CN110828580A - 一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管 - Google Patents

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Abstract

一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，包括P型衬底，在P型衬底上设有N型漂移区，在N型漂移区的表面设有二氧化硅氧化层，在P型衬底与N型漂移区之间设有第一N型重掺杂区，在N型漂移区的表面设有P型重掺杂阳极区、P型轻掺杂阳极区、N型轻掺杂阴极区及N型重掺杂阴极区，在N型漂移区的表面并处于N型重掺杂阴极区的外侧以及N型重掺杂阴极区与P型轻掺杂阳极区之间的区域设有氧化层，在P型重掺杂阳极区、N型重掺杂阴极区及P型衬底上分别连接有阳极金属、阴极金属及衬底金属，其特征在于，在P型轻掺杂阳极区的表面并位于P型重掺杂阳极区的外侧设有相互电连接的第一P型重掺杂区、N型重掺杂区和第二P型重掺杂区。

Description

一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管
技术领域
本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，是一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管。
背景技术
GaN FETs功率器件相对于Si MOSFETs，具有更高的转换效率、功率密度、开关频率和在同样耐压下导通电阻和器件体积小，GaN FETs的这些特点满足了下一代半导体功率器件对大功率、高功效、高频、高速、高可靠性和小体积的要求，保证了GaN FETs在未来功率电子应用领域具有非常广阔的前景与市场。然而GaN FETs也存在一些需要特别注意的因素，例如，必须对栅源电压上限VGS(MAX)进行严格控制，避免损坏GaN FETs功率管栅极。因此，自举电路中通常采用钳位设计，从而达到控制栅源电压的目的。此外，为了与GaN FETs开关频率相适应，电路中的自举二极管(后续称BSD)必须具有快速的导通和关断能力，即具备较低的正向导通电压VF和较短的反向恢复时间。同时为了提升系统的能效与可靠性，就必须要减小BSD的反向恢复拖尾电流和提高其反向恢复鲁棒性。
在高压、大电流的电路中，传统的BSD具有良好的反向耐压性能，且在很低的正向导通电压VF下就会出现较大的正向导通电流。也正因此，使得传统BSD在正向导通期间，存储在本征区中的少数载流子总量较多，从而在反向恢复期间，使得本征区中少子抽取的速度较慢，存在严重的拖尾电流，最终导致反向恢复时间较长，严重增加系统电路的功耗以及限制系统工作频率的提升。此外，反向恢复期间会同时存在高压大电流的情形，容易在阳极和阴极出现电流积聚，形成电流尖峰，导致阳极和阴极表面出现峰值电场引发双侧动态雪崩，出现热失效，严重影响系统的可靠性。
因此，在降低正向导通电压VF的前提下降低反向恢复时间和减小BSD反向恢复期间的拖尾电流有利于保证系统的有效性，通过降低阳极和阴极侧的峰值电场，从而提高反向恢复鲁棒性有利于保证系统的可靠性，这对功率集成电路的发展与设计具有重要的意义。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，本发明不仅提高了自举二极管的反向恢复鲁棒性，并且在降低正向导通电压VF的前提下有效降低了反向恢复时间和减小了反向恢复拖尾电流。
本发明的技术方案如下：
一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，包括P型衬底，在P型衬底上设有N型漂移区，在N型漂移区的表面设有二氧化硅氧化层，在P型衬底与N型漂移区之间设有第一N型重掺杂区，在N型漂移区的表面上设有作为阳极区的P型轻掺杂阳极区和位于阳极区外侧并作为阴极区的N型轻掺杂阴极区及N型重掺杂阴极区，并且，N型重掺杂阴极区设在N型轻掺杂阴极区内，在P型轻掺杂阳极区的表面上设有P型重掺杂阳极区，在N型漂移区的表面并处于N型重掺杂阴极区的外侧以及N型重掺杂阴极区与P型轻掺杂阳极区之间的区域设有氧化层，在P型重掺杂阳极区、N型重掺杂阴极区及P型衬底上分别连接有阳极金属(anode)、阴极金属(cathode)及衬底金属(sub)，其特征在于，在P型轻掺杂阳极区的表面并位于P型重掺杂阳极区的外侧设有相互电连接的第一P型重掺杂区、N型重掺杂区和第二P型重掺杂区。
与现有技术相比，本发明结构具有如下优点：
