CN101366124A - 超快恢复二极管 - Google Patents

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Abstract

一种超快恢复二极管。在第一实施例中，整流器件包括：第一极性的衬底；连接至衬底的第一极性的轻掺杂层；以及设置有轻掺杂层的金属化层。该超快恢复二极管包括：形成在轻掺杂层中的彼此分离的多个阱，其包括第二极性的掺杂质。多个阱连接至金属化层。超快恢复二极管还包括位于多个阱中的各个阱之间的多个区，其比轻掺杂层更重地掺杂第一极性。

Description

超快恢复二极管
技术领域
本申请涉及2004年6月15提交的属于Yu和Lin的名为“ShottkyBarrier Rectifier and Method of Manufacturing the Same”的第10/869，718号共同未决的共有美国专利申请，其全部内容结合于此作为参考。
背景技术
在开关式电源的效率中的一个重要因素是用于这中电路中的二极管的性能。更具体地，这种二极管的反向恢复可以降低这种电源中的晶体管开关的导通损耗。例如，在开启开关期间，反向恢复瞬变电流作为额外的电流组分出现，因此开关的导通损耗比其另外没有这种反向恢复组分的情况下的导通损耗高得多。因此，对于改善开关式电源的效率来说，减少金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)体二极管反向恢复电荷(Qrr)和/或减少反向恢复时间(trr)是重要的。
然而，不走运地是，如果反向恢复太突然，则电流和电压将经历不良振荡。这种振荡可以导致(例如)，低效电源运转、有害噪声输出(例如，电源波纹和/或电磁干扰)、和/或极高的并且可能是破坏性的电压尖峰信号(voltage spike)。
发明内容
因此，非常期待保持软恢复特性的具有减少的反向恢复电荷的快恢复二极管。还存在这样的期待：满足之前确定的对可以按照沟槽或平面形式(version)而形成的超快恢复二极管的期望。还存在另一种期待：满足之前确定的对按照与传统半导体制造工艺和设备兼容并互补(complimentary)的方式的期望。
因此，公开了一种超快恢复二极管。在第一实施例中，整流器件包括第一极性的衬底、连接至衬底的第一极性的轻掺杂层、以及设置有该轻掺杂层的金属化层。超快恢复二极管包括形成在轻掺杂层中的彼此分离的多个阱，该多个阱包括第二极性的掺杂质。多个阱连接至金属化层。超快恢复二极管还包括位于所述多个阱中的各个阱之间的多个区，其具有比轻掺杂层更重的第一极性掺杂。
根据本发明的另一实施例，半导体器件包括整流器，其中，该整流器包括连接至可接触的金属层的多个P型阱。在整流器的正向偏压条件下多个P型阱向多个P型阱之间的沟道区注入空穴。在整流器的反向偏压条件下多个P型阱夹断沟道区。半导体器件还包括位于多个P型阱之间的多个N型阱。多个N型阱抑制来自多个P型阱的少数载流子注入。
附图说明
在附图的多个图中以实例的方式而不是以限制的方式示出本发明的实施例，其中，相同的参考标号表示相同的元件，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的超快恢复二极管的侧面截面图。
图2示出了根据本发明的可替换实施例的超快恢复二极管的侧面截面图。
图3示出了根据本发明实施例的示例性的电流和时间恢复特性的关系。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细地参考，本发明实例将在附图中示出。尽管将结合这些实施例来描述本发明，但是应当理解它们不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可以包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内的替换、改变、及等价物。此外，在本发明的以下详细描述中，给出了许多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，应当理解没有这些特定细节也可以实施本发明。在其他实例中，为了避免不必要地模糊本发明的多个方面，没有详细描述已知的方法、步骤、组件、及电路。
图1示出了根据本发明的实施例的超快恢复二极管100的侧面截面图。二极管100形成在N外延层180中。二极管100包括具有氧化物侧壁120的多个沟槽110。包括(例如)钨或多晶硅的导电塞130埋置沟槽110，该导电塞将阳极金属化(anode metallization)140(例如，阳极触点)与p阱150连接起来。P阱区150位于沟槽110之下。P阱区150被设计作为弱阳极(weak anode)。阳极140通常包括铝，在一些实施例中，还可以包括约百分之一的硅。
二极管100的沟槽110具有约0.3微米至0.7微米的示例性深度。二极管100的沟槽110具有约0.3微米至0.6微米的示例性宽度。沟槽110具有约0.6微米至1.3微米的示例性间距。应当理解，根据本发明的实施例也完全地适合于其他尺度。
根据本发明的实施例，多个p阱150之间的区包括n型掺杂质，称为“n沟道增强”160。N沟道增强160包括约1.0 x 1015原子/立方厘米至2.0 x 1016原子/立方厘米的示例性掺杂。应当了解，这种掺杂级通常高于N外延层180的掺杂级。在阳极金属140和N外延层180之间形成肖特基势垒170。可以通过(例如)邻近于N外延层处所设置的铝(例如，邻近于N外延层180处设置的包括铝的阳极金属140)的固有特性来形成肖特基势垒170。根据本发明的实施例完全地适应于肖特基势垒170的其他形式。
