[發明專利]外延晶片、外延晶片制造方法、二極管及整流器

有效

• 申請號: 201910849997.0
• 申請日: 2019-09-02
• 公開（公告）號: CN110707148B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 理查德·內策爾;周國富
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/88;H01L21/329;H01L21/02;H02M7/06;B82Y40/00
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 曹桓

本申請提供一種外延晶片、外延晶片制造方法、二極管及整流器，其中，外延晶片中包括Si基底層；形成于所述Si基底層的絕緣層；形成于所述絕緣層遠離所述Si基底層的一面的氮化物半導體層；其中，所述絕緣層的厚度構造成在正向偏置電壓下，該絕緣層可以允許電子和空穴通過量子隧穿從該絕緣層一側穿至另一側與相應的空穴和電子復合，從而允許正向電流流動。在反向偏向下，該絕緣層可以阻礙自由電子和空穴的形成，從而阻塞反向電流。如此，使外延晶片具有了僅允許電流單向通過的特性，可以被制作成如二極管等于整流器件。

技術領域

本申請涉及半導體器件技術領域，具體而言，涉及一種外延晶片、外延晶片制造方法、二極管及整流器。

背景技術

二極管是一種半導體電子器件，其在正向偏置電壓下允許電流流動，而在反向偏置電壓下阻塞電流。通常，二極管可以為電子管、固態設備或者機械設備。二極管最重要的應用場景是電流整流器，其可以將交流電轉換為電腦、移動電話、電視機或其他日通電器所需的直流電。

在現代電子產品中，固態電流整流器件無處不在。固態電流整流器件可以是P-N結二極管或者金屬半導體結二極管(即，肖特基二極管)。在各種設計中，最常用的是P-N結二極管。

對于P-N結二極管，N型半導體(摻雜施主雜質)和P型半導體(摻雜受主雜質)接觸。在N型半導體中，自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。在P型半導體中，空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。因此，P-N結二極管被歸為雙極器件。N型半導體與P型半導體接觸后，自由電子從。N型半導體移動至P型半導體。相應地，空穴可以看作從P型半導體移動至N型半導體。這導致了與載流子的流動相反的電勢，直到流動停止在平衡狀態。這個過程確定了載流子耗盡區域的內建電壓。在正向外部偏置電壓下，負外部電動勢施加到N型半導體，正外部電動勢施加到P型半導體。在負外部電動勢與正外部電動勢間的電勢差接近內建電壓時，自由電子從N型半導體移動到P型半導體中，在那里與空穴復合。相應地，空穴可以看作從P型半導體移動到N型半導體中，并在那里與自由電子復合。隨著外部施加的偏置電壓呈指數增加，這產生了大的正向電流成，電流方向是由多數載流子決定的。導通電壓取決于使用的半導體的能隙，對于SiP-N結二極管，導通電壓通常是0.7V。在反向偏置電壓下，只有少數載流子從半導體移動到另一半導體。由于只有很少的少數載流子，反向電流很小。因此，利用允許大的正向電流通過而阻塞反向電流的特性可以實現整流，即僅允許一個方向上的電流流動。

肖特基二極管的工作于此不同，肖特基二極管是使用鍵合到N型半導體的金屬電極構成的純多數載流子器件，因此肖特基二極管被歸為單極器件。對于肖特基二極管，在正向偏置電壓下，電子從半導體流向金屬，導致電流隨偏置電壓的階躍增長。電流取決于在金屬半導體界面處形成的肖特基勢壘。導通電壓通常約為0.3-0.5V，具體取決于所使用的金屬。在負向偏置電壓下，電流被肖特基勢壘阻塞，并且在半導體中形成隨偏置電壓的增加而延伸的耗盡區。由于沒有P型半導體材料，因此肖特基二極管不存在少數載流子。

目前，P-N結二極管和肖特基二極管是僅有的固態電流整流器件，它們都基于有形成半導體到半導體結或半導體到金屬結建立能量勢壘。

發明內容

本申請的目的之一在于提供一種工作原理與P-N結二極管及肖特基二極管不同的二極管、用于制造該二極管的外延晶片及其制造方法、以及使用該二極管的整流器。

第一方面，本申請提供一種外延晶片，所述外延晶片包括：

Si基底層；

形成于所述Si基底層的絕緣層；

形成于所述絕緣層遠離所述Si基底層的一面的氮化物半導體層；

其中，所述絕緣層的厚度構造成允許自由電子通過量子隧穿穿過該絕緣層。

可選地，在上述外延晶片中，所述絕緣層為SiN_x薄膜層。