CN110690294A - 一种快恢复二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半导体功率器件领域内的一种快恢复二极管。该种快恢复二极管包括N+型硅单晶衬底、N‑型外延层、P+型块和P‑型主结，P+型块具有若干个，N‑型外延层设置于N+型硅单晶衬底上方，P‑型主结设置于N‑型外延层内上方，P+型块设置于N+型硅单晶衬底和N‑型外延层之间，P‑型主结上方设置有正面金属层，N+型硅单晶衬底下方设置有背面金属层。该种快恢复二极管具有极短的反向恢复时间、快速开通和关断能力，同时具有极低的电流振荡和电压过冲，提高了器件的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，特别涉及一种快恢复二极管。
背景技术
功率半导体器件作为电力电子电路中的核心器件，可用来实现电能的高效传输、转换及其过程中的有效精确控制，实现对电能的优质、高效的利用。正是由于功率半导体器件的研究和发展，才使得电力电子技术朝大容量、高频化、高效节能、高可靠性和低成本的方向发展。由于高频转换技术的发展和高效节能的需要，要求快恢复二极管的高压阻断能力强、开关速度快等特点。随着电路结构的日益更新，电路设计者不仅需要快恢复二极管具有高频性能，同时要求二极管具有较低的震荡以降低EMI。目前，国内芯片厂家可以采用P-/N-/N+结构制造出反向恢复时间较快的快恢复二极管芯片，也可以采用P-/N-/N/N+结构制造出低震荡的快恢复二极管芯片，前者反向恢复时间极短,但震荡严重，后者几乎没有震荡，但是Trr很难做到极低。受制于高端生产设备，国内芯片厂家无法生产既高频又低震荡性能的快恢复二极管芯片，因此这类快恢复二极管芯片主要依赖进口。
现有技术中公开了一种发明专利，专利名称：一种低反向恢复电荷快恢复二极管芯片，专利号：CN201510951716.4，但在上述专利公开内容里为了实现非常快的恢复速度，需要提高二极管掺杂铂金或黄金的浓度，随着掺杂浓度的提高，采用台面玻璃钝化工艺时对漏电流的控制则变的非常困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频低震荡快恢复二极管结构，该二极管具有极低的反向恢复时间、快速开通和关断能力，同时具有极低的电流振荡和电压过冲，提高器件的稳定性和可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明一种快恢复二极管采用的如下技术方案：
一种快恢复二极管，包括N+型硅单晶衬底、N-型外延层、P+型块和P-型主结，所述P+型块具有若干个，所述N-型外延层设置于所述N+型硅单晶衬底上方，所述P-型主结设置于所述N-型外延层内上方，所述P+型块设置于所述N+型硅单晶衬底和N-型外延层之间，所述P-型主结上方设置有正面金属层，所述N+型硅单晶衬底下方设置有背面金属层。本步的有益效果是：基于P-/N-/N+结构，在N-和N+之间设置有P+型块，通过调整P+型块浓度、体积、间距等参数降低快恢复二极管反向恢复的震荡，同时兼顾了P-/N-/N+结构反向恢复时间极短的特点。
进一步地，所述N-型外延层表面还设置有二氧化硅层，且所述二氧化硅层上开设有与所述P-型主结对应的通孔。
进一步地，所述P+型块为圆柱型。
进一步地，所述P+型圆柱直径大小为5～20um，间距为5～20um，厚度为0.5～2um，浓度为1×1016-1×1020cm-3。基区引入P+增加了基区载流子被抽走或复合的时间，从而达到降低反向恢复的电流震荡和反向电压目的，实现低EMI。
进一步地，所述N-型外延层浓度为1×1012-1×1014cm-3，厚度为30-120um。在保证击穿电压满足需求的前提下，采用低掺杂、低厚度的N-型外延层有利于实现低反向恢复，提升二极管的高频性能。
进一步地，所述P-型主结的浓度为1×1013-1×1015cm-3，结深为8-12um。P-型主结设定浓度越低，越有利于实现软恢复特性，该浓度对降低EMI有显著效果，同时有利于降低反向恢复时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该快恢复二极管具有极短的反向恢复时间、快速开通和关断能力，同时具有极低的电流振荡和电压过冲，提高了器件的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的与常规产品的恢复特性对比图；
其中，1N+型硅单晶衬底，2P+型圆柱，3N-型外延层，4P-型主结，5二氧化硅层，6正面金属层，7背面金属层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“外周面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
