二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種二極管，并且尤其涉及要求擊穿電壓高和導(dǎo)通電阻低的二極管。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常已經(jīng)采用硅（Si)作為制造功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體材料。然而，低損耗、高 擊穿電壓和高操作速度的這種性能已接近于硅半導(dǎo)體元件的理論極限。
[0003] 將帶隙大于硅的半導(dǎo)體稱(chēng)為"寬帶隙半導(dǎo)體"。由于寬帶隙半導(dǎo)體，所以期望 顯著改善功率半導(dǎo)體元件的性能。例如，諸如碳化硅（SiC)或者氮化鎵（GaN)的寬帶 隙半導(dǎo)體作為功率半導(dǎo)體的材料已引起注意。例如，YoshitomoHatakeyama,Kazuki Nomoto,NaokiKaneda,ToshihiroKawano,TomoyoshiMishima,TohruNakamura，在 2011 年 12 月IEEEELECTONDEVICELETTERS,Vol. 32,No. 12,pp. 1674-1676 中"Over3. 0GW/ cm2Figure-〇f-MeritGaNp-nJunctionDiodesonFree-StandingGaNSubstrates, 〃中 已報(bào)告了形成在無(wú)支撐GaN襯底上的p-n結(jié)二極管的導(dǎo)通電阻特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 尤其是，關(guān)于功率二極管，主要評(píng)估導(dǎo)通電阻特性。導(dǎo)通電阻可以用于在二極管操 作期間評(píng)估二極管中的傳導(dǎo)損耗。然而，基于導(dǎo)通電阻難以評(píng)估二極管中的開(kāi)關(guān)損耗。通 過(guò)用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔu(píng)估二極管的開(kāi)關(guān)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)具有更好開(kāi)關(guān)特性的二極管。
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性的二極管。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的二極管包括有源層和用于向該有源層施加正向電壓和 反向電壓的第一和第二電極。在經(jīng)由第一和第二電極向有源層施加正向電壓時(shí)的二極管的 正向電流-電壓特性中，在與電流密度Jf對(duì)應(yīng)的電流值中的電壓關(guān)于電流的變化被定義為 正向?qū)娮鑂，電流密度Jf通過(guò)將有源層的電導(dǎo)率0 (單位：S/mm)乘以電場(chǎng)強(qiáng)度50(單 位：V/mm)得到。在經(jīng)由第一和第二電極向有源層施加反向電壓時(shí)的二極管的反向電流-電 壓特性中，與電流密度Jr對(duì)應(yīng)的電壓被定義為反向阻斷電壓(單位：V)，電流密度Jr 與電流密度Jf的1(T5倍一樣高。根據(jù)經(jīng)由第一和第二電極向二極管施加反向電壓時(shí)的二 極管的反向電容-電壓特性，通過(guò)在從0至V_的反向電壓的范圍中對(duì)反向電容積分得到 的電荷被定義為二極管的響應(yīng)電荷Q。在25°C的測(cè)量溫度下，正向?qū)娮鑂和響應(yīng)電荷 Q的乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡0. 24XV_ 2的關(guān)系。在這里，R的單位是，Q的單位是nC。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的二極管包括有源層和用于向該有源層施加正向電壓 和反向電壓的第一和第二電極。在經(jīng)由第一和第二電極向有源層施加正向電壓時(shí)的二極管 的正向電流-電壓特性中，在電流密度Jf為3(單位：A/mm2)時(shí)的電壓關(guān)于電流的變化被定 義為正向?qū)娮鑂，電流密度Jf通過(guò)將正向電流的值除以結(jié)界面面積得到。在經(jīng)由第一 和第二電極向有源層施加反向電壓時(shí)的二極管的反向電流-電壓特性中，與密度Jr對(duì)應(yīng)的 電壓被定義為反向阻斷電壓(單位：V)，密度Jr與電流密度Jf的1(T5倍一樣高。根據(jù) 在經(jīng)由第一和第二電極向二極管施加反向電壓時(shí)的二極管的反向電容-電壓特性，通過(guò)在 從〇至的反向電壓的范圍中對(duì)反向電容積分得到的電荷被定義為二極管的響應(yīng)電荷Q。 在25°C的測(cè)量溫度下，正向?qū)娮鑂和響應(yīng)電荷Q的乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡0. 24X 2的關(guān)系。在這里，R的單位是mD，Q的單位是nC。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性的二極管。
[0009] 結(jié)合附圖，從本發(fā)明的下面的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述的和其它目的、特征、方面 和優(yōu)勢(shì)將變得更加明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是示意性示出根據(jù)第一實(shí)施例的二極管的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0011] 圖2是示出二極管的正向電流-電壓特性的一個(gè)實(shí)例的圖。