1、本发明通过在P型轻掺杂阳极区10末端两侧各增加了三个通过浮空金属电极13相互连接的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16，漂移区2中存储的部分空穴会和N型重掺杂区15处电子进行复合，加速了漂移区2中空穴的抽取速度，从而减少反向恢复时间。在反向恢复期间，当阴极接高电位，阳极和衬底均接低电位时，P型轻掺杂阳极区10、P型重掺杂阳极区11和通过浮空金属电极13相互连接的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16均为低电位，漂移区2中存储的空穴会经P型轻掺杂阳极区10流出体外，由于P型轻掺杂阳极区10内N型重掺杂区15的存在，漂移区2中存储的部分空穴会和该处电子进行复合，如图4中所示，部分空穴流入N型重掺杂区15，加快了阳极侧过剩载流子的抽取速度，大大减少了反向恢复时间，如图7所示，在相同的di/dt＝50A/μs下，本发明结构具有更短的反向恢复时间。
2、本发明通过在P型轻掺杂阳极区10末端两侧各增加一个P型动态场限环12和通过浮空金属电极13相互连接的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16，避免了电场线在阳极重掺杂区11处的聚集，有效缓和了阳极侧的峰值电场，提高反向恢复鲁棒性。未添加P型动态场限环12时，电场线会在最外侧P型重掺杂阳极区11处集聚，造成该处峰值电场过高，如图5中A点所示。当添加P型动态场限环12时，通过合理调节P型动态场限环12的浓度，使耗尽层边界展宽，电场线不会在最外侧P型重掺杂阳极区11处聚集，同时，由于部分电流路径流经N型重掺杂区15，也能够避免电流在阳极重掺杂区11处的聚集，从而有效缓和阳极侧的峰值电场，如图5所示，峰值电场A被缓和成三个较低峰值电场A1、A2和A3。阳极侧峰值电场的降低能够有效提高二极管的反向恢复鲁棒性，如图6所示，传统结构在较低di/dt＝-120A/μs下发生反向恢复失效，本发明结构在di/dt＝-250A/μs下仍未发生失效，本发明结构的反向恢复鲁棒性相比于传统结构能够提升两倍之多，器件的可靠性大大提升。
3、本发明通过合理调节漂移区2中第二N型重掺杂区17的位置，在反向恢复期间有效缩短了漂移区2中空穴的抽取路径，减小了反向恢复拖尾电流，从而实现快速恢复。第二N型重掺杂区17位于N型轻掺杂阴极区8的正下方，在反向恢复期间，由于第二N型重掺杂区17的存在，使得空穴几乎从第二N型重掺杂区17与N型轻掺杂阴极区8之间流过，如图4所示，有效缩短了空穴的抽取路径，减小了反向恢复拖尾电流，如图7所示，本发明结构的拖尾电流明显得到减小，从而实现快速恢复。此外，由于N型轻掺杂阴极区8中几乎没有电流流过，避免出现电流尖峰，从而有效降低阴极侧的峰值电场，如图5所示，本发明结构在阴极侧的峰值电场相比于传统结构的B点得到有效抑制，能够有效提高二极管的反向恢复鲁棒性，提高了器件的可靠性。
4、本发明通过合理调节漂移区2中第二N型重掺杂区17的浓度，在正向导通期间有效降低了漂移区的导通电阻，提升了器件的正向导通能力。本发明结构在第一N型重掺杂区3的末端两侧各增加一个第二N型重掺杂区17，由于第二N型重掺杂区17的浓度远远高于漂移区2的浓度，从而增大了漂移区2的整体浓度，在正向导通期间，大大降低了导通电阻，能够有效提升器件的正向导通能力，如图3所示，在相同的电流密度下，本发明结构具有更低的正向导通压降。
附图说明
图1所示为传统BSD结构图。
图2所示为本发明结构图。
图3所示为本发明结构和传统BSD结构的正向导通特性曲线。
图4所示为本发明结构和传统BSD结构在反向恢复期间漂移区中少数载流子的抽取路径。
图5所示为本发明结构和传统BSD结构在反向恢复期间沿同一截面Y＝49μm处的电场分布。
图6所示为本发明结构和传统BSD结构在不同di/dt下的反向恢复特性曲线。
图7所示为本发明结构和传统BSD结构在相同di/dt下的反向恢复特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做详细说明：
一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，包括P型衬底1，在P型衬底1上设有N型漂移区2，在N型漂移区2的表面设有二氧化硅氧化层7，在P型衬底1与N型漂移区2之间设有第一N型重掺杂区3，在N型漂移区2的表面上设有作为阳极区的P型轻掺杂阳极区10和位于阳极区外侧并作为阴极区的N型轻掺杂阴极区8及N型重掺杂阴极区9，并且，N型重掺杂阴极区9设在N型轻掺杂阴极区8内，在P型轻掺杂阳极区10的表面上设有P型重掺杂阳极区11，在N型漂移区2的表面并处于N型重掺杂阴极区9的外侧以及N型重掺杂阴极区9与P型轻掺杂阳极区10之间的区域设有氧化层6，在P型重掺杂阳极区11、N型重掺杂阴极区9及P型衬底1上分别连接有阳极金属(anode)、阴极金属(cathode)及衬底金属(sub)，其特征在于，在P型轻掺杂阳极区10的表面并位于P型重掺杂阳极区11的外侧设有相互电连接的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16。
