锗硅异质结低正向压降高速二极管制造技术

本发明专利技术给出了一种新结构的ＳｉＧｅ异质结构Ｖ↓［Ｆ］高速二极管，其特征在于它采用ＳｉＧｅ多晶、ＳｉＧｅ赝晶、Ｓｉ单晶多层结构，从而使ＰＮ结的Ｖ↓［Ｆ］大大减小；当ＳｉＧｅ多晶中Ｇｅ组分足够大时，使本发明专利技术成为多子器件。本发明专利技术具有低Ｖ↓［Ｆ］，高的开关速度和工作频率等优点。本发明专利技术还给出了ＳｉＧｅ多晶中Ｇｅ组分的选取原则及本发明专利技术二极管中各层的设计原则。本发明专利技术器件工艺简单、重复性好，适合于工业化大生产。是一种性能好、实用性强的新型高速二极管。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属半导体器件
众所周知，硅PN结二极管的正向压降VF约为0.7～0.8V，由于双极工作模式，存在少子存储效应，使器件有开关速度慢、工作频率低等缺点，后来人们专利技术了肖特基势垒二极管(SBD)，以及PN结势垒控制肖特基二极管(JBS)，它们的VF＝0.55V，且为多子器件，使器件的开关速度和工作频率得到了提高，但是前者存在反向漏电流大，且随反偏增大而进一步增大的缺点，而后者对工艺和设备均有很高的要求(要求0.5μm以下的细线条)；在另一方面，锗(Ge)PN结二极管有低VF(约0.25V)，但它存在反向击穿电压VBR低的缺点，并与SiPN结类似为双极工作模式，开关速度慢；近年来，有人提出了锗硅(SiGe)/硅(Si)异质结二极管，它是在外延Si片上，设置有一层厚度小于临界厚度、其导电类型与外延Si相反的高浓度SiGe赝晶层，然后在其上直接形成并引出金属电极，制成SiGe/Si异质结二极管，由于器件结构的限制，该异质PN结的自建电势Vb，不能被有效减小，使SiGe/Si异质结二极管的正向特性比Si二极管的改进不大。本专利技术的目的在于提出一种新结构的锗硅异质结二极管，使它既具有低的VF，高的开关速度和工作频率，与Si器件相同的VBR，又具有工艺简单、重复性好，易于工业化大生产等特点。依据专利技术任务，本专利技术提出的SiGe异质结低VF高速二极管，其特征在于采用了高掺杂浓度的p+SiGe多晶(或n+SiGe多晶)作为二极管的正极(或负极)。其具体结构如附图说明图1所示，即在Si衬底低掺杂浓度外延层2的表面上设置有导电类型与其相同的SiGe赝晶层3和SiGe多晶层4，在所述的4层上还设置有导电类型与其相反的高掺杂浓度SiGe多晶层5，从所述的5层上形成金属电极并引出正极(或负极)，从Si衬底高掺杂浓度区1形成金属电极并引出负极(或正极)。其相对应于图1的能带图如图2。以p+SiGe/nSi二极管为例，从图2可以看出，SiGe/Si异质结界面处价带断裂△Ev，它将阻止空穴从SiGe区注入到Si区，即阻止少数载流子的注入，从而当Ge组份足够大时，即△Ev足够大时，可以把本专利技术器件看成一个多子器件，因此它具有高速度和高的工作频率。众所周知，二极管的自建电势Vb，与材料的禁带宽度Eg密切相关。Ge材料的Eg＝0.67eV，Ge PN结的Vbi约为0.25V；而Si材料的Eg＝1.18eV，SiPN结的Vbi约为0.7V。从图1，图2可以看出，本专利技术的异质结二极管在正偏时实质上可以被看成是由p+SiGe/nSiGe组成的pn结，其Vbi显然是介于Ge和SiGeP-N结的Vbi之间，可以实现的Vbi范围为0.25v≤Vbi≤0.5v，比Si材料的Vbi大大降低，其Vbi随SiGe材料中Ge组份的变化而有所改变，当Ge组份为100％时，SiGe材料变成Ge材料，则Vbi＝0.25V。当Si1层、2层上压降可忽略时，其VF＝Vbi＝0.25v，此特性是已有技术所述的SiGe二极管所不能实现的；而在反偏时，PN结耗尽区主要向n-Si区扩展，即n-Si区为器件耐压区。换言之，该器件具有Si二极管耐压VBR。众所周知，因Si的Eg较大，在相同掺杂浓度条件下，Si器件具有比Ge器件高得多的VBR。因此，本专利技术SiGe二极管，在正偏时具有Ge或SiGe器件优点，而在反偏时具有Si器件优点。在本专利技术中的SiGe材料中Ge组份X可以从1％～100％变化，调节Ge组份含量，即可调节△Ev的大小，就可根据实际需要折衷调节VF与工作频率之间的矛盾。当需要工作频率高时，增大Ge组份，可阻止空穴进入n-Si区；当需要VF低时，可降低Ge组份，让少量空穴进入n-区起到电导调制作用，使VF降低。