CN103594523A - 双层超结肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层超结肖特基二极管，其中，功率肖特基器件的漂移区采用双层超结结构，通过该结构，在不明显损失器件正向特性的前提下，很好改善了普通超结肖特基二极管的反向击穿特性与电荷不平衡之间的关系，而且极大的改善了器件的反向恢复特性，降低了器件的输出电容，有效地降低了器件的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种双层超结肖特基二极管。
背景技术
超结(super junction,SJ)理论最早出现在功率MOSFET中，是为了打破“硅限”而提出的，硅限是导通电阻受击穿电压限制而存在的一个极限。1988年，飞利浦美国公司的D.J.Coe首次提出了在横向高压MOSFET中采用交替的pn结构代替传统功率器件中低掺杂漂移区作为耐压层的方法。1993年，电子科技大学的陈星弼教授提出了在纵向功率器件中用多个pn结构作为漂移区的方法，并把这种结构称为“复合缓冲层”(Composite Buffer layer)。1995年，西门子公司的J.Tihanyi提出了类似的方法。从此，人们开始重视并研究超结结构。1997年，Tatsuhiko等人提出了“超结理论”(Super junction Theory)概念，对这一思想进行了总结。通过理论计算以及实际测试得出一打破“硅限”的理论结果：Ron=c10-7bVB 1.3。2000年和2001年，陈星弼教授先后发表论文，在论文中进一步分析了超结结构导通电阻与击穿电压的关系，并得出Ron∝VB 1.32。上述公式中Ron为导通电阻，VB为击穿电压，b和c为乘法系数。
超结结构的最大优点是在降低了器件导通电阻的情况下，同时提高了器件的击穿特性，这解决了普通结构的Ron和VB之间折中关系难以解决的问题。对于普通的功率器件，要降低功耗需减小导通电阻，而减小导通电阻就需要提高漂移区浓度、减小漂移区厚度，然而随着漂移区浓度的提高、漂移区厚度的减小，器件的击穿电压降低、反向漏电流增大，这就必须要进行折中选择。超结很好的解决了这一问题，通过pn柱的电荷补偿，既降低了导通电阻，又提高了击穿电压。
超结理论不仅应用于功率MOSFET，也应用于肖特基整流器。超结肖特基二极管(SJ-SBD)的基本结构是将普通肖特基势垒二极管(SBD,Schottky BarrierDiode)的漂移区换成交替的pn柱，而且pn柱的浓度较高，可以高出普通SBD漂移区掺杂浓度一个数量级以上。其中n柱与阳极形成肖特基接触，而p柱与阳极形成的是欧姆接触。在正向偏置下，n柱参与导电，p柱不参与导电，虽然与普通SBD相比其导电通道面积减小，但是由于n柱浓度远远高出普通SBD漂移区浓度，故其导通电阻明显降低。在反向偏置下，由于pn柱的电荷补偿作用，实现了类似于本征半导体漂移区的作用。外加较小的反向偏压时，交替的pn柱在横向上即可迅速耗尽，形成了横向的pn结，使漂移区不仅在纵向上形成耗尽，在横向上也很快的耗尽，整个漂移区近似为本征层，提高了器件的击穿电压。
但是，超结肖特基二极管同时存在着一些明显的不足，首要问题就是实际工艺问题，在实际工艺中超结的深宽比较为重要，如果深宽比较大，器件工艺实现难度较大，如果深宽比较小，则不能很好的体现超结的优势。而且，在实际工艺中电荷平衡问题也极为重要。超结结构是利用电荷补偿原理工作的器件，如果器件的电荷不平衡则会明显影响器件的击穿特性。电荷平衡以及较大的深宽比对工艺要求很高。除此之外，超结器件的反向恢复特性很差，不仅反向峰值电流大，反向恢复电荷大，而且反向恢复软度系数小，器件在动态功耗以及噪声方面表现较差。
发明内容
为了解决上述关于超结功率肖特基二极管的电荷平衡以及动态特性差的问题，本发明提出了一种双层超结肖特基二极管。
一方面，提供了一种二极管，包括：功率肖特基器件的漂移区，其中，
所述漂移区采用双层超结结构。
优选的，所述双层超结结构包括第一层超结结构和第二层超结结构，其中，所述第一层超结结构与阳极接触，所述第二层超结结构与N体区接触。
优选的，所述第一层超结结构的宽度和所述第二层超结结构的宽度相同。
优选的，所述第一层超结结构的掺杂类型和所述第二层超结结构的掺杂类型相同。
优选的，所述第一层超结结构的掺杂浓度高于所述第二层超结结构的掺杂浓度。
可选的，所述第一层超结结构的深度和所述第二层超结结构的深度是根据所述功率肖特基器件的技术参数设定的；和/或
所述第一层超结结构的掺杂浓度和所述第二层超结结构的掺杂浓度是根据所述功率肖特基器件的技术参数设定的。
在上述方案中，肖特基器件的漂移区采用双层超结结构，从而在不明显损失器件正向特性的前提下，改善超结器件击穿电压与电荷平衡之间的敏感关系，并有效降低器件的动态功耗，而且明显降低了输出电容。该方案可应用在低、中压功率肖特基器件中。