本实施例的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16通过设在二氧化硅氧化层7内的浮空金属电极13实现相互电连接。
本实施例在P型轻掺杂阳极区10表面并位于第一P型重掺杂区14与P型重掺杂阳极区11之间设有P型动态场限环12。
本实施例在N型漂移区2内并位于N型重掺杂阴极区9的下方设有第二N型重掺杂区17且第二N型重掺杂区17落于第一N型重掺杂区3上。
本实施例在P型衬底1内设有第一P型重掺杂衬底区4且所述第一P型重掺杂衬底区4延伸进入N型漂移区2内，在第一P型重掺杂衬底区4上连接有第二P型重掺杂衬底区5且所述第二P型重掺杂衬底区5延伸并连接于衬底金属(sub)，以实现P型衬底1与衬底金属(sub)的连接。
所述P型动态场限环12、第一P型重掺杂区14与第二P型重掺杂区16的掺杂浓度范围为1.8e14～2.3e14cm-2。
所述N型重掺杂区15的浓度范围为0.8e15～1.1e15cm-2。
所述第二N型重掺杂区17的长度范围为9～9.5μm，掺杂浓度范围为2.2e15～3.3e15cm-2。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的工作原理：
在现有的BSD器件由正向导通状态变成反向阻断状态时会经历一个反向恢复的过程，该反向恢复过程可分为四个阶段，如图5所示。在t0～t1阶段，器件仍处于续流阶段，此时P型轻掺杂阳极区10与漂移区2、N型轻掺杂阴极区8、N型重掺杂阴极区9形成的N型区构成的PN结处于正向偏置，流过BSD的正向电流开始以一固定的di/dt值减小至0；t1～t2阶段，在反向电压的作用下，二极管之前存储的电荷开始扫出，由于PN结处的耗尽层尚未形成，扫出的过量电荷继续维持着反向电流，电流开始以di/dt的速率反向增大，此时二极管尚未承受反向电压；t2～t3阶段，PN结处等离子浓度已经衰减为0，形成耗尽层，二极管开始承受反向电压。由于反向电压急剧增大，反向恢复电流反向增大的速度di/dt开始逐渐减小至0，反向恢复电流达到反向最大值，即Irrm。t3～t4阶段，扩散到耗尽层的载流子开始继续维持反向电流，因为等离子一直在耗散，导致空间电荷区边缘的过量电荷浓度梯度在逐渐降低，所以反向电流自t3后以负di/dt的速率逐渐减小至0，在这一过程中器件内部会同时出现高压和大电流，容易在阳极和阴极出现电流急剧，导致阳极和阴极表面出现电场升高，如图5所示，传统结构在阳极和阴极侧具有A和B的峰值电场，从而引发双侧动态雪崩失效，如图6所示，传统结构在di/dt＝-120A/μs下发生反向恢复失效的现象。在器件处于正向导通状态时，由于漂移区2中存储了大量的空穴，使得在器件关断时必须首先将这些过剩载流子扫出，增加了器件的反向恢复时间。
本发明结构在P型轻掺杂阳极区10末端两侧各增加了一个P型动态场限环12和通过浮空金属电极13相互连接的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16。此外，本发明结构在第一N型重掺杂区3末端两侧各增加了一个第二N型重掺杂区17。本发明结构在处于正向导通时，器件的衬底和阴极端均接低电位，阳极端接高电位。本发明结构在第一N型重掺杂区3的末端两侧各增加一个第二N型重掺杂区17，由于第二N型重掺杂区17的浓度远远高于漂移区2的浓度，从而增大了漂移区2的整体浓度，在正向导通期间，大大降低了导通电阻，能够有效提升器件的正向导通能力，如图3所示，在相同的电流密度下，本发明结构具有更低的正向导通压降。本发明结构在处于反向阻断时，器件阴极端接高电位，阳极端和衬底均接低电位，此时二极管首先经历反向恢复过程。此时，正向导通期间存储在漂移区中的少数载流子会分别通过阳极和衬底流出，由于第二N型重掺杂区17的存在，使得空穴几乎从第二N型重掺杂区17与N型轻掺杂阴极区8之间流向阳极区，有效缩短了空穴的抽取路径，同时，流向衬底区的电流路径也得到缩短，如图4所示，减小了反向恢复拖尾电流，如图7所示。此外，由于N型轻掺杂阴极区8中几乎没有电流流过，避免出现电流尖峰，从而有效降低阴极侧的峰值电场，如图5所示，本发明结构在阴极侧的峰值电场相比于传统结构的B点得到有效抑制，有效提高二极管的反向恢复鲁棒性，提高了器件的可靠性。