CN103311314A - 快恢复二极管及制作该二极管的方法 - Google Patents

Abstract

一种快恢复二极管，包括一N型高掺杂硅衬底、一第一N型掺杂半导体层、一第二N型掺杂半导体层、一二极管阳极层，所述第一N型掺杂半导体层位于第二N型掺杂半导体层和N型高掺杂硅衬底之间，所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度低于第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度，所述第一N型掺杂半导体层的宽度为5μm至50μm、掺杂浓度为5e12/cm³-5e14/cm³。上述快恢复二极管可在反向恢复时能够提供足够的载流子浓度，从而得以维持电流下降的软度。本发明还提供了一种快恢复二极管的制作方法。

Description

快恢复二极管及制作该二极管的方法

技术领域

本发明涉及一种二极管及其制作该二极管的方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，都需要一个与之并联的且反向恢复时间较短的二极管，以通过负载中的无功电流，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。

据此，多款各具特点的快恢复二极管被推往应用市场，比如IXYS公司的sonic FRD(Fast Recovery Diodes，快速恢复二极管)、ABB公司的SPT+FRD、Infineon公司的EMCON、IR公司的HEXFRED等等。

请参照图1，其示出了一种P-i-N结构的快恢复二极管，其包括二极管阳极区101、二极管体区102及二极管阴极区103。在反向偏置时为达到使电流迅速截止的效果，一般会采用降低阳极区空穴注入效率及全局少子寿命控制等技术，以改变二极管体区102的载流子的浓度分布。但是，这些技术往往很难使快速恢复二极管在参数上得到较为理想的折衷。比如说，P-i-N结构的二极管在反向恢复时间上得以缩短，但反向恢复过硬(即di/dt太大)，从而会引起过高的反向恢复电压，即使快速恢复二极管本身没有击穿烧毁，也会对实际应用电路产生不良影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可软恢复的快速恢复二极管以及该二极管的制作方法。

一种快恢复二极管，包括一N型高掺杂硅衬底、一第一N型掺杂半导体层、一第二N型掺杂半导体层、一二极管阳极层，所述第一N型掺杂半导体层位于第二N型掺杂半导体层和N型高掺杂硅衬底之间，所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度低于第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度，所述第一N型掺杂半导体层的宽度为5um至50um、掺杂浓度为5e12/cm³-5e14/cm³。

一种快恢复二极管的制作方法，包括：

在一N型高掺杂硅衬底上制作低掺杂外延，以形成一第一N型掺杂半导体层；

在所述第一N型掺杂半导体层上制作一处延，以形成一第二N型掺杂半导体层，其中所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度低于第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度；以及

在所述第二N型掺杂半导体层注入P型杂质再扩散形成二极管阳极层，其中所述第一N型掺杂半导体层的宽度为5um至50um、掺杂浓度为5e12/cm³-5e14/cm³。

上述快恢复二极管及其制作方法通过改变第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度，以形成“PNN-N+”结构，其中第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度比第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度低，于是形成一个NN-结。当所述快恢复二极管反偏时，由于NN-结势垒的存在，将阻碍电子的反向抽取，从而提高该区域的载流子浓度，使快恢复二极管在反向恢复时能够提供足够的载流子浓度，以维持电流下降的软度。

附图说明

图1是现有的快恢复二极管的示意图。

图2是本发明快恢复二极管的较佳实施方式的示意图。

图3-8为本发明快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图。

图9是本发明快恢复二极管的制作方法的较佳实施方式的流程图。

具体实施方式

请参考图2，本发明快恢复二极管的较佳实施方式包括一N型高掺杂硅衬底111、一第一N型掺杂半导体层112、一第二N型掺杂半导体层123、一二极管阳极层134，所述第一N型掺杂半导体层112位于第二N型掺杂半导体层123和N型高掺杂硅衬底111之间。其中所述第一N型掺杂半导体层112的宽度为5um至50um、掺杂浓度为5e12/cm³-5e14/cm³。所述第二N型掺杂半导体层123的掺杂浓度N_D与第二N型掺杂半导体层123的宽度d满足公式(1)：

其中公式(1)中ε_r为硅的介电常数，ε₀为真空介电常数，e指的是单个电子电量，V_R为正常工作的反偏电压，EBV为临界击穿场强。

据上所述，所述第二N型掺杂半导体层123的宽度d则满足公式(2)：

${\left(\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{e}\frac{V_R}{N_D}\right)}^{\frac{1}{2}}<d<\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0{E}_{\mathrm{BV}}}{e{N}_D}---\left(2\right).$

上述快恢复二极管通过改变第一N型掺杂半导体层112的掺杂浓度，以形成“PNN-N+”结构。其中第一N型掺杂半导体层112的掺杂浓度比第二N型掺杂半导体层123的掺杂浓度低，于是形成一个NN-结。当所述快恢复二极管反偏时，由于NN-结势垒的存在，将阻碍电子的反向抽取，从而提高该区域的载流子浓度，使快恢复二极管在反向恢复时能够提供足够的载流子浓度，以维持电流下降的软度。从上面的描述可以看出，只要第一N型掺杂半导体层112位于第二N型掺杂半导体层123和N型高掺杂硅衬底111之间，且所述第一N型掺杂半导体层112的掺杂浓度低于第二N型掺杂半导体层123的掺杂浓度即可实现维持电流下降的软度的目的。

请继续参考图3及图4，其示出了三种快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，其中曲线A1表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为3e14/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为5e14/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，曲线B1表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为3e14/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为3e14/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，曲线C1表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为3e14/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为5e13/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图。上述三个快恢复二极管的第二N型掺杂半导体层的宽度均为35um，第一N型掺杂半导体层的宽度均为25um。从图3及图4中可以看出，上述第三种快恢复二极管的反向恢复电流软度及反向恢复电压相对于第一种及第二种快恢复二极管得到了一定程度的改善。

