CN102117839B - 一种包含pn结的半导体电子器件 - Google Patents

Abstract

本发明适用于半导体器件领域，提供了一种包含PN结的半导体电子器件，所述PN结包括若干个子结构；在P区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N-区方向为先增后减分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N-区方向为先减后增分布；在N-区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先减后增分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先增后减分布。本发明从改变P区和N-区的掺杂浓度分布、寿命分布入手来实现抑制位移电流的效果，使平稳度参数得到优化。

Description

一种包含PN结的半导体电子器件

技术领域

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种包含PN结的半导体电子器件。

背景技术

半导体电子器件除具有比较重要的耐压、反向漏电和通态压降等静态参数外，其恢复速度、软度与平稳度等动态参数也非常重要，恢复速度决定了其应用领域的频带宽度，软度与平稳度则决定了其应用的安全性与可靠性。平稳度主要反映电子器件对电路电感、开关等随机因素抗干扰程度的物理量，对电感、开关等的变化越敏感，平稳度越差，平稳度好的电子器件，恢复波形(电流波形或者电压波形)恒定，不随电路参数变化而有明显变化。

半导体电子器件的理想电流反应比较平滑，而实际中因开关、电感等因素的影响，实际电子反应曲线在变化时具有电流尖峰。目前对半导体电子器件的参数优化往往局限于静态参数、恢复时间与软度之间，忽视了由位移电流而引起的很差的平稳度。因此在实际应用中少有例外地不出现位移电流引起的电流电压尖峰。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种包含PN结的半导体电子器件，旨在抑制位移电流，使平稳度参数得到优化。

本发明实施例是这样实现的，一种包含PN结的半导体电子器件，所述PN结的P区浓度或寿命的相反数沿N区方向呈先增后减分布，所述PN结的N区的浓度或寿命的相反数沿P区方向呈先减后增分布。

本发明实施例还提供了一种包含PN结的半导体电子器件，所述PN结的P区浓度或寿命的相反数沿N区方向呈先减后增分布，所述PN结的N区的浓度或寿命的相反数沿P区方向呈先增后减分布。

本发明实施例还提供了一种包含PN结的半导体电子器件，其特征在于，所述PN结包括若干个子结构；

在P区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N区方向为先增后减分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N区方向为先减后增分布；

在N区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先减后增分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先增后减分布。

本发明实施例中，从改变P区和N区的掺杂浓度分布、寿命分布入手来实现抑制位移电流的效果，可以使P区浓度或寿命的相反数沿N区方向为先增后减分布，而N区的浓度或寿命的相反数则沿P区结方向为先减后增分布，实现抑制正向恢复时位移电流的效果；也可以使P区浓度或寿命的相反数沿N区方向为先减后增分布，而N区的浓度或寿命的相反数则沿P区方向为先增后减分布，实现抑制反向恢复时位移电流的效果；还可以同时采用两种技术手段来同时实现抑制正向、反向恢复时位移电流的效果。最终达到部分或全部抑制位移电流的目的，使平稳度参数得到优化。

附图说明

图1A是本发明实施例提供的正向恢复时

随坐标轴x变化的波形图；

图1B是本发明实施例提供的正向恢复时PN-N结构的位移电流的方向；

图2A是本发明实施例提供的反向恢复时

随坐标轴x变化的波形图；

图2B是本发明实施例提供的反向恢复时PN-N结构的位移电流的方向；

图3A是本发明实施例提供的正向恢复时位移电流的变化曲线图；

图3B是本发明实施例提供的正向恢复时p型掺杂浓度值的变化曲线图；

图3C是本发明实施例提供的正向恢复时n型掺杂浓度值的变化曲线图；

图3D是本发明实施例提供的正向恢复时FRD的p型掺杂浓度值、n型掺杂浓度值以及寿命曲线示意图；

图4A是本发明实施例提供的反向恢复时位移电流的变化曲线图；

图4B是本发明实施例提供的反向恢复时p型掺杂浓度值的变化曲线图；

图4C是本发明实施例提供的反向恢复时n型掺杂浓度值的变化曲线图；

图4D是本发明实施例提供的反向恢复时FRD的p型掺杂浓度值、n型掺杂浓度值以及寿命曲线示意图；

图5A是本发明实施例提供的FRD整体掺杂和寿命纵向分布示意图；

图5B是图5A所示结构的剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，根据位移电流密度在电子器件正向恢复和反向恢复时的指向，以及n型掺杂浓度与其有效值的关系、p型掺杂浓度与其有效值的关系，来改变N区和P区中的浓度分布或寿命分布。

考虑到传导电流不会破坏传导区域的整体电中性，因而不会成为有效的贡献电荷去影响掺杂浓度的有效值N_eff；但相同电场下空穴注入与撤离得比电子慢(硅中空穴迁移率低于电子)，造成了正向恢复时n型掺杂浓度的有效值N_deff＜n型掺杂浓度值N_d、反向恢复时n型掺杂浓度的有效值N_deff＞n型掺杂浓度值N_d。传统的半导体电子器件(如快速恢复二极管FRD)的设计方案中n型掺杂浓度值N_d基本不变或因扩散而单调变化，必然引起有效值N_deff较N_d较大范围内波动和耗尽层宽度较大范围内的波动以及由此而引发的恢复振荡的趋势。p型掺杂浓度值N_a与其有效值N_aeff之间也有类似问题，p型掺杂浓度有效值N_aeff的波动方向与n型掺杂浓度的有效值N_deff的波动方向相反。