附图说明
图1为本发明公开的双层超结肖特基二极管的结构示意图；
图2为普通超结肖特基二极管结构示意图；
图3示出了本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管击穿电压与电荷失衡比例之间的关系；
图4示出了本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管在电荷失衡比例为40%的情况下，PN结面处击穿电压下的电场分布；
图5示出了本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管在电荷失衡比例为-40%的情况下，PN结面处击穿电压下的电场分布；
图6示出了本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管正向导通特性的对比；
图7示出了本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管电容-电压特性的对比；
图8示出了本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管反向恢复特性的对比。
具体实施方式
本发明实施例的技术方案主要包括：功率肖特基器件的漂移区采用双层超结结构，其中N柱与金属阳极形成肖特基接触，P柱与金属阳极形成欧姆接触。其中，上下双层超结的的宽度相同。上层超结掺杂浓度高于下层超结掺杂浓度，上下双层超结的深度以及掺杂浓度结合实际功率肖特基器件的技术指标设定。
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
参照图1，本发明双层超结肖特基二极管(DSJ-SBD)基本结构。DSJ-SBD采用了双层超结的结构，上下双层超结结构的宽度相等，d1、d2分别为两层超结的深度，Nd1、Nd2分别为双层超结的掺杂浓度。其中上层超结结构的掺杂浓度Nd1较高，与普通SJ-SBD的P/N柱掺杂浓度相同；而第二次超结结构的掺杂浓度Nd2较低。P柱与金属阳极形成欧姆接触，N柱与金属阳极形成肖特基接触。在正向偏压下，DSJ-SBD的导通工作原理与普通SJ-SBD相同，N柱有正向电流流过，P柱不参与导电。在反向偏置电压下，DSJ-SBD的双层超结结构均形成耗尽，使整个漂移区电荷耗尽，保证器件的耐压。由于第二层超结结构的掺杂浓度较低，器件的导通电阻略大于普通SJ-SBD。电荷失衡比例相同的情况下，掺杂浓度较高的超结对击穿电压变化较为敏感，随着电荷失衡比例的增大，器件的击穿电压迅速下降。低掺杂浓度的超结结构器件的击穿电压对电荷失衡的敏感程度不如高浓度掺杂的超结结构。但是，低浓度的超结结构的正向导通电阻极大，器件工作时的静态功耗变大。综合考虑以上两个原因，将高低掺杂浓度的超结相结合，既保证了器件较低的导通电阻，又使超结肖特基二极管击穿电压对电荷失衡的敏感程度下降。由于第二层低掺杂浓度超结结构的存在，DSJ-SBD的输出电容与SJ-SBD相比也会有明显的下降；反向恢复特性也有了明显的提高，恢复电荷减少、反向恢复时间变短、恢复电流降低。
图3示出了根据本发明实施例的双层超结肖特基二极管与传统超结肖特基二极管的击穿电压与电荷失衡比例之间的关系。图中四条曲线分别表示了传统超结肖特基二极管的击穿电压、d1:d2为3:7的双层超结肖特基二极管的击穿电压、d1:d2为5:5的双层超结肖特基二极管的击穿电压和d1:d2为7:3的双层超结肖特基二极管的击穿电压，双层超结肖特基二极管的上下层超结的掺杂浓度分别为1×1016cm-3和1×1015cm-3。d1:d2为两层超结结构的第一层和第二层深度的比例。在电荷失衡比例较大的情况下，DSJ-SBD对超结器件击穿电压有所提高，提高的程度与上下双层超结结构的长度尺寸有关系。在超结器件整体长度t固定的情况下，d1:d2比例越大，击穿特性越接近于用方块连线代表的传统SJ-SBD；d1:d2比例越小器件的击穿特性越接近于低浓度超结肖特基二极管。
图4示出了根据本发明实施例的双层超结肖特基二极管与传统超结肖特基二极管在电荷失衡比例为40%的情况下，PN结面处击穿电压下的电场分布。当电荷失衡量为40%时，即N柱电荷量大、P柱电荷量小时，P/N柱内部电场不再是电荷平衡时的均匀分布，P/N柱与阳极接触的位置电场变大，此时，SJ-SBD类似于传统SBD在反向偏压下的三角形电场分布，故其击穿电压明显下降。击穿电压下的电场分布则可以体现出在峰值达到临界击穿电场时，电场分布曲线与横轴所围的面积中DSJ-SBD-3-7最大，DSJ-SBD-5-5次之，SJ-SBD最小，则可以说明DSJ-SBD-3-7获得最大的击穿电压。曲线中还说明了上下双层超结d1:d2比例对器件内部电场分布曲线的影响；d1:d2比例越大，在电荷失衡比例相同的情况下器件的击穿特性越差，接近于SJ-SBD，d1:d2比例越小DSJ-SBD可以获得更好的击穿特性。
