CN106298970A - 一种高压快速软恢复二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压快速软恢复二极管，包括p+区阳极和n+区阴极，n+区阴极之上设置有n缓冲层，n缓冲层之上设置有n‑漂移区，所述n‑漂移区与p+区阳极之间设置有p基区，在阳极p+区和n‑区之间引入p缓冲层结构。本发明具有隐埋p+区的FRD新结构可以使器件的反向恢复特性变软，反向恢复峰值功耗变低。
Description
技术领域
本发明涉及二极管领域，具体地说，涉及一种高压快速软恢复二极管及其制造方法。
背景技术
快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。
快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压(耐压值)较高。
快速软恢复二极管是pin型的双极器件，当其处于正向导通状态，即阳极相对于阴极加正电压时，其阳极和阴极分别向n-区注入空穴和电子，由于n-区的掺杂浓度很低，注入到n-区的空穴浓度远远大于n-区衬底的掺杂浓度，n-区产生强烈的电导调制效应，电导率大大提高，使得快速软恢复二极管的通态压降维持在较低的水平。新结构导通状态下阴极背靠背的两个pn结中靠近阳极的p+n结处于反偏状态。
当快速软恢复二极管处于阻断状态，即阴极电压高于阳极电压时，其pn结反偏，空间电场向pn结两侧扩展形成空间电荷区承受反向电压，且反向电压越高，空间电场向n-区的扩展宽度越大。反向阻断状态下快速软恢复二极管中的电流为pn结的反向漏电流，直至快速软恢复二极管两端的反向电压高于其临界击穿电压时，快速软恢复二极管会发生击穿，反向电流急剧增大。
快速软恢复二极管由反向阻断状态向正向导通状态转换的过程称为正向恢复，这一过程会伴随阳极电压过冲尖峰，称为正向恢复峰值电压。正向恢复过程中二极管两端的正向压降大于导通工作时的压降。这是因为正向恢复初期，载流子漂移速度有限，快速软恢复二极管的n-区还未进入强烈的电导调制状态，低掺杂浓度的n-区会产生很大的电阻，使快速软恢复二极管上的压降大于其通态压降，随着从两极不断注入的载流子向n-区漂移，n-区内过剩载流子的数目不断增多，n-区电导率上升，电阻减小，落在其上的压降也随之减小；可见正向恢复过程中快速软恢复二极管的通态压降先上升到一个峰值，然后下降到导通工作时的稳态值。
相反，当快速软二极管在导通状态下其外加偏压反转，在阳极加上一个很高的反向电压时，快速软恢复二极管将由正向导通状态向反向阻断状态转换，将这一过程称为快速软恢复二极管的反向恢复。在恢复阻断状态承受反向高电压之前，首先正向电流减小，pn结在反压下开始耗尽，其空间电荷区开始向结两侧扩展；随着空间电荷区的不断扩展，将导通时存储在n-区的过剩少数载流子扫出n-区，在快速软恢复二极管中形成一个很大的反向电流，该电流经历一个峰值后减小，一直持续到n-区载流子完全耗尽，pn结承受高反向阻断电压，其反向电流恢复到阻断漏电流状态。
发明内容
本发明提供一种高压快速软恢复二极管，所要解决的技术问题是：如何使二极管的反向恢复特性变软，反向恢复峰值功耗变低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种新结构高压快速软恢复二极管，包括p+区阳极和n+区阴极，n+区阴极之上设置有n缓冲层，n缓冲层之上设置有n-漂移区，所述n-漂移区与p+区阳极之间设置有p基区，n+区阴极和n缓冲层之间的中部设有p缓冲层结构，所述p缓冲层结构具有隐埋结构。
优选的，所述p基区和n-漂移区之间形成阳极pn结；所述n缓冲层和p缓冲层结构之间形成p+n结；所述n+区阴极和p缓冲层结构之间形成p+n+结。
本发明还涉及一种新结构高压快速软恢复二极管的制造方法：
步骤1.在由硅衬底制成的n+区阴极上区域注入B，形成具有p缓冲层结构的n+区阴极；