当阴极接高电位，阳极和衬底均接低电位时，P型轻掺杂阳极区10、P型重掺杂阳极区11、P型动态场限环12和通过浮空金属电极13相互连接的第一P型重掺杂区14、N型重掺杂区15和第二P型重掺杂区16均为低电位，漂移区2中存储的空穴会经P型轻掺杂阳极区10流出体外，由于P型轻掺杂阳极区10内N型重掺杂区15的存在，漂移区2中存储的部分空穴会和该处电子进行复合，如图4中所示，部分空穴流入N型重掺杂区15，加快了阳极侧过剩载流子的抽取速度，大大减少了反向恢复时间，如图7所示，在相同的di/dt值下，本发明结构具有更短的反向恢复时间。当添加P型动态场限环12时，通过合理调节P型动态场限环12的浓度，使耗尽层边界展宽，电场线不会在最外侧P型重掺杂阳极区11处集聚，同时，由于部分电流路径流经N型重掺杂区15，也能够避免电流在阳极重掺杂区11处的聚集，从而有效缓和阳极侧的峰值电场，如图5所示，峰值电场A被缓和成三个较低峰值电场A1、A2和A3。阳极侧峰值电场的降低能够有效提高二极管的反向恢复鲁棒性，如图6所示，传统结构在较低di/dt值下发生反向恢复失效，本发明结构的反向恢复鲁棒性相比于传统结构能够提升两倍之多，器件的可靠性大大提升。
因此本发明结构在正向导通时期能够提升器件的正向导通能力，在反向恢复期间，能够有效降低阳极侧和阴极侧的峰值电场，避免发生反向恢复失效，提高反向恢复鲁棒性，同时，本发明结构能够有效减少拖尾电流和反向恢复时间从而实现快速恢复。

Claims (8)

1.一种提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，包括P型衬底(1)，在P型衬底(1)上设有N型漂移区(2)，在N型漂移区(2)的表面设有二氧化硅氧化层(7)，在P型衬底(1)与N型漂移区(2)之间设有第一N型重掺杂区(3)，在N型漂移区(2)的表面上设有作为阳极区的P型轻掺杂阳极区(10)和位于阳极区外侧并作为阴极区的N型轻掺杂阴极区(8)及N型重掺杂阴极区(9)，并且，N型重掺杂阴极区(9)设在N型轻掺杂阴极区(8)内，在P型轻掺杂阳极区(10)的表面上设有P型重掺杂阳极区(11)，在N型漂移区(2)的表面并处于N型重掺杂阴极区(9)的外侧以及N型重掺杂阴极区(9)与P型轻掺杂阳极区(10)之间的区域设有氧化层(6)，在P型重掺杂阳极区(11)、N型重掺杂阴极区(9)及P型衬底(1)上分别连接有阳极金属(anode)、阴极金属(cathode)及衬底金属(sub)，其特征在于，在P型轻掺杂阳极区(10)的表面并位于P型重掺杂阳极区(11)的外侧设有相互电连接的第一P型重掺杂区(14)、N型重掺杂区(15)和第二P型重掺杂区(16)。
2.根据权利要求1所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，第一P型重掺杂区(14)、N型重掺杂区(15)和第二P型重掺杂区(16)通过设在二氧化硅氧化层(7)内的浮空金属电极(13)实现相互电连接。
3.根据权利要求1所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，在P型轻掺杂阳极区(10)表面并位于第一P型重掺杂区(14)与P型重掺杂阳极区(11)之间设有P型动态场限环(12)。
4.根据权利要求1所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，在N型漂移区(2)内并位于N型重掺杂阴极区(9)的下方设有第二N型重掺杂区(17)且第二N型重掺杂区(17)落于第一N型重掺杂区(3)上。
5.根据权利要求1所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，在P型衬底(1)内设有第一P型重掺杂衬底区(4)且所述第一P型重掺杂衬底区(4)延伸进入N型漂移区(2)内，在第一P型重掺杂衬底区(4)上连接有第二P型重掺杂衬底区(5)且所述第二P型重掺杂衬底区(5)延伸并连接于衬底金属(sub)，以实现P型衬底(1)与衬底金属(sub)的连接。
6.根据权利要求3、4或5所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，所述P型动态场限环(12)、第一P型重掺杂区(14)与第二P型重掺杂区(16)的掺杂浓度范围为1.8e14～2.3e14cm-2。
7.根据权利要求1所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，所述N型重掺杂区(15)的浓度范围为0.8e15～1.1e15cm-2。
8.根据权利要求4所述的提高反向恢复鲁棒性的快恢复自举二极管，其特征在于，所述第二N型重掺杂区(17)的长度范围为9～9.5μm，掺杂浓度范围为22e15～33e15cm-2。
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