可提升空穴注入效率的FCE二极管及制备方法与流程

本发明涉及一种fce二极管及制备方法，尤其是一种可提升空穴注入效率的fce二极管及制备方法。

背景技术：

1、在电力电子技术中，开关器件(如绝缘栅双极型晶体管igbt)需要一个与之并联并提供续流回路的快恢复二极管(fast recovery diode，frd)，为了与开关器件的关断能力相匹配，frd需要具有快速的导通和关断能力，即具备较低的正向导通电压vf和较短的反向恢复时间；同时，为了提升能效与可靠性，frd需要同时具有较小的反向恢复电流和软的反向恢复特性。

2、对快恢复二极管，主要包括pin、sbd、mps等结构形式，其中，基于pin结构的快恢复二极管，由于在高压大电流的电路中具有良好的耐压性且漏电较低，因此，pin型frd得到广泛应用。

3、pin型frd，在反向恢复过程中，由于空穴往阳极侧移动，电子往阴极侧移动，这些移动的电子和空穴会带来额外的电场，并叠加在pin型frd内部的电场上，致使pin型frd内部的p+n结的电场峰值增大，在反向电流较大时，pin型frd内n+n结处的电子会带来另一个场强尖峰，即形成egawa型电场，此时，会为pin型frd带来了较大的动态雪崩击穿风险。

4、为了提高pin型frd的抗动态雪崩能力，同时提升快恢复二极管反向恢复的软度，已有研究者提出场电荷抽取结构型二极管，也即为fce(field charge extraction)型frd。与传统pin型frd不同的是，fce型frd的阴极结构，形成了pin二极管和pnp晶体管并联的结构，其中，在反向恢复期间，阴极p+区会注入空穴，注入的空穴在电场作用下向阳极区域移动，参与组成二极管的反向恢复电流，使得fce型frd内部载流子抽出的速度变慢，减缓空间电荷区的展宽，同时会使反向恢复电流下降速度变慢，从而使二极管的反向恢复过程更软。

5、此外，由于阴极p+区在反向恢复期间不断注入空穴，阴极n+区和阴极p+区上方的载流子浓度较高，电场在此处被充分抑制，避免了阴极附近电场尖峰的形成，提高了器件的抗动态雪崩能力。

6、由上述说明可知，对fce型frd，由于在阴极处存在阴极p+区，阴极p+区消耗了现有技术中阴极n+区的面积，此时，在正向导通时，无法向fce型frd内部注入电子，从而损失了阴极向内部注入电子的面积，此时，导致fce型frd内部的载流子浓度较传统的pin二极管结构低，fce型frd的导通压降升高，功耗增加。

7、传统的fce型frd中，在反向电流达到峰值之后，阴极p+区仍然会注入空穴电流，并逐渐成为反向恢复电流的主要部分，造成较长的反向恢复拖尾，不利于器件的快速关断，增加了二极管的开关损耗。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种可提升空穴注入效率的fce二极管及制备方法，其可提升反向恢复阶段的空穴注入效率，降低阴极的接触效果，与现有工艺兼容，安全可靠。