参照图5，本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管在电荷失衡比例为-40%的情况下，PN结面处击穿电压下的电场分布。在电荷是失衡量为负值时，即P柱电荷量大于N柱电荷量时，P/N柱与N+沉底位置的电场较大，电场曲线呈现倒三角分布的形式。
参照图6，本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管正向导通特性的对比。对于同一种DSJ-SBD，d1:d2比例越大，器件的导通特性越接近于普通SJ-SBD；d1:d2比例越小器件的正向导通特性越差。这主要是由于在整个器件厚度t确定的情况下d1:d2比例越大，上层高浓度的超结结构占决定总导通电阻的主导地位，器件的导通特性越接近普通SJ-SBD。虽然DSJ-SBD的正向导通特性与SJ-SBD相比有所下降，但是与普通SBD的正向导通特性相比仍有明显的优势，起到了超结理论中打破击穿电压与导通电阻之间“硅限”的极限关系，在不损失器件击穿电压的前提下提高了器件的正向导通特性。
参照图7，本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管电容-电压特性的对比。本发明双层超结肖特基二极管的电容电压特性明显好于普通超结肖特基二极管。这主要是由于高低浓度双层超结结构的独特设计，由于低浓度超结的存在减少了少数载流子的注入，使器件在较低的反向偏压下更容易形成耗尽，故其在反向偏压以及零偏置时的结电容明显小于SJ-SBD，很好的改善了SJ-SBD在高频领域的表现。对于SJ-SBD，其电容-电压曲线在某一反向偏压时存在一个明显的下降的趋势，这主要是由于SJ-SBD中交替设置的PN柱，形成了一个器件体内的PiN二极管，有少数载流子的注入。而当器件在反向偏置的情况下，其交替设置的PN柱会形成耗尽，当达到耗尽状态后，P/N柱中的少数载流子会迅速减少，故在该点反向偏压下，器件的电容会迅速下降，并维持在一个较为稳定的范围内。
参照图8，本发明双层超结肖特基二极管与普通超结肖特基二极管反向恢复特性的对比。本发明双层超结肖特基二极管很好的降低了器件的反向恢复电荷，降低了器件的反向恢复峰值电流，减少了反向恢复时间。普通超结肖特基二极管的一大缺点就在于其在正向偏置电压下工作时体内形成的PiN体二极管，当其处在导通状态下时，大量的过剩载流子会贮存在PN柱中，这就导致了器件会有极大的反向恢复电荷。一旦器件进入反向恢复状态，器件就会产生极大的反向恢复峰值电流，这样器件就会产生较大的电磁干扰和功率损耗。而且由于横向PN结的存在，这些过剩载流子会迅速降低，这也导致了器件的反向恢复峰值电流变大。本发明很好解决了这一问题，由于低浓度掺杂超结结构层的存在明显减少了少数载流子的注入，改善了器件的反向恢复特性。
本发明提供的双层超结肖特基二极管在不明显损失器件正向特性的前提下，很好改善了普通肖特基二极管的反向击穿特性与电荷不平衡之间的关系，而且极大的改善了器件的反向恢复特性，有效地降低了器件的功耗。双层超结肖特基二极管改善了超结器件电荷不平衡和反向恢复特性差的缺点。
Claims (6)
1.一种二极管，其特征在于，包括：功率肖特基器件的漂移区，其中，
所述漂移区采用双层超结结构。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述双层超结结构包括第一层超结结构和第二层超结结构，其中，所述第一层超结结构与阳极接触，所述第二层超结结构与N体区接触。
3.根据权利要求2所述的二极管，其特征在于，
所述第一层超结结构的宽度和所述第二层超结结构的宽度相同。
4.根据权利要求2所述的二极管，其特征在于，所述第一层超结结构的掺杂类型和所述第二层超结结构的掺杂类型相同。
5.根据权利要求4所述的二极管，其特征在于，
所述第一层超结结构的掺杂浓度高于所述第二层超结结构的掺杂浓度。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的二极管，其特征在于，
所述第一层超结结构的深度和所述第二层超结结构的深度是根据所述功率肖特基器件的技术参数设定的；和/或
所述第一层超结结构的掺杂浓度和所述第二层超结结构的掺杂浓度是根据所述功率肖特基器件的技术参数设定的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140219 |