CN1130809A - 具有电子施主的半导体二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种二极管(1)，这种二极管在其阳极一侧主平面(3)上具有电子注入结构。反向电流尖峰过后这种结构向阳极发射区注入电子。从而补偿空穴并且使有可能导致雪崩击穿的动态电场过高的危险减小，电子注入结构优先含有一个n-沟道MOS单元。本发明的二极管可以可靠地用于控制高压和高dI/dt变化率。本发明二极管优先用作变流电路装置中的续流二极管。

Description

具有电子施主的半导体二极管
本发明涉及半导体二极管领域，特别是涉及变流电路装置用的续流二极管。
在M.Mehrotra和B.J.Baliga的文章中，见“各种高压功率整流器结构的比较”，Proceedings of the ISPSD，PP.199-204，IEEE1993，讨论了许多种不同结构的高压二极管。比较了PiN-，P-iN，MPS，SSD，SPEED和SPD二极管的设计方案。特别是研讨了电流换向时反向电流的问题。
这些类型的二极管在阴极一侧和阳极一侧主平面之间有一个n-型掺杂的半导体基片，由阳极主平面一侧向此基片内扩散p-型重掺杂的阳极发射区，由阴极主平面一侧向此基片内扩散n-型重掺杂的阴极发射区。二极管的阳极和阴极是由覆盖在相应的主平面上的金属层构成的。
在新型变流器中续流二极管往往易引入故障，特别是在电流变换期间电流和电压高速变化的时候。这种情况导致当前在使用续流二极管时不仅对半导体开关器件而且对续流二极管也需用无源保护电路予以可靠地保护。其原因在于二极管内的存储电荷，在关断(电流换向)时，储存电荷导致众所周知的反向电流尖峰。使用当今的续流二极管GTO的电流变化不得超过约300A/μS。
这个问题对未来的、与GTO相比速度更快的、MOS控制的半导体开关(例如阻断电压为2.5KV到4.5KV的高压IGBT)会更加严重。IGBT是一种速度比较快的开关，它自己能够可靠地处理很高的dI/dt值。但是续流二极管的负载能力也相应增加。此外，出自对成本的考虑，还希望在续流二极管工作时最好不使用保护电路(缓冲器)。这种要求导致许多优化的二极管设计方案(参阅例如上述文献中的SPEED方案)，用这些方案设计的二极管可用于运行阻断电压高达1600V的快速IGBT。
减少存储电荷、例如通过短的载流子寿命一般将导致反向电流尖峰的下降。采用浓度平缓的等离子体分布，例如SPEED方案能实现这种分布，可以达到电压的快速上升，从而缩短换向过程的持续时间。但是就是在利用所有可能减小存储电荷和限制反向电流尖峰的方法时，这种优化的二极管的损耗功率却上升到很大值，以致二极管可能出现雪崩击穿。
因此，本发明的任务是提出一种二极管，用它可以毫无困难地控制高dI/dt值和高压，尤其是不会增加二极管出现雪崩击穿的危险。
此项任务在本文开始所述类型的二极管中用如下所述的总构思予以解决了：
半导体二极管，特别是用于变流电路装置的续流二极管，合有介于第一和第二主平面之间的一个n-型掺杂的半导体基片，一个由覆盖第一主平面的金属层构成的阴极和一个由覆盖第二主平面的金属层所构成的阳极以及一个由第一主平面向半导体基片内扩散制成的n-型掺杂的阴极发射区和一个由第二主平面向半导体基片内扩散制成的p-型掺杂的阳极发射区，其特征在于，在第二主平面上设置电子注入结构，使其在电流换向期间能注入电子。
所以本发明的核心是，在阳极一侧的主平面上设置能注入电子的结构，当电流换向时，该结构能够注入电子。
本发明的设计方案是以下述物理现象和考虑为基础的。
对二极管的实验分析表明，损耗功率的最大值不是出现在最大电流密度时，而是在此之前的较低电流密度范围内。因为反向电流尖峰与导通电流密度关系不十分密切，所以在低导通电流密度时存储电荷耗尽较快。此现象导致电压上升较快。值得注意的是这样一个事实，即反向电流尖峰与功率损耗峰值不是同时出现而是稍有延迟。功率损耗尖峰出现在dI/dt为正值的范围内。在二极管电压改变极性之后，空穴通过空间电荷区经阳极流出，而电子则经n+发射区回到阴极。因此由空穴引起的阳极一侧的动态电场过高是二极管击穿的起因(这种现象以“动态雪崩”著称)。动态击穿约出现在峰值损耗功率为300至500kw/cm2时。
因此，人们非常希望得到一种如下的二极管结构，在关断或者在电流换向过程中，能够由阳极一侧有控制地继续注入其它电子。用电子的负电荷补偿空穴的一部分正电荷。从而能够把过高的动态电场大大降低，以致电场的强度基本上仅由掺杂浓度决定。
对这种电子施主的控制最好用一个MOS控制电极(栅电极)来完成。按照本发明在阳极一侧的主平面上有可控的注入电子结构的一种良好的二极管构造在该处具有至少一个n沟道MOS—单元。