步骤2.在具有p缓冲层结构的n+区阴极上外延出n缓冲区，并进行热扩散；
步骤3.然后在n缓冲区上外延出n-漂移区；
步骤4.在n-漂移区上注入B，并并扩散形成p基区；
步骤5.在p基区上注入B,并扩散形成p+阳极区。
优选的，所述步骤1中，现在在n+区阴极的上表面生长掩蔽氧化层，利用光刻工艺在上定义出多个P+隐埋注入窗口，并在所述窗口中注入B，形成具有隐埋结构的p缓冲层结构的n+区阴极；所述步骤2中，先将步骤1中的掩蔽氧化层去除并清洗，然后再进行n缓冲区的外延；所述步骤4中，先在n-漂移区的上表面生长掩蔽氧化层，再注入B,并扩散形成p基区。
优选的，所述步骤1中，B的注入剂量为1e15，能量为100kev；所述步骤4中，B的注入剂量为1e15，能量为60kev；所述步骤5中，B的注入剂量为1e15，能量为60kev。
此外，还可去除步骤5中得到的产物表面掩蔽氧化层并清洗后先淀积LPTEOS2000A随后淀积硼磷硅玻璃(BPSG)形成介质层；通过光刻并刻蚀形成P+阳极的接触孔，回流改善接触孔形貌后蒸镀上铝膜；通过光刻并刻蚀确认阳极金属电极的区域形成金属电极；清洗后淀积上钝化保护膜，之后进行光刻形成P+阳极区金属电极区，之后进行合金形成金属化阳极；通过背面减薄工艺减薄硅片至合适厚度之后通过在背面蒸镀上背面金属形成阴极金属电极，从而得到进一步完善的二极管。
本发明的有益效果是：本发明在阳极p+区和n-区之间引入pp缓冲层结构，该结构阴极隐埋p+区形成两个背靠背的pn结，而对于n+n结可以将其等效为电阻，故其阴极等效电路为两个背靠背pn结与电阻的并联；并且在阴极侧隐埋的p型掺杂区，在反向恢复期间可以向n-区注入少数载流子空穴，降低nn+结处的电场强度，改善反向恢复软度，并提高了抗反向恢复动态动态雪崩能力；本发明具有隐埋p+区的FRD新结构可以使器件的反向恢复特性变软，反向恢复峰值功耗变低。
附图说明
图1为本发明的高压快速软恢复二极管的结构示意图；
图2为本发明的高压快速软恢复二极管制备方法的步骤1的结构示意图；
图3为本发明的高压快速软恢复二极管制备方法的步骤2的产物的结构示意图；
图4为本发明的高压快速软恢复二极管制备方法的步骤3的产物的结构示意图；
图5为本发明的高压快速软恢复二极管制备方法的步骤4的产物的结构示意图；
图6为本发明的高压快速软恢复二极管制备方法步骤5的产物的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，包括p+区阳极1和n+区阴极5，n+区阴极5之上设置有n缓冲层4，n缓冲层4之上设置有n-漂移区3，所述n-漂移区3与p+区阳极1之间设置有p基区2，n+区阴极5和n缓冲层4之间的中部设有p缓冲层结构6，所述p缓冲层结构6具有隐埋结构；所述p基区2和n-漂移区3之间形成阳极pn结7；所述n缓冲层4和p缓冲层结构6之间形成p+n结8；所述n+区阴极5和p缓冲层结构6之间形成p+n+结9。
如图2-4所示，本发明还涉及一种新结构高压快速软恢复二极管的制造方法：
步骤1.在硅衬底制成的在n+区阴极5的上表面生长掩蔽氧化层，利用光刻工艺在上定义出多个P+隐埋注入窗口，并在所述窗口中注入B，形成具有隐埋结构的p缓冲层结构6的n+区阴极5；
步骤2.先将步骤1中的掩蔽氧化层去除并清洗，之后外延n缓冲区，并进行P+热扩散，然后外延n-漂移区；
步骤3.在n缓冲区4上外延出n-漂移区3；
步骤4.在n-漂移区上表面先生长掩蔽氧化层，注入B,剂量为1e15，能量为60kev,并扩散形成p基区；
步骤5.在p基区2上继续注入B,剂量为1e15，能量为60kev，并扩散形成p+阳极区。
此外，还可继续去除表面掩蔽氧化层并清洗后先淀积LPTEOS 2000A随后淀积硼磷硅玻璃(BPSG)形成介质层；通过光刻并刻蚀形成P+阳极的接触孔，回流改善接触孔形貌后蒸镀上铝膜；通过光刻并刻蚀确认阳极金属电极的区域形成金属电极；清洗后淀积上钝化保护膜，之后进行光刻形成P+阳极区金属电极区，之后进行合金形成金属化阳极；通过背面减薄工艺减薄硅片至合适厚度之后通过在背面蒸镀上背面金属形成阴极金属电极。
