同時使二極管軟度得以改善；本發明還提出二極管的一種制造方法，該方法對二極管第二半導體層和第三半導體層第一區域進行激光照射，使第二半導體層晶格缺陷得以恢復，以及第三半導體層第一區域晶格缺陷密度小于第三半導體層第二區域晶格缺陷密度。
圖1現有技術二極管結構示意圖。`
圖2電子輻照前和輻照后二極管的反向恢復電流分布圖。
圖3本發明實施例二極管結構示意圖。
圖4-圖9形成本發明實施例二極管的結構示意圖。
圖10 二極管在電阻輻照前、輻照后以及輻照后經激光退火后的載流子濃度分布圖。
圖11 二極管在電阻輻照前、輻照后以及輻照后經激光退火后的反向恢復電流分布圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式
僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
圖3為本發明二極管的結構示意圖，從圖中可以看出該二極管包括:N+第一半導體層104，也叫襯底，襯底之下為第一金屬層106，第一金屬層106為二極管負極的引出電極，位于N+第一半導體層之上的N型第二半導體層103，第二半導體層也叫外延層，外延層的厚度根據器件所需要的耐壓而定，位于外延層之上的為第三半導體層，也叫N-漂移區，第三半導體層102包括第一區域107和第二區域108，第一區域107晶格缺陷密度小于第二區域108晶格缺陷密度，第一區域107的橫向寬度等于第三半導體層的橫向寬度，第一區域位于第二半年導體層和第二區域之間，第二區域108和位于其上的P型第四半導體層101連接；位于P型第四半導體層之上的為第二金屬層105，第二金屬層105作為二極管陽極的引出電極。
下面闡述本發明實施例二極管的制造方法，包括下面幾個步驟: 提供N+型第一半導體層104，厚度優選為2um-20um，這個厚度有利于在后面對外延層和第三半導體層第一區域進行激光退火，如圖4所示； 于N+第一半導體層104上外延形成N型第二半導體層103，第二半導體層103的厚度根據器件所需的耐壓決定，如圖5所示； 于第二半導體層上形成N-型第三半導體層102，通常又叫漂移區，是二極管電子流通的區域，如圖6所示； 于第三半導體層102上形成P型第四半導體層101，第四半導體層與第三半導體層構成PN結，如圖7所示； 于第四半導體層101上形成第二金屬層105，第二金屬層作為二極管的正極，在第一半導體層104背面形成第一金屬層106,第一金屬層為二極管的負極,如圖8所不； 對第一半導體層、第二半導體層、第三半導體層和第四半導體層進行電子輻照，輻照的劑量為80kgy/h_500kgy/h,電子福照主要對二極管的載流子壽命進行控制,然后通過N+襯底背面對第二半導體層和第三半導體層第一區域107進行激光退火，退火駐留時間為lOOms-SOOms，激光退火主要使第一區域和第二半導體層晶格缺陷減小，使二極管的軟度得以改善，如圖9所示。
本發明實施例制造二極管的方法使用激光退火工藝，消除電子輻照對二極管反向恢復特性帶來的負面影響。電子輻照在晶圓中感生的缺陷是均勻分布的，而在二極管中第二半導體層和第三半導體層第一區域產生的大量缺陷并不是設計所需，它會給二極管帶來反向恢復特性變硬的不良影響，本發明實施例原理在于修復該區域缺陷，消除電子輻照對二極管反向恢復軟度的影響。電子輻照在晶圓中感生的缺陷在200° C-300° C高溫下可以部分修復，當溫度大于300° C時完全修復，但在一般的加熱工藝中采用的爐管或烤箱，都是給二極管整體加熱的，所以不能用來局部修復晶圓缺陷。本發明實施例采用激光退火對二極管進行局部缺陷修復，激光退火工藝利用激光束快速掃過二極管的第二半導體層和第一區域，對這些區域進行加熱，因為激光束掃描的能量和掃描速度準確可控，所以可以用來修復二極管第二半導體層和第三半導體層第一區域由電子輻照產生的缺陷，由于激光在二極管第二半導體層和第三半導體層第一區域快速掃描而產生的熱量，僅消耗在二極管第二半導體層和第三半導體層第一區域，傳遞不到二極管體區及其他地方，所以二極管體區及其他地方的缺陷得以保存，達到晶圓縱向局部修復缺陷的效果；如圖10所示，Xl曲線是電子輻照前載流子濃度分布曲線，X2是電子輻照后載流子分布曲線，X3是電子輻照后經過激光退火修復的載流子濃度分布曲線，從圖中可以看出在激光對二極管進行修復后，第二半導體層103和第三半導體層102的第一區域107的載流子濃度與沒有經過電子輻照處理載流子濃度相同，而其他區域保持電子輻照后濃度，達到器件局部修復的目的。
