CN103311315A

CN103311315A - 具有肖特基接触终端的快恢复二极管

Info

Publication number: CN103311315A
Application number: CN2013101798654A
Authority: CN
Inventors: 李泽宏; 杨文韬; 宋洵奕; 宋文龙; 张金平; 任敏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: CN103311315B

Abstract

具有肖特基接触终端的快恢复二极管，属于功率半导体器件技术领域。本发明在传统快恢复二极管的基础上，将等位环接触金属改为肖特基接触金属，减小了过渡区处的注入效率，优化了终端部分载流子分布，减小了关断损耗，提高了反向恢复过程中的可靠性。本发明适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。

Description

具有肖特基接触终端的快恢复二极管

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及功率器件终端结构。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已成为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一。在驱动感性负载时，通常将快恢复二极管与IGBT反向并联，接续感性负载的电流。因而，快恢复二极管的特性会严重影响整机系统的性能。

自大功率快恢复二极管提出以来，大量工作被投入到降低二极管导通压降及关断损耗，提高二极管反向恢复软度，改善二极管反向恢复过程中动态雪崩等问题的研究中。大量研究结果表明，终端区域的设计严重影响快恢复二极管的可靠性。文献(Mori,M;Kobayashi,K;Aono,S;Yasuda,Y.6.5kV Ultra Soft&Fast Recovery Diode(U-SFD)with High Reverse RecoveryCapability.Proceedings of2000International Symposium on Power Semiconductor Devices&ICs,2000,pp.115-118）提出了HiRT（High Reverse Recovery Capability）型终端结构。该结构通过引入过渡区寄生电阻的方式优化了终端区域载流子分布，提高了快恢复二极管的可靠性。

发明内容

为进一步改善快恢复二极管的关断特性，本发明提出一种具有肖特基接触终端结构的快恢复二极管。本发明在传统快恢复二极管的基础上（如图1所示），将等位环接触金属改为肖特基接触金属，通过这种方式可以减小过渡区处的注入效率，优化终端部分载流子分布，有利于提高器件的可靠性。

本发明技术方案如下：

具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其元胞结构如图2所示，包括N⁺阴极区60、位于N⁺阴极区60背面的阴极金属70、位于N⁺阴极区60上方的N型漂移区40、位于N⁺阴极区60和N型漂移区40之间的N型场缓冲层50；所述N型漂移区40表面具有元胞P型区20，元胞P型区20表面具有阳极金属10；器件终端区的N型漂移区40表面距离元胞P型区20由近及远地分布有等位环31、第一场限环32和第二场限环33。所述等位环31表面具有与之接触的肖特基金属80，肖特基金属80与等位环31表面接触方式为肖特基接触。所述等位环31与元胞P型区20等电位连接，形成器件终端过渡区。所述第一场限环32和第二场限环33用于改善器件反向阻断时等位环31的电场曲率效应，以提高器件终端的耐压能力。所述N型场缓冲层50用以截止阻断状态时的电场。

上述技术方案中，所述等位环31与元胞P型区20等电位连接的实现方式为等位环31与元胞P型区20相接触（如图2所示）。所述等位环31与元胞P型区20等电位连接的实现方式也可以是等位环31与元胞P型区20不相接触，而是肖特基金属80与阳极金属10相连接（如图3所示）。

本发明的有益效果表现在：

本发明提供的具有肖特基接触终端的快恢复二极管，在等位环处使用肖特基接触金属，减小了终端过渡区处的注入效率，优化了终端部分载流子分布水平，这不仅有利于减小快恢复二极管的关断损耗，还有利于提高器件的反向恢复过程中的可靠性。

附图说明

图1是传统快恢复二极管结构示意图。

图2至图3是本发明提供的具有肖特基接触终端结构示意图。结构包括阳极金属10，元胞P型区20，等位环31，第一场限环32，第二场限环33，N型漂移区40，N型场缓冲层50，N⁺阴极区60，阴极金属70，肖特基接触金属80。

