CN109119489A - 一种复合结构的金属氧化物半导体二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明设计功率半导体技术，特别涉及一种金属氧化物半导体二极管。本发明的有益效果为：在原专利提出的新型半导体二极管的基础上，添加了正电荷柱区以及P型埋层，正电荷柱区有利于在正向导通时感应出负电荷，产生多子电子的积累层，为多子电流的流动提供了一条低阻通路，降低正向导通压降；反向阻断时，P型埋层与N型漂移区之间引入了横向电场，辅助耗尽漂移区，使得横向电场分布更加均匀，纵向电场更加接近矩形分布，提高半导体二极管的反向耐压。解决了浅槽金属氧化物二极管在正向导通压降较低时反向耐压不高的问题，使得浅槽金属氧化物二极管在保证较低正向导通压降的同时，实现较高的反向耐压。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体技术，特别涉及一种金属氧化物半导体二极管。
背景技术
在电子电路中，二极管是最常用的电子元件之一，传统的整流二极管主要是肖特基整流器和PN结整流器。其中，PN结二极管能够承受较高的反向阻断电压，稳定性较好，但是其正向导通压降较大，反向恢复时间较长。肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的，通态压降较低。由于是单极载流子导电，肖特基二极管在正向导通时没有过剩的少数载流子积累，反向恢复较快。但是肖特基二极管的反向击穿电压较低，反向漏电流较大，温度特性较差。为了提高二极管的性能，国内外研究者们一直试图结合PN结二极管和肖特基二极管的优点，提出了P-i-N二极管、结势垒控制整流器JBS(Junction Barrier Schottky Rectifier)、MOS控制二极管MCD(MOS Controlled Diode)、槽栅MOS势垒肖特基二极管TMBS(Trench MOS Barrier Schottky Diode)等器件。快恢复二极管具有较好的开关特性、较短的反向恢复时间，它内部结构与普通的额PN结不同，属于P-i-N二极管，在P型材料和N型材料之间添加了i基区，由于基区很薄，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，反向击穿电压较高。
专利“浅槽金属氧化物二极管(CN102064201A)”提出了一种新型的半导体二极管器件，结合了电子积累层和结型场效应管结构，获得了非常低的导通压降，大大提高了击穿电压并且降低了泄漏电流。然而，浅槽金属氧化物二极管和肖特基二极管一样是多子型器件，其反向耐压的提高与正向导通压降的降低存在矛盾，提高器件的反向耐压，就需要增加漂移区的厚度，减小漂移区的掺杂浓度，这些因素都会增加正向导通压降，这限制了该器件在中高压应用领域的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明所要解决的问题是：解决浅槽金属氧化物二极管在正向导通压降较低时反向耐压不高的问题，使得浅槽金属氧化物二极管在保证较低正向导通压降的同时，实现较高的反向耐压。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，包括从下至上依次层叠设置的阴极电极1、N+衬底2、N型漂移区3、N-掺杂区4以及阳极电极9；所述阴极电极1的上表面与N+衬底2的下表面接触，所述N+衬底2的上表面与N型漂移区3的下表面接触，所述阳极电极9的两端垂直向下延伸入N-掺杂区4中，N-掺杂区4与阳极电极9向下延伸的部分之间具有N型重掺杂区5；两侧的N型重掺杂区5之间的N-掺杂区4上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极9中，所述平面栅结构包括栅氧化层10和位于栅氧化层10上表面的多晶硅栅电极11，栅氧化层10下表面与部分N型重掺杂区5上表面接触；所述阳极电极9两侧向下延伸部分的下方具有P型重掺杂区6，所述P型重掺杂区6的一侧侧面与N型重掺杂区5的侧面接触，所述P型重掺杂区6与阳极电极9短接，N型重掺杂区5通过P型重掺杂区6与阳极电极9短接，所述P型重掺杂区6的下表面与N型漂移区3上表面之间具有P型层7，其特征在于：所述平面栅结构下方具有二氧化硅沟槽12，所述二氧化硅沟槽12位于两个P型层7之间，所述二氧化硅沟槽12中填充有正电荷。所述N型漂移区3中具有P型埋层8，所述P型埋层8位于二氧化硅沟槽12的正下方。