2、按照本发明提供的技术方案，一种可提升空穴注入效率的fce二极管，所述fce二极管包括：

3、半导体衬底，呈n导电类型；

4、阳极结构，制备于所述半导体衬底的正面；

5、fce型阴极结构，制备于所述半导体衬底的背面，其中，所述fce型阴极结构包括阴极n+区、阴极p+区以及与半导体衬底适配电连接的阴极隔离金属；

6、阴极n+区通过阴极隔离金属与阴极p+区间隔，且阴极隔离金属与所间隔的阴极n+区以及阴极p+区均欧姆接触。

7、在半导体衬底的背面设置背面隔离沟槽，其中，

8、利用背面隔离沟槽将阴极n+区与相邻的阴极p+区间隔，且背面隔离沟槽的深度不小于阴极n+区、阴极p+区相应的厚度；

9、阴极隔离金属至少填充在背面隔离沟槽内。

10、所述半导体衬底包括n型漂移区以及邻接所述n型漂移区的n型缓冲层，其中，

11、阳极结构制备于n型漂移区上，

12、阴极n+区、阴极p+区位于n型缓冲层上，阴极隔离金属与n型缓冲层适配电连接。

13、所述阴极隔离金属与n型缓冲层接触电连接，

14、或者，

15、阴极隔离金属通过填充在背面隔离沟槽内的沟槽内填充连接体与n型缓冲层电连接，其中，

16、阴极隔离金属与n型缓冲层的接触电连接状态包括欧姆接触和/或肖特基接触。

17、阴极隔离金属与n型缓冲层的接触连接状态为肖特基接触或欧姆接触时，至少在n型缓冲层内设置接触连接区，其中，

18、接触连接区的导电类型与n型缓冲层的导电类型相一致；

19、所述接触连接区的掺杂浓度不低于n型缓冲层的掺杂浓度，接触连接区的深度不大于n型缓冲层的厚度；

20、在所述fce二极管的截面上，接触连接区的宽度不小于背面隔离沟槽的槽宽。

21、所述沟槽内填充连接体位于背面隔离沟槽的槽底，且沟槽内填充连接体的导电类型与接触连接区的导电类型相一致；

22、沟槽内填充连接体的掺杂浓度不低于接触连接区的掺杂浓度。

23、阴极隔离金属与n型缓冲层的接触电连接状态为肖特基接触时，阴极隔离金属与n型缓冲层直接接触。

24、一种可提升空穴注入效率的fce二极管的制备方法，其用于制备上述所述的fce二极管，其中，所述制备方法包括：

25、提供呈n导电类型的半导体衬底，并对所述半导体衬底依次进行正面工艺以及背面工艺，其中，利用正面工艺制备得到位于半导体衬底正面的阳极结构，利用背面工艺制备得到fce型阴极结构，

26、对制备得到的fce型阴极结构，包括阴极n+区、阴极p+区以及与半导体衬底适配电连接的阴极隔离金属；

27、阴极n+区通过阴极隔离金属与阴极p+区间隔，且阴极隔离金属与所间隔的阴极n+区以及阴极p+区均欧姆接触。

28、对制备得到fce型阴极结构的背面工艺，所述背面工艺包括：

29、制备得到n型缓冲层；

30、基于n型缓冲层制备得到阴极n+基区以及阴极p+基区，其中，阴极n+基区、阴极p+基区与n型缓冲层接触，且阴极n+基区与阴极p+基区接触；

31、对上述的阴极n+基区以及阴极p+基区进行沟槽刻蚀，以在沟槽刻蚀后形成背面隔离沟槽，并基于阴极n+基区形成阴极n+区，基于阴极p+基区形成阴极p+区，其中，背面隔离沟槽的槽深不小于阴极n+区、阴极p+区相应的厚度，利用背面隔离沟槽将阴极n+区与相邻的阴极p+区间隔；

32、进行阴极金属制备工艺，以至少制备得到阴极隔离金属，其中，所述阴极隔离金属至少填充在背面隔离沟槽内，阴极隔离金属与所填充背面隔离沟槽两侧阴极n+区以及阴极p+区均欧姆接触，阴极隔离金属与n型缓冲层适配电连接。

33、所述阴极隔离金属与n型缓冲层接触电连接，

34、或者，

35、阴极隔离金属通过填充在背面隔离沟槽内的沟槽内填充连接体与n型缓冲层电连接，其中，

36、阴极隔离金属与n型缓冲层的接触电连接状态包括欧姆接触和/或肖特基接触。

37、本发明的优点：用阴极隔离金属的间隔，避免了阴极n+区和阴极p+区相互接触而出现的杂质相互补偿，可降低阴极接触效果。在反向恢复阶段，阴极隔离金属可以避免部分空穴由阴极p+区注入到阴极n+区而不是半导体衬底内，此时，可提高阴极p+区向n型漂移区内注入空穴的效率。

38、在n型缓冲层内设置接触连接区，可通过调控接触连接区的掺杂浓度，实现与阴极隔离金属间的欧姆接触和/或肖特基接触；

39、fce二极管正向导通时，掺杂浓度较高的接触连接区可以终止阴极p+区和n型缓冲层之间的电场扩展，降低其对阴极n+区上方区域的影响，从而提高阴极n+区注入电子的效率，降低fce二极管的正向压降vf。

40、在反向恢复时，当接触连接区与阴极隔离金属之间为欧姆接触时，可以起到抽取载流子的作用，且接触连接区浓度越高，深度越深，抽取载流子速度越快。在反向恢复阶段的末期，可以使得阴极p+区、n型漂移区和阳极p+区之间形成的pnp晶体管更快关断，反向恢复末期由阴极p+区注入的空穴大量减少，从而可避免传统fce二极管有较长拖尾电流的问题，降低了反向恢复时间，降低了开关损耗。

41、在二极管反向耐压时，基于接触连接区，可降低背面pnp晶体管的增益，从而降低了fce型frd反偏时的空穴漏电流，提高了fce型frd的击穿电压。

42、当阴极隔离金属与接触连接区之间的接触形成肖特基接触时，电子由n型漂移区流向阴极隔离金属，在半导体中留下一个由耗尽施主形成的空间电荷区，并形成肖特基势垒阻挡电子通过。在反向恢复阶段，可以降低阴极n+区抽取载流子的效率，从而提高阴极p+区注入空穴的效率，提高反向恢复的软度。