一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法，包括：本征金刚石衬底；第一P型金刚石层，位于本征金刚石衬底上；本征金刚石层，位于第一P型金刚石层的中心；欧姆电极，位于第一P型金刚石层上且环绕本征金刚石层；第二P型金刚石层，位于本征金刚石层上，本征金刚石层与第二P型金刚石层共同形成台面结构；肖特基电极，位于第二P型金刚石层上。该雪崩二极管通过采用金刚石作为雪崩二极管的衬底材料，并使得二极管形成贋竖式PIP结构，提高了雪崩二极管的雪崩发生几率、击穿电压、工作电流及响应速度，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。短脉冲下具有稳定复现的高击穿场强。短脉冲下具有稳定复现的高击穿场强。

【技术实现步骤摘要】
一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]脉冲功率系统将很高的能量(通常为几百千焦耳至几十兆焦耳)储存在储能元件
中，然后通过雪崩二极管等快速开关将此能量在很短的时间内释放到负载上，以得到极高的瞬时输出功率，因此，对于雪崩二极管来讲，大的击穿电压、快的脉冲响应速度、高的重复频率以及良好的散热性极为重要。这些问题一方面可以通过电路设计来改善，另一方面可以通过优化脉冲功率器件采用的半导体材料和器件结构、获得更好的器件性能来解决。
[0007]金刚石材料具有10MV/cm的理论击穿场强、优良的载流子迁移率、较小的介电常数以及自然界中最高的热导率。因此，利用金刚石材料来制备雪崩二极管，将具有单片电压高，脉冲响应快且散热特性极佳的优点，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，非常适合作为高重频短脉冲脉冲功率源开关。
[0008]雪崩二极管的标准结构应具有PIN结，而金刚石半导体材料体掺杂较难激活的研究现状导致金刚石半导体通常难以制备PN结或者PIN结构。目前在金刚石中形成有效P型和N型掺杂的杂质主要为硼和磷，其电离能分别为0.3eV和0.57eV，室温下电离率硼约10-2
～10-3
，磷约10-5
～10-6
，难以形成室温高电导，因此金刚石PN结或PIN结构二极管的研究报告较少。目前还没有专门工作在雪崩/关断状态、输出高重频短脉冲的金刚石雪崩二极管的研究，如何制作雪崩状态可控且在高重频短脉冲下稳定复现的高击穿场强金刚石雪崩二极管仍需要不断探索。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种赝竖式金刚石雪崩二极管及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0010]本专利技术实施例提供了一种赝竖式金刚石雪崩二极管，包括：
[0011]本征金刚石衬底；
[0012]第一P型金刚石层，位于所述本征金刚石衬底上；
[0013]本征金刚石层，位于所述第一P型金刚石层的中心；
[0014]欧姆电极，位于所述第一P型金刚石层上且环绕所述本征金刚石层；
[0015]第二P型金刚石层，位于所述本征金刚石层上，所述本征金刚石层与所述第二P型金刚石层共同形成台面结构；
[0016]肖特基电极，位于所述第二P型金刚石层上。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述本征金刚石衬底的材料采用单晶结构的金刚石。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述本征金刚石层的厚度为5～20μm。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述第一P型金刚石层和所述第二P型金刚石层的掺杂元素均为硼，且所述第一P型金刚石层的掺杂浓度大于所述第二P型金刚石层的掺杂浓度。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述欧姆电极的材料包括钛、铑、钯、铂、金中的一种或多种，所述肖特基电极的材料包括锆、铝、金、铂中的一种或多种。
[0021]本专利技术的另一个实施例提供了一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法，包括步骤：
[0022]S1、在本征金刚石衬底上生长第一P型金刚石层；
[0023]S2、在所述第一P型金刚石层上外延生长本征金刚石层；
[0024]S3、在所述本征金刚石层上生长第二P型金刚石层；
[0025]S4、对所述本征金刚石层和所述第二P型金刚石层进行刻蚀，形成位于所述第一P
型金刚石层中心的台面结构；
[0026]S5、在所述第一P型金刚石层上制备欧姆电极，使所述欧姆电极环绕所述台面结构；
[0027]S6、在所述第二P型金刚石层上制备肖特基电极。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种赝竖式金刚石雪崩二极管，其特征在于，包括：本征金刚石衬底(1)；第一P型金刚石层(2)，位于所述本征金刚石衬底(1)上；本征金刚石层(3)，位于所述第一P型金刚石层(2)的中心；欧姆电极(4)，位于所述第一P型金刚石层(2)上且环绕所述本征金刚石层(3)；第二P型金刚石层(5)，位于所述本征金刚石层(3)上，所述本征金刚石层(3)与所述第二P型金刚石层(5)共同形成台面结构；肖特基电极(6)，位于所述第二P型金刚石层(5)上。2.如权利要求1所述的赝竖式金刚石雪崩二极管，其特征在于，所述本征金刚石衬底(1)的材料采用单晶结构的金刚石。3.如权利要求1所述的赝竖式金刚石雪崩二极管，其特征在于，所述本征金刚石层(3)的厚度为5～20μm。4.如权利要求1所述的赝竖式金刚石雪崩二极管，其特征在于，所述第一P型金刚石层(2)和所述第二P型金刚石层(5)的掺杂元素均为硼，且所述第一P型金刚石层(2)的掺杂浓度大于所述第二P型金刚石层(5)的掺杂浓度。5.如权利要求1所述的赝竖式金刚石雪崩二极管，其特征在于，所述欧姆电极(4)的材料包括钛、铑、钯、铂、金中的一种或多种，所述肖特基电极(6)的材料包括锆、铝、金、铂中的一种或多种。6.一种赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、在本征金刚石衬底(1)上生长第一P型金刚石层(2)；S2、在所述第一P型金刚石层(2)上外延生长本征金刚石层(3)；S3、在所述本征金刚石层(3)上生长第二P型金刚石层(5)；S4、对所述本征金刚石层(3)和所述第二P型金刚石层(5)进行刻蚀，形成位于所述第一P型金刚石层(2)中心的台面结构；S5、在所述第一P型金刚石层(2)上制备欧姆电极(4)，使所述欧姆电极(4)环绕所述台面结构；S6、在所述第二P型金刚石层(5)上制备肖特基电极(6)。7.如权利要求6所述的赝竖式金刚石雪崩二极管的制备方法，其特征在于，步骤S1包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：何琦，张金风，任泽阳，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：