[0012] 圖3是示出用于測(cè)量二極管的正向電流-電壓特性的配置的一個(gè)實(shí)例的圖。
[0013] 圖4是示出二極管的反向電流-電壓特性的一個(gè)實(shí)例的圖。
[0014] 圖5是示出用于測(cè)量二極管的反向電流-反向電壓特性的配置的一個(gè)實(shí)例的圖。
[0015] 圖6是示出用于測(cè)量二極管的反向電容-電壓（C-V)特性的電路的示意性配置的 圖。
[0016] 圖7是示出二極管的反向電容-電壓特性的一個(gè)實(shí)例的圖。
[0017] 圖8是示出實(shí)例1-1(600V級(jí)阻斷電壓器件）和實(shí)例1-2(1200V級(jí)阻斷電壓器件） 中的每一個(gè)中的五種樣品的導(dǎo)通電阻R-響應(yīng)電荷Q特性的圖。
[0018] 圖9是示出根據(jù)實(shí)例1-1和1-2的樣品的RQ乘積-VPM特性的圖。
[0019] 圖10是示出根據(jù)實(shí)例1-3和1-4的樣品的GR寬度-反向阻斷電壓特性的圖。
[0020] 圖11是示出根據(jù)實(shí)例1-3和1-4的樣品的GR寬度-響應(yīng)電荷Q特性的圖。
[0021] 圖12是示出RQ乘積-反向阻斷電壓V_特性的GR寬度依賴(lài)性的圖。
[0022] 圖13是示出圖12中所示的比例因子A的GR寬度依賴(lài)性的圖。
[0023] 圖14是示意性示出根據(jù)第二實(shí)施例的二極管的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0024] 圖15是示出根據(jù)實(shí)例2-1 (150V級(jí)阻斷電壓器件）、實(shí)例2-2 (80V級(jí)阻斷電壓器 件）和實(shí)例2-3(40V級(jí)阻斷電壓器件）的樣品的導(dǎo)通電阻R-響應(yīng)電荷Q特性的圖。
[0025] 圖16是示出根據(jù)實(shí)例2-1至2-3的樣品的RQ乘積-VPM特性的圖。
[0026] 圖17是示出RQ乘積-反向阻斷電壓V_特性的GR寬度依賴(lài)性的圖。
[0027] 圖18是示意性示出根據(jù)第四實(shí)施例的二極管的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0028] 圖19是示出根據(jù)實(shí)例4-1 (600V級(jí)阻斷電壓器件）和實(shí)例4-2 (1200V級(jí)阻斷電壓 器件）的樣品的導(dǎo)通電阻R-響應(yīng)電荷Q特性的圖。
[0029] 圖20是示出根據(jù)實(shí)例4-1和4-2的樣品的RQ乘積-VPM特性的圖。
[0030] 圖21是示出根據(jù)實(shí)例5-1和5-2的樣品的FP寬度-反向阻斷電壓特性的圖。
[0031] 圖22是示出根據(jù)實(shí)例5-1和5-2的樣品的FP寬度-響應(yīng)電荷Q特性的圖。
[0032] 圖23是示出RQ乘積-反向阻斷電壓V_特性的FP寬度依賴(lài)性的圖。
[0033] 圖24是示出圖23中所示的比例因子A的FP寬度依賴(lài)性的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] [該發(fā)明的實(shí)施例的描述]
[0035] 首先將列出并描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0036] (1)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的二極管包括有源層和用于向該有源層施加正向電 壓和反向電壓的第一和第二電極。在經(jīng)由第一和第二電極向有源層施加正向電壓時(shí)的二極 管的正向電流_電壓特性中，在與電流密度Jf對(duì)應(yīng)的電流值中的電壓關(guān)于電流的變化被定 義為正向?qū)娮鑂，電流密度Jf通過(guò)將有源層的電導(dǎo)率〇 (單位：S/mm)乘以電場(chǎng)強(qiáng)度 50 (單位：V/mm)得到。在經(jīng)由第一和第二電極向有源層施加反向電壓時(shí)的二極管的反向電 流-電壓特性中，與電流密度Jr對(duì)應(yīng)的電壓被定義為反向阻斷電壓(單位：V)，電流密 度Jr與電流密度Jf的10_5倍一樣高。根據(jù)在經(jīng)由第一和第二電極向二極管施加反向電壓 時(shí)的二極管的反向電容-電壓特性，通過(guò)在從〇至的反向電壓的范圍中對(duì)反向電容積 分得到的電荷被定義為二極管的響應(yīng)電荷Q。在25°C的測(cè)量溫度下，正向?qū)娮鑂和響 應(yīng)電荷Q的乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡0. 24XV_ 2的關(guān)系。在這里，R的單位是mD，Q的單位 是nC〇
[0037] 根據(jù)以上配置，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性的二極管。RQ乘積是表示二極管中總 損耗的良好指標(biāo)。此外，RQ乘積與反向阻斷電壓％w的平方成比例（R?Qv_ 2)。通過(guò) 將該比例因子設(shè)定為0. 24或更小，能夠?qū)崿F(xiàn)獲得降低損耗的二極管。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有 優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性的二極管。