图4是仿真获得的导通状态下，传统快恢复二极管终端与本发明提出的具有肖特基接触终端快恢复二极管的载流子分布对比图。

图5是仿真获得的传统快恢复二极管终端与本发明提出的具有肖特基接触终端的快恢复二极管的关断特性曲线。

图6是实施方案的基本工艺流程图。

图4至图5中，方形图案表示本发明提供的具有肖特基接触终端的快恢复二极管的仿真结果数据，圆形图案表示传统快恢复二极管的仿真结果数据。

具体实施方式

上述技术方案中，所述等位环31与元胞P型区20等电位连接的实现方式为等位环31与元胞P型区20相接触（如图2所示）。所述等位环31与元胞P型区20等电位连接的实现方式也可以是等位环31与元胞P型区20不相接触，而是肖特基金属80与阳极金属10相连接（如图3所示）。所述肖特基接触金属（80）为Cu，或其他功函数在4.6～4.9eV的金属。

本发明提供的具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其制备工艺如图6所示，主要包括：正面P_ring区注入并推结，元胞P型区注入并推结，光刻元胞区接触孔并进行欧姆接触注入，沉积阳极金属并刻蚀，光刻过渡区处等位环接触孔，沉积合适功函数金属并刻蚀，翻转硅片并减薄至所需厚度，N型场缓冲区注入，N⁺阴极区注入并退火，背部金属化。

如图3所示结构，可以基于上述工艺，调整元胞区掩膜版制成。

图4是仿真获得的导通状态下，传统快恢复二极管终端与本发明提出的一种肖特基接触终端的载流子分布对比图。正向导通时，传统快恢复二极管终端的存储载流子总量远大于本发明提出的一种肖特基接触终端。

图5是仿真获得的传统快恢复二极管终端与本发明提出的一种肖特基接触终端的关断特性曲线。1cm²有源区面积在100A/cm²电流密度条件下，传统快恢复二极管终端的关断损耗为7.24mJ，本发明提出的一种肖特基接触终端为5.07mJ。

此外，本发明提出的具有肖特基接触终端结构的快恢复二极管，其终端结构除图2、图3所示的场限环结构外，还适用于带场板的场限环结构，半绝缘多晶硅(SIPOS)型终端结构，横向变掺杂（VLD）型终端结构。

本发明提供的具有肖特基接触终端的快恢复二极管的半导体材料可采用硅（Si）、碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）或者氮化镓（GaN）等。

Claims

1.具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其元胞结构包括N⁺阴极区（60）、位于N⁺阴极区（60）背面的阴极金属（70）、位于N⁺阴极区（60）上方的N型漂移区（40）、位于N⁺阴极区（60）和N型漂移区（40）之间的N型场缓冲层（50）；所述N型漂移区（40）表面具有元胞P型区（20），元胞P型区（20）表面具有阳极金属（10）；器件终端区的N型漂移区（40）表面距离元胞P型区（20）由近及远地分布有等位环（31）、第一场限环（32）和第二场限环（33）；所述等位环（31）表面具有与之接触的肖特基金属（80），肖特基金属（80）与等位环（31）表面接触方式为肖特基接触；所述等位环（31）与元胞P型区（20）等电位连接，形成器件终端过渡区；所述第一场限环（32）和第二场限环（33）用于改善器件反向阻断时等位环（31）的电场曲率效应，以提高器件终端的耐压能力；所述N型场缓冲层（50）用以截止阻断状态时的电场。

2.根据权利要求1所述的具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其特征在于，所述等位环（31）与元胞P型区（20）等电位连接的实现方式为等位环（31）与元胞P型区（20）向接触。

3.根据权利要求1所述的具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其特征在于，所述等位环（31）与元胞P型区（20）等电位连接的实现方式是等位环（31）与元胞P型区（20）不相接触，而是肖特基金属（80）与阳极金属（10）相连接。

4.根据权利要求1所述的具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其特征在于，所述肖特基接触金属（80）为Cu，或其他功函数在4.6～4.9eV的金属。

5.根据权利要求1所述的具有肖特基接触终端的快恢复二极管，其特征在于，所述具有肖特基接触终端的快恢复二极管的终端结构包括场限环型终端结构、带场板的场限环终端结构、半绝缘多晶硅型终端结构或横向变掺杂型终端结构。