这种MOS—单元在p-型重掺杂的二极管阳极发射区是按如下方式集成在二极管上的，即阳极发射区的构造是一个槽形区域，其中介于两个相邻的阳极发射区域之间的半导体基片挤入至阳极一侧主平面。于是MOS—单元由n-型重掺杂短路区所形成，并安置在阳极发射区的边缘两侧。在其上方安置了一个控制电极，此电极总是由一个阳极发射区的短路区越过挤向主平面的半导体基片直到相邻的阳极发射区的短路区。
于是为了降低由空穴引起的过高的电场，例如在反向电流尖峰之后几分之一μS开启MOS单元的n-沟道。要实现开启只需要在控制电极加上一个对阳极约为15V的正电压即可。因为二极管的阴极在反向时对阳极处于正电位，电子向阴极方向流出并且从而与流向阳极的空穴的方向相反。从而实现所要求的对空穴正电荷的中和，并且可以实现电场的降低。
按照本发明制造的续流二极管优先用于具有半导体开关的变流器电路装置。续流二极管是与半导体开关反极性并联的，并且承担了在半导体开关反向时流动的电流。为了运行和控制本发明的二极管可以设置一个专用控制单元，此单元产生所需要的约15V的控制电压并在适当时刻加到控制电极上。显然，二极管的这种控制单元也可以与半导体开关器件中无论如何都要有的控制单元集成在一起。
一种特别廉价方案的特征在于，用接入阳极电路的电感取代二极管的专用控制单元。在理想的情况下，此电感已可以由引线电感所提供，它产生的电压与电流变化速度dI/dt成正比。这个电压对阳极的极性，是使本发明二极管的控制电极在二极管电流逐渐减小的范围内，就是说直到达到反向电流尖峰的时刻保持负电压。过了反向电流尖峰之后，感应电压改变极性，于是控制电极具有正电压。此正电压约出现在损耗功率达到最大值时。从而此电压导致了所希望的电子注入，这些注入的电子对空穴引起的过高的电场(动态雪崩)起反作用。
总之，本发明的二极管可以使用高的dI/dt值和高的电压而不会出现雪崩击穿的危险。
下面借助附图和一些实施例进一步阐述本发明。
图1为本发明二极管局部剖面图；
图2为可以使用本发明二极管的电路装置；
图3为适于使用本发明二极管的另一种电路装置。
在图中所使用的符号及其意义集中列在符号表中。图中原则上相同部分用相同符号表示。
图1示出本发明二极管局部剖面图。一种这样的二极管1在第一主平面2和第二主平面3之间有一个n-型掺杂的半导体基片4。图中n-型掺杂区用自左上方至右下方画的斜线表示，p-掺杂区用双斜线表示，金属化区用自右上方向左下方画的斜线表示。在半导体区域内，斜线的密度与掺杂浓度大致相当。
由第一主平面2向半导体基片4内扩散n+掺杂的阴极发射区8并且由主平面3向内扩散p+掺杂的阳极发射区9。相应的电极，即阴极7和阳极6，由覆盖在属于发射区8和9的金属层5构成。
按照本发明阳极发射区9至少有一个槽状区，它通过阳极电极6的金属层5连接。在两个相邻的阳极发射区9之间半导体基片4挤入至第二个主平面3。n+掺杂短路区10对本发明是很重要的，这些短路区安置在槽状阳极发射区9的两侧。在相邻的两个阳极发射区9之间的短路区10和挤到第二主平面3的半导体基片4上方覆盖了一个绝缘的控制电极11。绝缘层15(图1中用散点标出的区域)例如可以由SiO2构成，控制电极例如可以由多晶硅构成。阳极发射区9从边缘直到短路区10且受控制电极11所覆盖的部分以下称为沟道区。现在在控制电极加上相对于阳极的一个正电压，那么在沟道区就形成一个n-沟道。于是电子就被注入进去。所以本发明的阳极发射区结构像一个MOS—控制的电子—注入源一样工作。
按照本发明二极管1的p+掺杂阳极发射区9与本文开始所提到的SPEED方案相反具有很高的注入效率。当载流子寿命电子为4μS和空穴为1μS时，对于100A/cm2的电流密度导通电压仅为2V。
本发明二极管1作为续流二极管用在至少有一个半导体开关12的变流电路装置中具有很大优点。图2和图3示出了这类的电路装置。例如半导体开关12构成了一个多相变换器的某组成部分。如图所示开关器件12所涉及的可能是一个IGBT，也有可能是其它类型的半导体开关器件。
按照本发明，为了控制二极管1可以设置一个具有独立功能的控制单元14(见图2)。在此，从物理学角度看这种控制单元是否与半导体开关12内可能已经有的控制单元14集成在一起是无关紧要的。如果半导体开关涉及的例如是IGBT—模块，那么集成在一起则是富有意义的，因为二极管有可能已经集成在IGBT—模块中。二极管的控制功能例如有可能在一种扩展的专用集成电路ASIC中与IGBT的控制功能相结合。
不管二极管的控制单元设在何处，无论如何其功能必须是在反向电流尖峰之后的短时间内在二极管控制电极加上一个对阳极电位为正的电压(约15V)。从而在沟道区中形成一个导通的n-沟道，在电流换向时用于所需要的电子注入。