进一步地，所述P型层7的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度两个数量级，所述N型漂移区3的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度一到两个数量级；
进一步地，所述栅氧化层10是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nm；
进一步的，所述二氧化硅沟槽12中填充的正电荷可以通过淀积或离子注入负电性材料形成；
进一步地，器件中的硅材料替换为碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
本发明的有益效果为：在原专利提出的新型半导体二极管的基础上，添加了正电荷柱区以及P型埋层，正电荷柱区有利于在正向导通时感应出负电荷，产生多子电子的积累层，为多子电流的流动提供了一条低阻通路，降低正向导通压降；反向阻断时，P型埋层与N型漂移区之间引入了横向电场，辅助耗尽漂移区，使得横向电场分布更加均匀，纵向电场更加接近矩形分布，提高半导体二极管的反向耐压。解决了浅槽金属氧化物二极管在正向导通压降较低时反向耐压不高的问题，使得浅槽金属氧化物二极管在保证较低正向导通压降的同时，实现较高的反向耐压。
附图说明
图1是实施例1所提供的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管的剖面结构示意图；
图2是实施例1所提供的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管在外加零电压时耗尽线示意图；
图3实施例1所提供的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管在外加反向电压达到开启电压时耗尽线与电子积累层示意图；
图4是实施例1所提供的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管在外加反向电压时耗尽线示意图与漂移区纵向电场分布示意图；
图5是专利“浅槽金属氧化物二极管(CN102064201A)”在外加反向电压时耗尽线示意图与漂移区纵向电场分布示意图；
其中，1为阴极电极，2为N+衬底，3为N型漂移区，4为N-掺杂区，5为N型重掺杂区，6为P型重掺杂区，7为P型层，8为P型埋层，9为阳极电极，10为栅氧化层，11为多晶硅栅电极，12为二氧化硅沟槽。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，包括从下至上依次层叠设置的阴极电极1、N+衬底2、N型漂移区3、N-掺杂区4以及阳极电极9；所述阴极电极1的上表面与N+衬底2的下表面接触，所述N+衬底2的上表面与N型漂移区3的下表面接触，所述阳极电极9的两端垂直向下延伸入N-掺杂区4中，N-掺杂区4与阳极电极9向下延伸的部分之间具有N型重掺杂区5；两侧的N型重掺杂区5之间的N-掺杂区4上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极9中，所述平面栅结构包括栅氧化层10和位于栅氧化层10上表面的多晶硅栅电极11，栅氧化层10下表面与部分N型重掺杂区5上表面接触；所述阳极电极9两侧向下延伸部分的下方具有P型重掺杂区6，所述P型重掺杂区6的一侧侧面与N型重掺杂区5的侧面接触，所述P型重掺杂区6与阳极电极9短接，N型重掺杂区5通过P型重掺杂区6与阳极电极9短接，所述P型重掺杂区6的下表面与N型漂移区3上表面之间具有P型层7，其特征在于：所述平面栅结构下方具有二氧化硅沟槽12，所述二氧化硅沟槽12位于两个P型层7之间，所述二氧化硅沟槽12中填充有正电荷。所述N型漂移区3中具有P型埋层8，所述P型埋层8位于二氧化硅沟槽12的正下方。
本实施例的工作原理如下：
(1)正向导通
本例的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，其正向导通时的电极连接方式为：阴极电极1接低电位，阳极电极9接高电位。
当阳极电极9相对于阴极电极1加零电压时，位于栅氧化层10之下、P型层7以上以及N-掺杂区4会由于多晶硅栅和硅半导体的功函数差以及PN结势垒区的作用而被耗尽。同时，由于P型层7的掺杂浓度远高于N-掺杂区4的掺杂浓度，P型层7和N-掺杂区4之间所形成的PN结内建电势会使得P型层7与二氧化硅沟槽12之间的电子通路关闭，如图2所示，图2中虚线为耗尽区边界。因此此时二极管内没有电流流过。