应当了解，在反向偏压条件下，肖特基势垒通常易于泄漏。然而，根据本发明的实施例，在反向偏压情况下，p阱150夹断(例如在多个P阱150之间形成耗尽区)，确保了所期望的二极管100的击穿电压和低泄漏。有利地，二极管100的n沟道特性导致改善的反向恢复。对于这种改善的反向恢复的一个机理被认为是抑制来自p阱150的少数载流子注入。
图2示出了根据本发明实施例的超快恢复二极管200的侧面截面图。在N外延层280中形成二极管200。二极管200包括多个P阱区250。应当了解，P阱区250与阳极金属化240接触。P阱区250被设计作为弱阳极。例如，可以按照与多个沟槽110(图1)的间距类似的间距来构造多个P阱区250，例如，约0.6微米至1.3微米的间距。阳极240通常包括铝，在一些实施例中，还可以包括约百分之一的硅。
根据本发明的实施例，多个p阱250之间的区包括n型掺杂质，称为“n沟道增强”260。N沟道增强260包括约1.0 x 1015原子/立方厘米至2.0 x 1016原子/立方厘米的示例性掺杂。应当了解，这种掺杂级通常高于N外延层280的掺杂级。在阳极金属240和N外延层280之间形成肖特基势垒270。可以通过(例如)邻近于N外延层处所设置的铝(例如，邻近于N外延层280处设置的包括铝的阳极金属240)的固有特性来形成肖特基势垒270。根据本发明的实施例完全地适应于肖特基势垒270的其他形式。
根据本发明的实施例，按照与之前根据图1描述的二极管100的方式相类似的方式，在反向偏压的情况下，p阱250夹断(例如，在多个P阱250之间形成耗尽区)，确保了所期望的二极管200的低泄漏和击穿电压。有利地，二极管200的n沟道特性导致改善的反向恢复。对于这种改善的反向恢复的一个机理被认为是抑制来自p阱250的少数载流子注入。
可以将二极管100和200理解为包括与和结型场效应晶体管(JFET)沟道和P本征N(PiN)二极管的基极区相串联的肖特基二极管。通过来自JFET的栅极的少数载流子注入来导电地调节PiN二极管。由于期望将肖特基势垒区域与PiN区域的比值增加至大于1，因此应当利用相对精细的工艺几何结构来构造二极管100和200。另外，相比于在相应于较大的工艺几何结构的较大的沟槽下方的p阱的掺杂，精细的工艺几何结构使设置在沟槽下方的p阱(例如，图1的p阱150)的掺杂更加容易。
现在从功能上对二极管100(图1)和200(图2)进行描述。JFET沟道形成在多个P阱之间。在正向偏压条件下，P阱向JFET沟道注入空穴。这些额外的空穴降低了JFET沟道的电阻，提高了整流器的肖特基区中的正向传导。金属和N外延之间的肖特基二极管的特征在于与PN二极管相比其具有约0.3伏特的较低的正向压降。当JFET沟道上的压降达到约0.6伏特时，P阱开始注入空穴。N沟道增强区降低了JFET沟道中的电阻，从而延迟了p阱的正向偏压条件的发生。在这种情况下，多数电流流过JFET沟道。较少的少数载流子导致少数载流子的密度降低，在反向恢复器件的性能方面产生了有利的改善。
在反向偏压的条件下，在P阱周围形成耗尽区。最终，这些耗尽区彼此重迭，导致了JFET沟道的“夹断”。
有利地，根据本发明的实施例的特性在很大程度上由器件的几何形状来控制而不是由掺杂工艺来控制。一般而言，掺杂工艺会产生掺杂物密度的变化分布，因此几何工艺通常更加精确。
应当理解，通过例如包括少数载流子寿命减少(例如，包括电子放射，氩、氦、或氢离子注入)或重金属扩散(例如铂或金)多种公知技术的单一或多种结合，根据本发明的实施例完全地适合于性能调节。
图3示出了根据本发明的实施例的示例性的电流与时间的恢复特性300。恢复特性310代表在传统技术中所已知的示例性的600伏特超快二极管的反向恢复特性。应当了解，恢复特性包括约3安培的最大反向电流和约3 x 10-8秒的持续时间。
恢复特性320代表根据本发明的实施例的示例性的600伏特二极管的反向恢复特性。应当了解，相比于传统二极管的特性310，该二极管的恢复特性包括小得多的电流。恢复特性320示出了约1.3安培的最大反向电流。有利地，在持续时间上，该恢复持续时间(例如，约4.5 x 10-8秒)稍微长于特性310的恢复持续时间。
恢复特性330代表根据本发明的实施例的第二个示例性的600伏特二极管的反向恢复特性。应当了解，相比于传统二极管的特性310，该二极管的恢复特性包括小得多的电流。恢复特性320示出了约0.8安培的最大反向电流。有利地，在持续时间上，该恢复持续时间(例如，约4.5 x 10-8秒)稍微长于特性310的恢复持续时间。
应当了解，本发明的实施例完全地适合于利用与本文所描述的那些材料的极性相反的材料来构造。认为这些可替换的实施例处于本发明的范围之内。
根据本发明的实施例，提供了一种保持软恢复特性的具有减少的反向恢复电荷的超快恢复二极管。根据本发明的其他实施例提供了之前确定的可以按照沟槽的或平面的形式而形成的超快恢复二极管中的特征。根据本发明的又一些实施例提供了之前确定的按照与传统半导体制造工艺和设备兼容并互补(complimentary)方式的特征。
从而描述了根据本发明的实施例，超快恢复二极管。尽管以特定的实施例描述了本发明，但是，应当了解，不应当将本发明解释为局限于这些实施例，而应当解释为根据以下的权利要求。