圖11為二極管的反向恢復電流曲線，Xl曲線是電子輻照前反向恢復電流分布曲線，X2是電子輻照后反向恢復電流分布曲線，X3是電子輻照后經過激光退火修復的反向恢復電流分布曲線；S表示二極管的軟度，S= tb/ta，ta為二極管反向恢復電流從零上升至峰值電流I 所需的時間，tb為二極管反向恢復電流從峰值電流1t下降至十分之一所需的時間，其中tbl表示未對二極管進行電子輻照的二極管反向恢復電流從峰值電流1_下降至十分之一所需的時間，tb2表示對二極管電子輻照后二極管反向恢復電流從峰值電流Im下降至十分之一所需的時間，tb3表示對二極管進行電子輻照后經過激光退火修復后二極管反向恢復電流從峰值電流Imi下降至十分之一所需的時間；通過公式S= tb/ta，可知，對二極管進行激光退火后，二極管的軟度較之于二極管未進行激光退火的軟度更大，防止二極管在實際應用中帶來損害:一是二極管自身可能被擊穿，二是對應用電路產生干擾，出現誤動作等等現象；同時對二極管第二半導體層和第三半導體層第一區域進行激光退火后，二極管的反向恢復電流沒有增大，即不會增大二極管的反向恢復功耗。
以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種二極管，其特征在于，包括:從下至上順次連接的第一金屬層、第一導電類型第一半導體層、第一導電類型第二半導體層、第一導電類型第三半導體層、第二導電類型第四半導體層和第二金屬層； 所述第三半導體層包括第一區域和第二區域，所述第一區域位于第二半導體層和第二區域之間，所述第二區域與第四半導體層連接； 所述第一區的域晶格缺陷密度小于第二區域的晶格缺陷密度。
2.根據權利要求1所述的二極管，其特征在于，所述第一半導體層厚度為2um-20um。
3.根據權利要求1-2任意一項所述的二極管，其特征在于，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
4.一種如權利要求1至3所述二極管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供第一導電類型第一半導體層； 于第一半導體層上形成第一導電類型第二半導體層； 于第二半導體層上形成第一導電類型第三半導體層； 于第三半導體層上形成第二導電類型第四半導體層； 于第四半導體層上形成第二金屬層，第一半導體層背面形成第一金屬層；以及 對第一半導體層、第二半導體層、第三半導體層和第四半導體層進行電子輻照，然后對第二半導體層和第三半導體層第一區域進行激光處理。
5.根據權利要求4所述二極管的制造方法，其特征在于，所述電子輻照劑量為SOkgy/h_500kgy/h。
6.根據權利要求4所述二極管的制造方法，其特征在于，所述激光處理駐留時間為IOOms-SOOms。
7.根據權利要求4所述二極管的制造方法，其特征在于，所述第一導電類型第一半導體層厚度為2um-20um。
8.根據權利要求4-7任意一項所述二極管的制造方法，其特征在于，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
全文摘要
本發明涉及半導體器件，特別涉及一種二極管包括從下至上順次連接的第一金屬層、第一導電類型第一半導體層、第一導電類型第二半導體層、第一導電類型第三半導體層、第二導電類型第四半導體層和第二金屬層；第三半導體層包括第一區域和第二區域；第一區域位于第二半導體層和第二區域之間；第二區域與位于其上的第四半導體層連接；第一區域晶格缺陷密度小于第二區域晶格缺陷密度；該二極管在保證二極管的反向恢復功耗不變的情況下改善了二極管的軟度。
文檔編號H01L29/861GK103107203SQ20111035438
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者肖秀光, 黃定園, 吳海平 申請人:比亞迪股份有限公司