具体的讲，对反向击穿电压VBR≤50v的低压器件，VF主要由异质结的自建电势Vbi决定，即VF≈Vbi，Eg愈小则Vbi愈小，VF愈小，故应选取较大的Ge组份X，一般应取0.3≤X≤1；对反向击穿电压VBR≥100v的高压器件，其VF由Vbi和n-耐压层上的压降Vn-决定，即VF＝Vbi+Vn-，当Vn-＞＞Vbi时，在满足使用频率的要求下，应适当降低Ge组份X，此时，X的取值一般为0.01≤X＜1。下面给出本专利技术的设计原则在本专利技术中，与Si衬底相同导电类型的SiGe赝晶层3的作用是减小或消除SiGe/Si异质结界面晶格的失配，从而减小或消除由此产生的界面态和缺陷引起的反向电流，此赝晶层的厚度为△SiGe，一般应小于形成赝晶的临界厚度，例如当SiGe材料中Ge组份X为0.4时，△siGe应小于100。本专利技术中与Si衬底相同导电类型的SiGe多晶层4的厚度为W1，其W1的选取原则是对单边突变结，零偏压下耗尽层宽度Xdo可表示为Xdo=(2ϵoϵ3/qN0)·Vb1]]>式中No为n-SiGe层的掺杂浓度εo为真空的介电常数ε3为SiGe的相对介电常数对反向击穿电压VBR≤50V的低压器件应当取W1≈Xdo，这样可使本专利技术中Vbi≈VF，而0.25v≤Vbi≤0.5v；对反向击穿电压VBR≥100v的高压器件一般取0＜W1＜Xdo，W1的减小有利于提高△Ev阻挡空穴进入n-Si区的能力，从而有利于提高器件速度。本专利技术中与Si衬底反型的高掺杂浓度SiGe多晶层5的厚度为W2。W2应能满足与其上的金属电极形成良好的欧姆接触。本专利技术中的SiGe层可采用化学汽相淀积(CVD)的方法生长，然后进行磷、砷或硼自掺杂形成，其工艺简单、工艺重复性好、适合工业化大生产。在SiGe3、4、5层中，Ge组份的分布可以是均匀的，也可是呈梯度分布，比如Ge组份从SiGe层3/Si层2界面到SiGe层5与金属电极界面处逐渐增大，成为梯度分布。当成梯度分布时，可形成对非平衡少子的加速电场，在关断瞬态中，该电场起到抽出非平衡少子的作用，从而可以提高器件速度。本专利技术所述的锗硅(SiGe)异质结低VF高速二极管具有低VF(0.25v≤Vbi≤0.5v)，反向漏电流小且与反偏增大无关，开关速度快和工作频率高等优点，与肖特基势垒二极管相比还具有寄生串联电阻小和等效电容小等优点，再加上制备工艺简单，工艺重复性好，适合于工业化大生产，是一种性能好、实用性强的低VF高速二极管。图1本专利技术的结构示意2相对于图1的异质结能带图(以p+SiGe-nSi二极管为例)图中1—高掺杂浓度Si衬底；2—Si外延层；3—与Si衬底1同型的SiGe赝晶层；4—与Si衬底1同型的SiGe多晶层；5—与Si衬底1反型的SiGe多晶层。结合图1给出具体实施例方式选用<100>晶向的n/n+Si外延片，其外延层p＝0.5Ω·cm，d＝6μm；在其n-Si面上用CVD方法外延一层n-SiGe赝晶层，其p＝0.5Ω·cm，△SiGe＝100，SiGe材料中Ge组份X＝0.35；然后用CVD方法在赝晶层上淀积一层n-Ge多晶层(即SiGe材料中Ge的X＝1)，其p＝0.5Ω·cm、W1＝2000A；在nGe上再用CVD方法淀积一层p+Ge多晶层(即SiGe材料中Ge X＝1)其NA＝1020cm-3，W2＝5000本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＳｉＧｅ异质结低Ｖ↓［Ｆ］高速二极管，包含一个负极和一个正极，其特征在于它包括：在外延Ｓｉ衬底的低掺杂浓度区（２）的表面上设置有导电类型与其相同的ＳｉＧｅ赝晶层（３）和ＳｉＧｅ多晶层（４），在所述的（４）层上还设置有导电类型与其相反的高掺杂浓度ＳｉＧｅ多晶层（５），从所述的（５）层上形成金属电极并引出正极（负极），从外延Ｓｉ衬底的高掺杂浓度区（１）形成金属电极并引出负极（正极）。

【技术特征摘要】
1.SiGe异质结低VF高速二极管，包含一个负极和一个正极，其特征在于它包括在外延Si衬底的低掺杂浓度区(2)的表面上设置有导电类型与其相同的SiGe赝晶层(3)和SiGe多晶层(4)，在所述的(4)层上还设置有导电类型与其相反的高掺杂浓度SiGe多晶层(5)，从所述的(5)层上形成金属电极并引出正极(负极)，从外延Si衬底的高掺杂浓度区(1)形成金属电极并引出负极(正极)。2.根据权利要求1所述的SiGe异质结低VF高速二极管，其特征在于所述的SiGe多晶层Ge组份X可在0.01≤X≤1变化。3.根据权利要求1所述的SiGe异质结低VF高速二极管，其特征在于所述的与Si衬底...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，粟雅娟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]