请继续参考图5及图6，其示出了另外三种快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，其中曲线A2表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为1e15/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为2e15/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，曲线B2表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为1e15/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为1e15/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，曲线C2表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为1e15/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为5e14/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图。上述三种快恢复二极管的第二N型掺杂半导体层与第一N型掺杂半导体层的宽度均为5um。从图5及图6中可以看出，上述第三种快恢复二极管的反向恢复电流软度及反向恢复电压相对于第一种及第二种快恢复二极管得到了一定程度的改善。

图7及图8中曲线A3表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为2e13/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为5e13/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，曲线B3表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为2e13/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为2e13/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图，曲线C3表示第二N型掺杂半导体层掺杂浓度为2e13/cm³、第一N型掺杂半导体层掺杂浓度为1e13/cm³的快恢复二极管的反向恢复电流波形图及反向恢复电压波形图。上述三个快恢复二极管的第二N型掺杂半导体层与第一N型掺杂半导体层的宽度均为50um。从图7及图8中可以看出，上述第三种快恢复二极管的反向恢复电流软度及反向恢复电压相对于第一种及第二种快恢复二极管得到了一定程度的改善。

从上面的描述可以看出，上述快恢复二极管的第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度需保证快恢复二极管在其工作电压下，耗尽层的宽度小于第二N型掺杂半导体层的宽度，同时不能使快恢复二极管在小于额定电压的偏置条件下被击穿。

请参考图9，本发明快恢复二极管的制作方法的较佳实施方式包括以下步骤：

步骤S51：在N型高掺杂硅衬底111上制作低掺杂外延，以形成一第一N型掺杂半导体层112，其中所述第一N型掺杂半导体层112的宽度在5um-50um范围内，掺杂浓度在5e12/cm³-5e14/cm³范围内。

步骤S52：在第一N型掺杂半导体层112上继续制作处延，以形成第二N型掺杂半导体层123，其中所述第二N型掺杂半导体层123的掺杂浓度N_D及宽度d满足以下公式：

${\left(\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{e}\frac{V_R}{N_D}\right)}^{\frac{1}{2}}<d<\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0{E}_{\mathrm{BV}}}{e{N}_D},$ $\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0{V}_R}{e{d}^2}<N_D<\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0{E}_{\mathrm{BV}}}{\mathrm{ed}},$ 其中。

步骤S53：在第二N型掺杂半导体层123注入P型杂质再扩散形成二极管阳极层134。

当然，步骤S53之后，尚需要进行例如载流子寿命控制、正面金属以及背面金属等步骤。由于其与现有的二极管相同，因此在此不再赘述。

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 (10)

1.一种快恢复二极管，包括一N型高掺杂硅衬底、一第一N型掺杂半导体层、一第二N型掺杂半导体层、一二极管阳极层，所述第一N型掺杂半导体层位于第二N型掺杂半导体层和N型高掺杂硅衬底之间，所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度低于第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度，所述第一N型掺杂半导体层的宽度为5um至50um、掺杂浓度为5e12/cm³-5e14/cm³。

2.如权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于：所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度N_D及第二N型掺杂半导体层的宽度d满足公式

其中ε_r为硅的介电常数，ε₀为真空介电常数，e指的是单个电子电量，V_R为正常工作的反偏电压，E_BV为临界击穿场强。

3.如权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于：所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度为3e14/cm³，所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度为5e13/cm³，所述第一N型掺杂半导体层的宽度为25um，所述第二N型掺杂半导体层的宽度为35um。

4.如权利要求1-2中任一项所述的快恢复二极管，其特征在于：所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度为5e14/cm³，所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度为1e15/cm³，所述第一N型掺杂半导体层及第二N型掺杂半导体层的宽度均为5um。

5.如权利要求1-2中任一项所述的快恢复二极管，其特征在于：所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度为1e13/cm³，所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度为2e13/cm³，所述第一N型掺杂半导体层及第二N型掺杂半导体层的宽度均为50um。

6.一种快恢复二极管的制作方法，包括：

在一N型高掺杂硅衬底上制作低掺杂外延，以形成一第一N型掺杂半导体层；

在所述第一N型掺杂半导体层上制作一第二N型掺杂半导体层处延，以形成一第二N型掺杂半导体层，其中所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度低于第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度；以及

在所述第二N型掺杂半导体层注入P型杂质再扩散形成二极管阳极层，其中所述第一N型掺杂半导体层的宽度为5um至50um、掺杂浓度为5e12/cm³-5e14/cm³。

7.如权利要求6所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于：所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度N_D及宽度d满足以下公式：

其中ε_r为硅的介电常数，ε₀为真空介电常数，e指的是单个电子电量，V_R为正常工作的反偏电压，E_BV为临界击穿场强。

8.如权利要求6-7中任一项所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于：所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度为3e14/cm³，所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度为5e13/cm³，所述第一N型掺杂半导体层的宽度为25um，所述第二N型掺杂半导体层的宽度为35um。

9.如权利要求6-7中任一项所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于：所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度为5e14/cm³，所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度为1e15/cm³，所述第一N型掺杂半导体层及第二N型掺杂半导体层的宽度均为5um。

10.如权利要求6-7中任一项所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于：所述第一N型掺杂半导体层的掺杂浓度为1e13/cm³，所述第二N型掺杂半导体层的掺杂浓度为2e13/cm³，所述第一N型掺杂半导体层及第二N型掺杂半导体层的宽度均为50um。

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