CN1044650C - 大功率快速软恢复二极管管芯结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体二极管设计领域。本发明(SIOD)包括阳极区、基区、阴极区以及金属薄膜构成的二个电极。阳极区由P区及多个均匀分布在该P区中的呈圆形的P⁺区，基区为N区，阴极区由多个条状的N⁺区，两相邻N⁺区之间形成窄条状的肖特基区组成。本发明具有更佳反向快速软恢复特性，这种结构的二极管具有更佳的特性参数配合，不但具有较小的反向恢复时间，而且大大改善二极管软度因子。

Description

大功率快速软恢复二极管管芯结构

本发明属于半导体二极管设计与制造技术领域，特别涉及大功率软恢复二极管管芯结构设计。

近年来，各种高频器件如IGBT、MCT、MOSFET等广泛应用于高频电力电子线路中，这些器件的出现显著地改善了那些对开关频率要求很高的功率电路的性能。在许多应用场合，这些器件需要快速二极管与其反并联，以提供续流通道。二极管的反向恢复特性会对电路的效率以及施加于有源元件上的尖峰电压产生重大影响，随着工作频率的不断提高，二极管的特性变得越来越重要。

二极管从导通转换为截止状态时，电流从正向电流I_F降为数值较小的反向漏电流。在转换过程中，产生反向恢复尖峰电流I_RRM。反向恢复时间定义为二极管这一转换过程所需的时间t_rr:t_rr=t_A+t_B。

图1示出了二极管反向恢复波形。

t_A是二极管从I_F降至I_RRM所需时间。t₈一般定义为电流从I_RRM降至0.1_IRRM所需的时间。

由于二极管反向恢复电流斜率di(rec)/dt对电路产生尖峰电压V_RM:V_RM=V_R+L·di(rec)/dt

其中L为电路电感。因而，二极管反向恢复波形对电路产生重大影响，为了表征这一影响，引入软度因子S:S=t_B/t_A或S=di(rec)/dt

图2,3为目前国内二极管管芯结构及杂质浓度分布图。

二极管管芯由在半导体芯片上扩散，不同类型杂质构成的阳极区、基区和阴极区，阳极区由高浓度P型杂质扩散形成的P⁺区及中等浓度P型杂质形成的P区，阴极由高浓度N型杂质扩散形成的N⁺区，阳极区与阴极区之间为低浓度N型杂质形成的基区(N区)，阳极、阴极通过沉积在半导体芯片两表面的金属薄层与电极相连。

据测试，正向电流100A，反向耐压1200V的上述二极管反向恢复时间约为2.3μs,t_B/t_A为0.33左右，di(rec)/dt为100A/μs以上。较小的t_B/t_A，较大的di(rec)/dt说明二极管反向恢复特性为硬特性，硬特性造成电路较大的尖峰电压。

1989年，H.Schlangenotto等人提出的二极管管芯SPEED为一种自调节发射效率结构，如图4所示。其阳极区由低浓度P型杂质P区及多个均匀分布在P区中的高浓度P型杂质P+区构成，基区由低浓度N型杂质N区构成。阴极区由均匀分布的高浓度N型杂质构成。当二极管加正向电压时，阳极侧较低P型杂质浓度的P区首先向基区注入较低浓度载流子，当二极管电流密度大于一给定数值(约15A/cm²)后，高浓度P⁺区产生高效空穴注入效应。二极管反向时，低浓度P区首先夹断，在基区储存较多载流子通过复合而消失，因而，这种结构改善了二极管软度因子。据测试，100A,1200V阳极结构为自调节发射效率结构的二极管反向恢复时间为2.5μs，软度因子t_B/t_A约为0.55,di(rec)/dt为90A/μs。

这种结构的管芯，P⁺区结深15μm，表面浓度10²⁰cm^-3,P区结深30μm，表面浓度10¹⁷cm^-3,P⁺占整个P区面积1/3,P⁺区扩散孔为圆形，直径60μm，呈正三角形排列，P⁺区位于正三角形顶点上。但是，这种管芯结构的二极管反向恢复时间较长，不适合在高频电路中应用。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种具有更佳反向快速软恢复特性的二极管管芯结构SIOD(Self adjusting P emitting efficiencyand Ideal Ohmic contact Diode即自调节P发射效率及理想欧姆接触二极管)。利用这种结构制造的二极管具有更佳的特性参数配合，一方面具有较小的反向恢复时间，另一方面大大改善二极管软度因子。