当阳极电极9相对于阴极电极1加非常小的正电压时，P型层7与N-掺杂区4之间的耗尽区逐渐缩小，同时栅氧化层10下方和二氧化硅沟槽12两侧的耗尽区也减小。当阳极电极9相对于阴极电极1的正电压继续加大到一定程度时，二氧化硅沟槽12两侧感应出负电荷，形成电子积累层，P型层7和二氧化硅沟槽12之间的耗尽区相分离，电子通路产生，器件开启，电子通过P型层7和二氧化硅沟槽12之间的电子积累层，注入到N型漂移区3，如图3所示，此时的阳极电极9上所施加的正电压即对应该二极管的开启电压。由于MOS结构的衬偏效应，该结构具有比传统二极管更低的开启电压。当所加正电压继续加大，栅氧化层10下方及二氧化硅沟槽12两侧的电子累积层中电子浓度更高，这为电子流动提供了一个更加流畅的通路。同时，与专利“浅槽金属氧化物半导体二极管(CN102064201A)”相比，N型漂移区3的掺杂浓度比N-掺杂区4的掺杂浓度大一到两个数量级，因而器件在正向导通时具有更低的正向导通压降。
(2)反向阻断
本例的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，其反向阻断时的电极连接方式为：阴极电极1接高电位，阳极电极9接低电位。
由于零偏压时，电子的导电通路已被PN结耗尽区和二氧化硅沟槽12形成的耗尽层所夹断，继续增加反向电压时，P型层7与N型漂移区3形成反偏PN结，N型漂移区3将被进一步耗尽。反向阻断时，二氧化硅沟槽12与多晶硅栅电极11和阳极电极9等电位，N型漂移区3和阴极电极1等电位，P型埋层8的电位浮空，N型漂移区3与P型埋层8之间产生横向电场，N-掺杂区4与二氧化硅沟槽12之间产生横向电场，耗尽线向N型漂移区3下侧及体内扩展以承受反向电压，如图4所示，最终N型漂移区3被完全耗尽。N型漂移区3被横向电场耗尽后，该区域相当于净载流子浓度为零的本征区，根据泊松方程，该区域的纵向电场应近似矩形，而专利“浅槽金属氧化物半导体二极管(CN102064201A)”的N型漂移区3的纵向电场为三角形分布，如图5所示。由于器件耐压值为其纵向电场的积分，因此实施例1的反向阻断耐压将得到极大的提高。进一步地，在相同的反向阻断耐压的情况下，本实施例的N型漂移区3的掺杂浓度相较专利“浅槽金属氧化物半导体二极管(CN102064201A)”可以提高，从而本实施例的漂移区电阻减小，降低了正向导通压降，减少了正向导通时的能量损耗。
Claims (4)
1.一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，包括从下至上依次层叠设置的阴极电极(1)、N+衬底(2)、N型漂移区(3)、N-掺杂区(4)以及阳极电极(9)；所述阳极电极(9)的两端垂直向下延伸入N-掺杂区(4)中，N-掺杂区(4)与阳极电极(9)向下延伸的部分之间具有N型重掺杂区(5)；两侧的N型重掺杂区(5)之间的N-掺杂区(4)上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极(9)中，所述平面栅结构包括栅氧化层(10)和位于栅氧化层(10)上表面的多晶硅栅电极(11)，栅氧化层(10)下表面与部分N型重掺杂区(5)上表面接触；所述阳极电极(9)两侧向下延伸部分的下方具有P型重掺杂区(6)，所述P型重掺杂区(6)的一侧侧面与N型重掺杂区(5)的侧面接触，所述P型重掺杂区(6)与阳极电极(9)短接，N型重掺杂区(5)通过P型重掺杂区(6)与阳极电极(9)短接，所述P型重掺杂区(6)的下表面与N型漂移区(3)上表面之间具有P型层(7)，其特征在于：所述平面栅结构下方具有二氧化硅沟槽(12)，所述二氧化硅沟槽(12)的顶部与多晶硅栅电极(11)接触，并从两侧的P型层(7)之间延伸入N型漂移区(3)中，所述二氧化硅沟槽(12)中填充有正电荷，所述N型漂移区(3)中具有P型埋层(8)，所述P型埋层(8)位于二氧化硅沟槽(12)的正下方。
2.根据权利要求1所述的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述P型层(7)的掺杂浓度大于N-掺杂区(4)的掺杂浓度两个数量级，所述N型漂移区(3)的掺杂浓度大于N-掺杂区(4)的掺杂浓度一到两个数量级。
3.根据权利要求1所述的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述栅氧化层(10)是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种复合结构的金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述二氧化硅沟槽(12)中填充的正电荷通过淀积或离子注入负电性材料形成。
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