实施例：如图1所示，一种快恢复二极管，包括N+型硅单晶衬底1、P+型圆柱2、N-型外延层3、P-型主结4、二氧化硅层5、正面金属层6和背面金属层7，N+型硅单晶衬底1下方设置有背面金属层7，N+型硅单晶衬底1上方设置有多个P+型圆柱2，P+型圆柱2上方设置有N-型外延层3，N-型外延层3上方设置有P-型主结4，P-型主结4设置于N-型外延层3内，P-型主结4上方设置有正面金属层6，N-型外延层3与正面金属层6之间设置有二氧化硅层5，二氧化硅层5开设有与P-型主结4配合的通孔。
其中：N+型硅单晶衬底1可采用As、Ph作为掺杂杂质，衬底电阻率设定0.002～0.004Ω.cm，单晶晶向可以选择<100>或<111>；P+型圆柱2可采用B作为掺杂杂质，先生长厚度为0.5～2um，浓度为1×1016-1×1020cm-3的P+型外延层，P+型外延层生长后再采用光刻和干法刻蚀的方式得到直径大小为5～20um，间距为5～20um的P+型圆柱2；
N-型外延层3采用Ph作为掺杂杂质，设定浓度为1×1012-1×1014cm-3，厚度为30-120um；
P-型主结4采用B作为掺杂杂质，P-型主结浓度为1×1013-1×1015cm-3，结深为8-12um，其通过先离子注入B杂质再高温扩散炉退火以实现；二氧化硅层5，通过高温氧化方式生长出初始的二氧化硅层，氧化温度在900～1100℃之间，再对初始的二氧化硅层进行光刻、腐蚀出与P-型主结4对应的窗口；
正面金属层6是通过溅射或蒸发的方式淀积金属铝层，再通过光刻及腐蚀形成；
背面金属层7是通过采用砂轮减薄、化学腐蚀等方法，将硅片减薄至需要的厚度，之后采用蒸发或溅射的方式实现背面欧姆接触。
本实施例的具体制造过程如下：
1)在N+型硅单晶衬底1上生长P+型外延层；
2)通过光刻和刻蚀的方式得到P+型圆柱2；
3)在P+型圆柱2和N+型硅单晶衬底1上方生长有N-型外延层3；
4)通过高温氧化方式生长出初始的二氧化硅层5，氧化温度在900～1100℃之间，二氧化硅层5经过光刻、腐蚀出主结有源区窗口；
5)在N-型外延3内设置有P-型主结4，先离子注入B杂质再高温扩散炉退火以实现；
6)铂金扩散，采用铂金蒸发或铂金溅射工艺方法实现铂原子依附于硅片正面或者背面，把硅片放入900～1000℃的铂金扩散炉中进行金属铂的替位掺杂，形成少子复合中心；
7)通过溅射或蒸发的方式淀积金属铝层，通过光刻及腐蚀形成正面金属层6；
8)采用砂轮减薄、化学腐蚀等方法，将硅片减薄至需要的厚度，采用蒸发或溅射的方式实现背面金属层7。
如图2所示，本发明一种快恢复二极管具有极低的反向恢复时间、快速开通和关断能力，同时具有极低的电流振荡和电压过冲。
本发明原理：由于本发明在N+型硅单晶衬底和N-型外延层之间设有P+型圆柱，由于P+圆柱拥有大量的空穴，从而增加了基区载流子被抽走或复合的时间，且可通过改变P+型圆柱浓度、横向直径、纵向深度、间距来调整基区载流子被抽走或复合的时间，选择合适的P+型圆柱浓度、横向直径、纵向深度、间距可以在不增加Trr的情况下有效降低反向恢复的电流震荡和反向电压过程。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种快恢复二极管，其特征在于：包括N+型硅单晶衬底、N-型外延层、P+型块和P-型主结，所述P+型块具有若干个，所述N-型外延层设置于所述N+型硅单晶衬底上方，所述P-型主结设置于所述N-型外延层内上方，所述P+型块设置于所述N+型硅单晶衬底和N-型外延层之间，所述P-型主结上方设置有正面金属层，所述N+型硅单晶衬底下方设置有背面金属层。
2.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管，其特征在于：所述N-型外延层表面还设置有二氧化硅层，且所述二氧化硅层上开设有与所述P-型主结对应的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管，其特征在于：所述P+型块为圆柱型。
4.根据权利要求3所述的一种快恢复二极管，其特征在于：所述P+型圆柱直径大小为5～20um，间距为5～20um，厚度为0.5～2um，浓度为1×1016-1×1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管，其特征在于：所述N-型外延层浓度为1×1012-1×1014cm-3，厚度为30-120um。
6.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管，其特征在于：所述P-型主结的浓度为1×1013-1×1015cm-3，结深为8-12um。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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