CN1044651C - 大功率软恢复隧道二极管管芯结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体二极管设计领域。本发明(SPBD)包括阳极区、基区、阴极区以及金属层形成两电极。阳极区由P区和均匀分布在P区中的呈圆形的P⁺区。基区为N区。阴极区由N⁺区为镶嵌于N基区与N⁺区欧姆接触层处的N区内的多个凸包形悬浮电位的P⁺区构成。这种结构的二极管具有优良的反向恢复特性，特别在软度的改善上更加显著。

Description

大功率软恢复隧道二极管管芯结构

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。

二极管的反向恢复特性对电路的质量和效率产生重大影响，特别是二极管反向恢复电流波形对电路产生尖峰电压影响电路的可靠性及稳定性。

二极管从正向导通转至断态后，储存于基区的电荷必须移走，耗尽储存电荷所需的时间定义为反向恢复时间t_rr。

图1示出了二极管反向恢复波形。

t_rr由两部分组成：储存时间t_A及下降时间t_B。

在制造厂家或应用中，软度因子S定义为t_B/t_A或t_B峰值斜率di(rec)/dt。图1中，I_F为二极管正向电流，I_RRM为反向恢复峰值电流。

目前，国内整流器厂家(对二极管性能的改善)着重于减小反向恢复时间，对软度因子较少考虑。据测试，对于I_F=100A，反向耐压1200V的二极管，其反向恢复时间为2.3μs左右，软度t_B/t_A约为0.33，表现为硬恢复特性(即t_B/t_A较小，di(rec)/dt较大)。硬恢复特性会造成二极管反向恢复时对电路产生尖峰电压，因而使电路的可靠性及稳定性受到影响。

1989年，H.Schlangenotto等人提出一种自调节发射效率结构二极管SPEED。这种结构的二极管阳极由高浓度P⁺区及低浓度P区组成。P⁺区呈圆形，均匀分布于P区，其结构及浓度分布如图2、3所示。

这种二极管施加正向电压后，如果电流密度低于某一特定值J,P区产生低空穴注入效应。当电流密度大于J后，P⁺产生高效空穴注入效应。这样，当二极管反向后P区首先夹断，改善了二极管软度。

在SPEED结构中，P⁺区占整个阳极面积的50％，结深15μm，为P区结深的一半。

但在大功率电力半导体器件实际应用中，SPEED反向恢复时间大于2.5μs，软度因子t_R/t_A为0.5左右，仍造成二极管反向时产生的尖峰电压较高。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种新型二极管管芯结构。这种结构的二极管具有优良的反向恢复特性，特别在软度的改善上更加显著。

本发明提出一种大功率软恢复隧道二极管管芯SPBD(Self adjusting Pemitting efficiency and Barrier Diode即自调节P发射效率及势垒二极管)结构。包括在半导体芯片中扩散不同类型的杂质形成阳极区、基区、阴极区，以及在该芯片两表面淀积有金属层形成两电极。所说的阳极区由低浓度P型杂质P区和均匀分布在P区中的呈圆形的高浓度P型杂质P⁺区。所说的基区为低浓度N型杂质的N区。所说的阴极区由高浓度N型杂质N⁺区及镶嵌于N基区与N⁺区欧姆接触层处的N区内的多个凸包形高浓度P型杂质悬浮电位的P⁺区构成。所说的阴极区凸包形P⁺区面积占阴极总面积的25％～35％。

本发明的阳极区中相邻的P⁺区构成正三角形排列，P⁺区结深为P区结深的二分之一，P⁺区面积占阳极总面积的35～45％。

其结构及杂质浓度分布如图4、5所示。

本发明的特点是在阳极区内、N区与N⁺区之间镶嵌有P⁺区。这种结构的二极管，其工作原理为：

SPBD阳极加正向电压，正向电流密度大于约15A/cm²后，阳极区注入高浓度空穴，阴极区注入高浓度电子。高浓度的载流子使基区电阻降低，产生电导调制效应。由于高浓度载流子的存在，P⁺N⁺结耗尽层变薄，因而P⁺区的存在基本上不影响二极管正向压降。

阴极P⁺区浓度达10¹⁹cm^-3以上，N⁺区浓度达10²¹cm^-3以上。高浓度P⁺N^-结形成了隧道结。P⁺N⁺结耗尽层特别薄，电子和空穴可以利用隧道效应穿越势垒而不需要热激发。

二极管从导通状态转换到载止状态时，阴极相对为正电位。在二极管反向恢复时间内，N基区的载流子被反向电场抽走。随着N基区电荷的减少，P⁺N⁺结由正编逐渐转变为0偏。当N基区少子浓度小于其平衡浓度后，P⁺N⁺结由0偏转变为反偏。阴极区的P⁺区由N⁺区及N区包围着，P⁺N⁺结反偏必然造成低浓度N基区耗尽层扩展，随着基区载流子浓度的进一步减少，基区耗尽层扩展加剧。当相邻N区耗尽层连通后，在N基区内形成了完整的空间电荷区，如图6所示。这一空间电荷区的存在阻挡了基区载流子的进一步抽取，这些载流子在二极管反向恢复下降时间内通过复合消失。由此可见，阴极区的P⁺区的存在既不增加二极管正向压降，又使二极管反向恢复时间减小，软度因子显著提高。

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为本发明管芯结构示意图。

图5为本发明管芯杂质浓度分布曲线图。

图6为本发明反向耗尽层扩展示意图。

图7为本发明实施P⁺区分布示意图。

本发明设计出一种大功率软恢复隧道二极管SPBD实施例如图4、图7所示。结构附图详细说明如下：

本实施例的管芯结构如图4所示：

原始片N型硅片，电阻率ρ=80～100Ω.cm，片厚约400μm，直径φ40。阳极P区结深30μm,P⁺区结深15μm,P⁺区占P区面积的40％左右，P⁺区呈圆形均匀分布于P区中。阴极P⁺区结深15μm，表面浓度大于10²⁰cm^-3,P⁺区面积占阴极面积的30％。N⁺区结深4μm，表面浓度10²¹cm^-3左右。

本发明结构中圆形P⁺区扩散窗如图7所示。

P⁺区扩散窗直径φ60，相邻P⁺区中心距120μm,P⁺区正三角形均匀分布。

本实施例的SPBD管芯显示出较佳的反向恢复特性。与普通二极管比较，反向恢复时间减小至2μs以下，软度因子t_B/t_A提高至0.8～0.9，提高了80％，正向压降增加量小于0.5V。

Claims (3)

1．一种大功率软恢复隧道二极管管芯结构，包括在半导体芯片中扩散不同类型的杂质形成阳极区、基区、阴极区，以及在该芯片两表面淀积有金属薄层形成两电极，所说的阳极区由低浓度P型杂质P区和均匀分布在P区中的呈圆形的高浓度P型杂质P⁺区，所说的基区为低浓度N型杂质的N区，所说的阴极区包括高浓度N型杂质N⁺区，其特征在于，所说的阴极还包括镶嵌于N基区与N⁺区的N区内的多个凸包形高浓度P型杂质悬浮电位的P⁺区构成。

2．如权利要求1所说的一种大功率软恢复隧道二极管管芯结构，其特征在于，所说的阴极区凸包形P⁺区面积占阴极总面积的25～35％。

3．如权利要求1所说的一种大功率软恢复隧道二极管管芯结构，其特征在于，阳极区中相邻的P⁺区构成正三角形，P⁺区结深为P区结深的二分之一，P⁺区面积占阳极总面积的35～45％。

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