Claims (20)

1.一种超快二极管，包括：
第一极性的衬底；
所述第一极性的轻掺杂层，连接至所述衬底；
金属化层，设置有所述轻掺杂层；
彼此分离的多个阱，所述多个阱形成在所述轻掺杂层中，所述多个阱包括第二极性的掺杂质，其中，所述多个阱连接至所述金属化层；以及
多个区，位于所述多个阱中的各个阱之间，所述多个区比所述轻掺杂层更重地掺杂所述第一极性。
2.根据权利要求1所述的超快二极管，其中，所述第一极性为负(n型)。
3.根据权利要求1所述的超快二极管，其中，所述轻掺杂层是外延层。
4.根据权利要求1所述的超快二极管，其中，所述金属化层包括铝。
5.根据权利要求4所述的超快二极管，其中，所述金属化层包括硅。
6.根据权利要求1所述的超快二极管，还包括在所述金属化层和所述轻掺杂层之间的肖特基势垒。
7.根据权利要求1所述的超快二极管，还包括PiN区域，其中，所述肖特基势垒的区域和所述PiN区域的比值大于1.0。
8.根据权利要求1所述的超快二极管，其中，所述多个阱之间的间距小于约1.0微米。
9.一种整流器件，包括：
第一极性的衬底；
所述第一极性的轻掺杂层，连接至所述衬底；
金属化层，设置有所述轻掺杂层；
多个沟槽，垂直凹进到所述轻掺杂层中，其中，所述多个沟槽中的每个沟槽均埋置有导电材料；
彼此分离的多个阱，形成在所述多个沟槽下方并邻近于所述多个沟槽，所述多个阱包括第二极性的掺杂质，其中，所述多个阱经由所述导电材料连接至所述金属化层；以及
多个区，位于所述多个阱中的各个阱之间，所述多个区比所述轻掺杂层更重地掺杂所述第一极性。
10.根据权利要求9所述的整流器件，还包括在所述多个沟槽中的每个沟槽上形成氧化物侧壁的氧化物层。
11.根据权利要求9所述的整流器件，其中，所述第一极性为负(n型)。
12.根据权利要求9所述的整流器件，其中，所述轻掺杂层是外延层。
13.根据权利要求9所述的整流器件，其中，所述金属化层包括铝。
14.根据权利要求13所述的整流器件，其中，所述金属化层包括硅。
15.根据权利要求9所述的整流器件，还包括在所述金属化层和所述轻掺杂层之间的肖特基势垒。
16.根据权利要求8所述的整流器件，还包括PiN区域，其中，所述肖特基势垒的区域与所述PiN区域的比值大于1.0。
17.根据权利要求8所述的整流器件，其中，所述多个沟槽之间的间距小于约1.0微米。
18.根据权利要求8所述的整流器件，其中，所述多个沟槽之间的深度小于约0.9微米。
19.一种半导体器件，包括：
整流器，包括：
多个P型阱，连接至可接触金属层，所述多个P型阱用于在所述整流器的正向偏压条件下将空穴注入到所述多个P型阱之间的沟道区中，以及所述多个P型阱还用于在所述整流器的反向偏压条件下夹断所述沟道区；以及
多个N型阱，位于所述多个P型阱之间，其中，所述多个N型阱用于抑制来自所述多个P型阱的少数载流子注入。
20.根据权利要求19所述的半导体器件，其中，所述多个N型阱的掺杂级约为1.0 x 1015原子/立方厘米至2.0 x 1016原子/立方厘米。
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