加正向电压的时间取决于反向电流尖峰。一般情况下反向电流尖峰过后约50ns至100ns就已经加上全部电压。最迟在这个时间的最后时刻应该加上了这个电压。
一种比较廉价的和电路结构较简单的方案是仅在阳极电路中连接一个电感13就可以取代一个二极管1的独立的控制单元14(见图3)。在此电感13上感应出一个与电流变化dI/dt成正比的电压。如果二极管1集成在一个模块管壳内，那么连接二极管电极和模块接线端的焊线正好提供所必要的电感。在此情况下甚至可以不需要另外再接电感。感应电压的极性是在下降的二极管电流范围内，就是说一直到反向电流达到尖峰的时刻，控制电极的极性总是负的。一旦越过反向电流尖峰，电流方向发生变化，感应电压的极性也就发生变化，于是二极管控制电极上将加上正电压。基于通常的有限的电压上升速度，电压极性的改变恰好发生在损耗功率最大值时刻的附近。从而使所希望的电子注入自动地出现在最佳时刻。
图1只示出了本发明二极管1的一部分。然而一个性能良好的二极管需要很多个图中所示的单元。因为在换向时必须由p+阳极发射区9收集高密度的空穴电流，所以与功率MOSFET的情况相似，这里存在着寄生的、由半导体基片4、阳极发射区9和短路区10形成的n-p-n结构触发的危险。由于这个原因，单元之间的距离，就是说两个槽状阳极发射区9之间的距离的选择，与IGBT的情况相比必须小很多。但是也要避免单元之间的距离过短，因为由于JFET效应使电子发射出现困难或者甚至完全被阻止。实验表明性能良好的二极管的最佳单元间距约为50μm。
因为本发明的二极管特别适于高压(从约1200V开始)，所以得到半导体基片典型厚度＞100μm，掺杂浓度约为1-2×1014cm-3。阴极发射区8具有典型掺杂浓度＞1017cm-3。阳极一侧的绝缘层15具有氧化物厚度约100μm。槽形阳极发射区9的典型数据是边缘浓度约为1019cm-3，深度约为5μm。短路区10最好掺杂浓度为1019cm-3。阳极发射区9范围内的金属化窗口的典型值是10-20μm。
所以本发明的二极管具有一种能够可靠地控制高电压和高dI/dt变化速率的结构。
                   符号表
1.    半导体二极管
2.    第一主平面
3.    第二主平面
4.    半导体基片
5.    金属层
6.    阳极
7.    阴极
8.    阴极发射区
9.    阳极发射区
10.   短路区
11.   控制电极
12.   半导体开关
13.   电感
14.   控制单元
15.   绝缘层

Claims (7)

1.半导体二极管(1)，特别是用于变流电路装置的续流二极管，含有介于第一和第二主平面(2、3)之间的一个n-型掺杂的半导体基片(4)，一个由覆盖第一主平面(2)的金属层(5)构成的阴极(7)和一个由覆盖第二主平面(3)的金属层(5)所构成的阳极(6)以及一个由第一主平面(2)向半导体基片(4)内扩散制成的n-型掺杂的阴极发射区(8)和一个由第二主平面(3)向半导体基片(4)内扩散制成的p-型掺杂的阳极发射区(9)，其特征在于，在第二主平面(3)上设置电子注入结构，使其在电流换向期间能注入电子。
2.根据权利要求1所述二极管，其特征在于，电子注入结构至少包含一个n-沟道MOS—单元。
3.根据权利要求2所述二极管，其特征在于，阳极发射区(9)包含许多p-型掺杂的槽状区，其中，介于两个相邻槽状区之间的半导体基片(4)挤入至第二个主平面(3)，并且MOS—单元含有n-型掺杂的，向槽形阳极发射区(9)内扩散形成的和由一个绝缘的在第二主平面(3)上方安置的控制电极(11)所覆盖的短路区(10)。
4.具有至少一个半导体开关(12)，特别是一个IGBT，和一个与半导体开关(12)反极性并联的续流二极管的变流电路装置，其特征在于，根据权利要求1—3之一所述的二极管用作续流二极管。
5.根据权利要求4所述具有权利要求3特征的二极管的变流电路装置，其特征在于，二极管(1)的控制电极(11)与控制单元(14)连接，在换向时此单元向控制电极(11)所加的电压相对于阳极(6)是正电压。
6.根据权利要求4所述具有权利要求3特征的二极管的变流电路装置，其特征在于，阳极(6)经电感(13)与半导体开关(12)连接，并且控制电极(11)直接与半导体开关912)连接。
7.根据权利要求6所述变流电路装置，其特征在于，二极管(1)集成在一个具有阳极—阴极—和控制电极引出线的管壳内，并且电感(13)由连接阳极(6)和阳极引出线的连接线的电感所构成。
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