PN结处的位移电流密度J_d、n型掺杂浓度的有效值N_deff、p型掺杂浓度有效值N_aeff的计算过程如下：

以PN结所在位置为坐标原点、PN结方向为x轴正方向建立x轴，阳极对应x＝-a，阴极对应x＝c，则有：

$\left.\begin{array}{c}{J}_d\left(c\right)\≈0\\ J_d\left(x\right)=\frac{\∂}{\∂t}\left[\mathrm{\ϵE}\left(x\right)\right]\\ E\left(x\right)-E\left(0\right)=\frac{q}{\mathrm{\ϵ}}{\∫}_0^x(p-n+N_d)\mathrm{dx}\end{array}\right\}\⇒J_d\left(x\right)-J_d\left(0\right)=q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^x(p-n)\mathrm{dx}$

$\stackrel{.}{..}{J}_d\left(c\right)-J_d\left(0\right)=q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^c(p-n)\mathrm{dx}\⇒J_d\left(0\right)=-q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^c(p-n)\mathrm{dx}$

又

其中，J_d为位移电流密度，ε为介电常数，E为电场强度，q为电子电量，p为空穴浓度，n为电子浓度，N_d为n型掺杂浓度值，N_deff为n型掺杂浓度有效值，v_s为载流子定向移动速率。

$\stackrel{.}{..}{J}_d\left(0\right)-J_d(-a)=q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_{-a}^0(p-n)\mathrm{dx}\⇒J_d\left(0\right)=-q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^{-a}(p-n)\mathrm{dx}$

又

又x＝0处N_d＝N_a，若N_deff(0)＝N_aeff(0)则 $-q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^c(p-n)\mathrm{dx}=q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^{-a}(p-n)\mathrm{dx}$

其中，N_a为p型掺杂浓度值，N_aeff为p型掺杂浓度有效值。

由上述两组公式推导，有：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_d\left(0\right)=-q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^c(p-n)\mathrm{dx}\\ J_d\left(0\right)=-q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^{-a}(p-n)\mathrm{dx}\end{array}\right.,$ 即 $\left\{\begin{array}{c}{J}_d\left(0\right)=q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_c^0(p-n)\mathrm{dx}\\ J_d\left(0\right)=q\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_{-a}^0(p-n)\mathrm{dx}\end{array}\right.$

正向恢复初始时，空穴在阳极的扩散漂移速度小于在阴极被抽取的速度，电子在阴极的扩散漂移速度小于在阳极被抽取的速度，又由于硅中电子迁移率高于空穴，出现n值相对p值减小，即

这导致位移电流J_d的方向从阴阳两极指向x＝0。同时由于阳极中的电子很快填满，随着耗尽层的变窄空穴较容易通过阳极到达阴极，由于硅中电子迁移率高于空穴，阴极区电子增加而空穴变化比较缓慢，出现正电荷的净减少，N_deff＜N_d；阳极区过剩空穴虽然正被注入，但由于往阴极区的补充而变化缓慢，另外由于硅中电子迁移率高于空穴、电子被收集速率高于空穴变化速率，出现负电荷净积累，N_aeff＞N_a。图1A为

随坐标轴x变化的波形图，图1B则以一PN-N的结构为例示出了位移电流J_d的方向，其中电子积累量相当于N_d的减少量。

反向恢复初始时，电子在阳极的扩散漂移速度大于在阴极被抽取的速度，空穴在阴极的扩散漂移速度小于在阳极被抽取的速度，又由于硅中电子迁移率高于空穴，出现n值相对p值增加，即

这导致J_d方向以x＝0为界指向阴阳两极；同时由于阳极中的过剩电子已被电场驱赶的所剩无几，随着耗尽层的扩展空穴较容易通过阴极到达阳极，由于硅中电子迁移率高于空穴，阴极区电子锐减而空穴变化比较缓慢，出现正电荷的净积累，N_deff＞N_d；阳极区过剩空穴虽然正被收集，但由于阴极区空穴的补充而变化缓慢，另外由于硅中电子迁移率高于空穴、电子被驱赶速率高于空穴变化速率，出现负电荷净减少，N_aeff＜N_a。图2A为