FRD的动态测试过程是一个先加正向电压使其正向导通然后外加反向电压的过程。普通FRD在正向导通时，快速软恢复二极管的n-区被大量的自由电子和空穴所充满，当外加电压反向时，在反向电压的作用下导通状态中两级的载流子注入逐渐减小，二极管中的通态电流也随之减小，当两极载流子的注入完全停止时，二极管中的电流减小为零，二极管n-区的载流子开始向两极抽出，阳极pn结附近的过剩载流子先开始向两极抽出，空穴向阳极漂移而电子向阴极漂移，这样就形成了反向恢复过程中的反向恢复上升电流；在pn结和n+n结依次建立空间电荷区后，两侧的电场开始将n-区的过剩载流子扫出n-区，若在反向恢复过程中，载流子的两个边界在电场的作用下相遇，即Plasma消失时，提供反向电流的载流子源泉突然消失，反向电流立刻中断，这会引起二极管反向恢复电流的阶跃，因此快速软恢复二极管在反向恢复过程中，应该通过结构和掺杂上的控制使其n-区靠近阳极侧的过剩载流子快速抽取，而使靠近阴极的载流子移出n-区的速度降低。
快速软恢复二极管的反向恢复特性取决于n-区存储的少数载流子的分布特征和它在反向恢复过程中与时间有关的分布状态，软恢复特性取决于反向恢复过程中n-区随时间而变化的载流子抽取速率，通过各种方式控制使反向恢复后期n-区的载流子随时间缓慢消失，使反向恢复电流随时间的推移而缓慢下降而不发生阶跃，可优化快速软恢复二极管的反向恢复软特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高压快速软恢复二极管，其特征在于：包括p+区阳极(1)和n+区阴极(5)，n+区阴极(5)之上设置有n缓冲层(4)，n缓冲层(4)之上设置有n-漂移区(3)，所述n-漂移区(3)与p+区阳极(1)之间设置有p基区(2)，n+区阴极(5)和n缓冲层(4)之间的中部设有p缓冲层结构(6)，所述p缓冲层结构(6)具有隐埋结构。
2.根据权利要求1所述的高压快速软恢复二极管，其特征在于：所述p基区(2)和n-漂移区(3)之间形成阳极pn结(7)；所述n缓冲层(4)和缓冲层结构(6)之间形成p+n结(8)；所述n+区阴极(5)和p缓冲层结构(6)之间形成p+n+结(9)。
3.一种高压快速软恢复二极管的制造方法,其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.在由硅衬底制成的n+区阴极(5)上区域注入B，形成具有p缓冲层结构(6)的n+区阴极(5)；
步骤2.在具有p缓冲层结构(6)的n+区阴极(5)上外延出n缓冲区(4)，并进行热扩散；
步骤3.然后在n缓冲区(4)上外延出n-漂移区(3)；
步骤4.在n-漂移区(3)上注入B，并并扩散形成p基区(2)；
步骤5.在p基区(2)上注入B,并扩散形成p+阳极区(1)。
4.根据权利要求3中所述的高压快速软恢复二极管的制造方法,其特征在于，
所述步骤1中，先在n+区阴极(5)的上表面生长掩蔽氧化层，利用光刻工艺在上定义出多个P+隐埋注入窗口，并在所述窗口中注入B，形成具有隐埋结构的p缓冲层结构(6)的n+区阴极(5)；
所述步骤2中，先将步骤1中的掩蔽氧化层去除并清洗，然后再进行n缓冲区(4)的外延；
所述步骤4中，先在n-漂移区(3)的上表面生长掩蔽氧化层，再注入B,并扩散形成p基区。
5.根据权利要求3或4中所述的高压快速软恢复二极管的制造方法,其特征在于，
所述步骤1中，B的注入剂量为1e15，能量为100kev；
所述步骤4中，B的注入剂量为1e15，能量为60kev；
所述步骤5中，B的注入剂量为1e15，能量为60kev。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170104 |