本发明提出一种大功率快速软恢复二极管管芯结构，包括在半导体芯片上扩散不同类型的杂质组成阳极区、基区、阴极区以及在该芯片两面淀积的金属薄膜构成的二个电极。所说的阳极区由低浓底杂质P区及多个均匀分布在该P区中的呈圆形的高浓度杂质P⁺区，所说的基区为低浓底杂质N区。所说的阴极区由多个条状的高浓度N⁺区，两相邻N⁺区之间形成窄条状的肖特基区组成。

本发明所说的肖特基区由所说的金属膜与低浓度N区构成，占阳极区总面积的40～50％。所说的阳极区中的P区可为马鞍形，所说的P⁺区分布于P区马鞍形的凹部。

本发明结构及杂质浓度分布如图5,6所示，其工作原理为：当二极管施加正向电压，由于P⁺区、P区与N区内建电场不同，电流主要流经PN区，当二极管正向电流密度大于一特定值J时，电流在P⁺P区产生的压降大于KT/q，则P⁺区向基区注入高浓度载流子，这种现象称为自调节发射效率。

由于注入载流子数目决定二极管反向恢复时间长短，少的注入载流子将减少反向恢复时间。与已有自调节发射效率结构相比，阳极P区马鞍形结构将进一步减小反向恢复时间。

传统PIN二极管采用扩散高浓度N⁺的方法使N区与金属形成欧姆接触，然而这种接触只对电子而言，或当少子流不重要时。但在大功率二极管正向导通后，阳极空穴发生大注入效应，N基区少子浓度较高，在反向抽取时，由于NN⁺高低结的存在产生电场将空穴反射回去。如图7所示，空穴在N区聚集，显然，这种接触并没有形成阴极载流子无限复合速度。

为了得到电子和空穴的欧姆接触，很显然必须同时给电子和空穴提供抽取通道。理想欧姆接触就是一种可以使电子与空穴均能通过界面的结构，这种结构中，N⁺区与金属相连给电子提供抽取通道，肖特基区(N层与金属接触区)给空穴提供抽取通道如图8所示，因而二极管反向恢复时间大大减小。

本发明测试结果证明：SIOD具有优良的反向恢复特性。其反向恢复时间≤1.5μs；软度因子t_B/t_A提高至0.7左右；di(rec)/dt降至75A/μs左右；反向峰值电流只有普通二极管的60％。SIOD电气性能得到很大改善，优于国内常规电力半导体工艺制造的任何大功率二极管，必将得到广泛应用，并大大提高电力电子线路的工作稳定性及可靠性。

附图简要说明：

图1为二极管反向恢复波形图。

图2为已有技术管芯结构示意图。

图3为已有技术杂质浓度曲线图。

图4是自调节发射效率二极管结构示意图。

图5为本发明SIOD管芯结构示意图。

图6为本发明管芯结构杂质浓度曲线图。

图7为传统NN⁺欧姆接触结构。

图8是本发明理想欧姆接触结构。

本发明设计出一种大功率快速软恢复二极管SIOD实施例，其管芯结构如图5所示，其详细说明如下：

本实施例研制的SIOD管芯直径φ26，片厚280±10μm，基区为N型，p=80～100Ω.cm,P⁺表面浓度7×10²⁰cm^-3,P区表面浓度10¹⁷cm^-3,P⁺区为圆形，均匀分布于P区中，P⁺区结深17μm,P区结深35μm,N⁺表面浓度10²¹cm^-3，结深4～5μm,N⁺区为窄条状，边长60μm。肖特基区宽25μm，肖特基区占阴极面积40％～50％。

Claims (1)

1、一种大功率快速软恢复二极管管芯结构，包括在半导体芯片上扩散不同类型的杂质组成阳极区、基区、阴极区以及在该芯片两面淀积的金属薄膜构成的二个电极，所说的阳极区由低浓底杂质P区及多个均匀分布在该P区中的呈圆形的高浓度杂质P⁺区构成，所说的基区为低浓底杂质N区，所说的阴极区由多个条状的高浓度N⁺区，两相邻N⁺区之间形成窄条状的肖特基区组成，所说的肖特基区由所说的金属膜与低浓度N区构成，占阳极区总面积的40～50％，其特征在于，所说的阳极区中的P区是马鞍形，所说的P⁺区分布于P区马鞍形的凹部。

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