随坐标轴x变化的波形图，图2B则以一PN-N的结构为例示出了位移电流J_d的方向，其中空穴积累量相当于N_d的增加量。

由以上分析可以看出，针对在正向恢复和反向恢复过程中P区和N区的掺杂浓度的有效值分布，可以从改变P区和N区的掺杂浓度分布、寿命分布入手来实现抑制位移电流的效果，其中寿命是指少数载流子寿命，指少数载流子从产生到被复合所经历的平均时间，常见的有以下几种方式来改变P区或N区少数载流子的寿命分布：(1)重金属掺杂方式：如扩铂；(2)电子辐照方式：将制成的成品置于辐照转场中，用高能电子进行轰击，使半导体中的硅原子脱离正常格点位置而形成氧空位、磷空位、双空位等，并相应在硅禁带内形成各种深能级复合中心。电子辐照的特点是通过对电子注入剂量的调节精确控制少子寿命，但由于电子体积比原子小很多，故电子辐照方向少子寿命一致而很难多变；(3)轻离子注入方式：如氦核注入、中子辐照等，原理与电子辐照相同，所不同的是轻离子比电子体积大很多，所以一定能量的轻离子在硅中所能到达的深度是大致确定的，通过调注入离子的能量可以很好地控制进行少子寿命控制的位置，通过调注入离子的剂量可以控制少子寿命的大小。本发明实施例推荐采用上述第(3)种方式来实现。

首先，为抑制正向恢复时位移电流J_d如图3A所示的先增后减变化，要求在正向恢复过程中p型掺杂浓度值N_a、n型掺杂浓度值N_d的变化分别如图3B、3C所示，其中p型掺杂浓度值N_a先增后减变化，而n型掺杂浓度值N_d先减后增变化。反应到P区浓度或寿命的相反数沿N区方向为先增后减分布，而N区的浓度或寿命的相反数则沿P区方向为先减后增分布。图3D以FRD为例示出了正向恢复时N_a、N_d和寿命横向分布曲线。

其次，为抑制反向恢复时位移电流J_d如图4A所示的先增后减变化，要求在反向恢复过程中p型掺杂浓度值N_a、n型掺杂浓度值N_d的变化分别如图4B、4C所示，其中p型掺杂浓度值N_a先减后增变化，而n型掺杂浓度值N_d先增后减变化。反应到P区浓度或寿命的相反数沿N区方向为先减后增分布，而N区的浓度或寿命的相反数则沿P区方向为先增后减分布。图4D以FRD为例示出了反向恢复时N_a、N_d和寿命横向分布曲线。

上述为抑制正向恢复和反向恢复位移电流而对P区和N区的浓度分布或寿命分布的改进可以单独实施，来达到单纯抑制正向恢复或反向恢复时的位移电流的目的，也可以两者结合起来同时采用。比如将上述两种分布按照一定的面积比例(包括零和无穷大)反映在PN结的横截面，以期达到正向恢复特性与反向恢复特性的最佳折中，特别是去位移电流平稳恢复特性。具体地，可以将PN结纵向划分为若干个子结构，在P区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N区方向为先增后减分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N区方向为先减后增分布，相应地，而在N区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先减后增分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先增后减分布。图5A以FRD为例示出了整体掺杂和寿命纵向分布示意图，图5B为图5A所示结构的剖面图，其中在P区，P+区域的浓度表示大于P区域的浓度，在N区，N-区域的浓度小于N区域的浓度，若选用PP+N-N的硅横向结构，区域厚度比典型值为P/P+＝2/1、N/N-＝2/1；若选用P+PNN-的硅横向结构，区域厚度比典型值为P+/P＝2/1、N-/N＝2/1。上述厚度比是基于硅中电子迁移率约是空穴迁移率的3倍左右而得到的。

上述改进技术不仅可应用于FRD，还可应用于普通开关二极管、整流管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、晶闸管、三极管等诸多以电子、空穴两种载流子导电的电子器件中。

本发明实施例中，根据位移电流密度在器件正向恢复和反向恢复时的指向，从改变P区和N区的掺杂浓度分布、寿命分布入手来实现抑制位移电流的效果，可以使P区浓度或寿命的相反数沿N区方向为先增后减分布，而N区的浓度或寿命的相反数则沿P区结方向为先减后增分布，实现抑制正向恢复时位移电流的效果；也可以使P区浓度或寿命的相反数沿N区方向为先减后增分布，而N区的浓度或寿命的相反数则沿P区方向为先增后减分布，实现抑制反向恢复时位移电流的效果；还可以同时采用两种技术手段来同时实现抑制正向、反向恢复时位移电流的效果。最终达到部分或全部抑制位移电流的目的，使平稳度参数得到优化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种包含PN结的半导体电子器件，其特征在于，所述PN结包括若干个子结构；

在P区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N区方向为先增后减分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿N区方向为先减后增分布；

在N区，其中一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先减后增分布，另一部分子结构的浓度或寿命的相反数沿P区方向为先增后减分布。

2.如权利要求1所述的半导体电子器件，其特征在于，所述半导体器件为开关二极管、整流管、IGBT、晶闸管、三极管或FRD。

3.如权利要求2所述的半导体电子器件，其特征在于，当其中的FRD为PP+N-N的硅横向结构，区域厚度比为P/P+＝2/1、N/N-＝2/1，其中P+区域的浓度表示大于P区域的浓度，N-区域的浓度小于N区域的浓度。

4.如权利要求2所述的半导体电子器件，其特征在于，当其中的FRD为P+PNN-的硅横向结构，区域厚度比为P+/P＝2/1、N-/N＝2/1，其中P+区域的浓度表示大于P区域的浓度，N-区域的浓度小于N区域的浓度。

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