[0038] (2)優(yōu)選地，乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡0? 1XV阻斷2的關(guān)系。
[0039] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用硅（Si)作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性 的二極管。
[0040] (3)優(yōu)選地，形成二極管的半導(dǎo)體材料是硅。
[0041] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用硅（Si)作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性 的二極管。
[0042] (4)優(yōu)選地，乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡4. 8X10_3XV阻斷2的關(guān)系。
[0043] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用寬帶隙半導(dǎo)體作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi) 關(guān)特性的二極管。
[0044] (5)更優(yōu)選地，形成二極管的半導(dǎo)體材料是碳化硅。
[0045] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用碳化硅（SiC)作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi) 關(guān)特性的二極管。
[0046] (6)優(yōu)選地，乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡1. 3X10_3XV阻斷2的關(guān)系。
[0047] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用寬帶隙半導(dǎo)體作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi) 關(guān)特性的二極管。
[0048] (7)更優(yōu)選地，形成二極管的半導(dǎo)體材料是氮化鎵。
[0049] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用氮化鎵（GaN)作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi) 關(guān)特性的二極管。
[0050] (8)優(yōu)選地，二極管包括形成在有源層中的邊緣終止結(jié)構(gòu)。該邊緣終止結(jié)構(gòu)具有不 小于5ym且不大于200ym的寬度。
[0051] 根據(jù)以上配置，在防止二極管的損耗顯著增加時(shí)能確保二極管的高阻斷電壓。
[0052] (9)根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的二極管包括有源層和用于向該有源層施加正向電 壓和反向電壓的第一和第二電極。在經(jīng)由第一和第二電極向有源層施加正向電壓時(shí)的二極 管的正向電流-電壓特性中，在電流密度Jf為3(單位：A/mm2)時(shí)的電壓關(guān)于電流的變化被 定義為正向?qū)娮鑂，電流密度Jf通過(guò)將正向電流的值除以結(jié)界面面積得到。在經(jīng)由第 一和第二電極向有源層施加反向電壓時(shí)的二極管的反向電流-電壓特性中，與密度Jr對(duì)應(yīng) 的電壓被定義為反向阻斷電壓(單位：V)，密度Jr與電流密度Jf的1(T5倍一樣高。根 據(jù)在經(jīng)由第一和第二電極向二極管施加反向電壓時(shí)的二極管的反向電容-電壓特性，通過(guò) 在從〇至的反向電壓的范圍中對(duì)反向電容積分得到的電荷被定義為二極管的響應(yīng)電荷 Q。在25°C的測(cè)量溫度下，正向?qū)娮鑂和響應(yīng)電荷Q的乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡0. 24XV 阻斷2的關(guān)系。在這里，R的單位是mD，Q的單位是nC。
[0053] 根據(jù)以上配置，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性的二極管。
[0054] (10)優(yōu)選地，乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡0. 1XVPM2的關(guān)系。
[0055] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用硅（Si)作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性 的二極管。
[0056] (11)優(yōu)選地，形成二極管的半導(dǎo)體材料是硅。
[0057] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用硅（Si)作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi)關(guān)特性 的二極管。
[0058] (12)優(yōu)選地，乘積R?Q滿(mǎn)足R?Q彡4. 8X10_3XV阻斷2的關(guān)系。
[0059] 根據(jù)以上配置，當(dāng)使用寬帶隙半導(dǎo)體作為二極管的材料時(shí)，能夠提供具有優(yōu)良開(kāi) 關(guān)特性的二極管。
[0060] (13)更優(yōu)選地