CN113437158A - 一种快恢复二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快恢复二极管，包括N型掺杂漂移区、重掺杂N型衬底区域以及位于N型掺杂漂移区与重掺杂N型衬底区域之间的N型掺杂缓冲层。N型掺杂缓冲层包括低掺杂电场缓冲层、电场终止层和反向恢复载流子存储层，低掺杂电场缓冲层与N型掺杂漂移区接触且低掺杂电场缓冲层的厚度较厚，低掺杂电场缓冲层的掺杂浓度高于N型掺杂漂移区的掺杂浓度；电场终止层位于低掺杂电场缓冲层和反向恢复载流子存储层之间，电场终止层的掺杂浓度高厚度薄，其掺杂浓度高于低掺杂电场缓冲层和反向恢复载流子存储层；反向恢复载流子存储层与所述重掺杂N型衬底区域接触，其浓度较低。本发明的快恢复二极管，可以降低器件在反向恢复时的过冲电压和软度影响。
Description
技术领域
本发明属于半导体产品技术领域，具体地说，本发明涉及一种快恢复二极管。
背景技术
开关器件在工作时需要与一个快恢复二极管(FRD，fast recovery diode)并联，快恢复二极管与负载形成环路，主要用在开关器件关断时给负载续流。随着功率半导体器件研发和制造技术的快速发展，电路中主开关器件的性能得到不断提升，这时就要求与之配套使用的FRD必须具有更佳的综合性能和更短的反向恢复时间。
FS-FRD是目前商业应用中最常见的FRD结构，其结构如图5所示，与常规FRD相比，FS-FRD在轻掺杂的N-漂移区与重掺杂的N+衬底接触区之间引入电场截止层，FS-FRD具有更薄的N-厚度以及更薄的器件有效厚度，降低应用损耗，提高器件综合性能，降低了器件成本。
常规FS-FRD使用重掺杂N型衬底通过两次外延形成，第一次外延生长N型场终止层，第二次外延低掺杂的N型漂移区。FS-FRD的N型杂质掺杂浓度分布以及反向耐压时的电场分布如图7所示，FS-FRD的掺杂从阳极到阴极依次是第一区域P型掺杂，第二区域N型轻掺杂，第三区域N型掺杂，和第四区域N型重掺杂，与常规FRD相比多引入了一个掺杂区域，多引入的第三区域N型掺杂浓度高于第二区域低于第四区域；FS-FRD的电场分布类似梯形分布，常规FRD的电场是三角形，因此FS-FRD仅需要更薄的厚度就能达到与常规FRD一致的耐压能力。
为了能够得到较好的电场截止效果，FS-FRD中的FS层的掺杂浓度一般比较高，将会高于1e15cm-3，二极管正向导通时，大量少数载流子存储在器件的第二区域，由于第三区域的场终止层掺杂浓度比较高，少数载流子在第三区域的复合效应比较强，因此在第三区域存储的少数载流子浓度偏低。在二极管处于反向恢复状态时，二极管的电压从正向变成反向，电场在器件内形成耗尽层，并随着反向电压的增大，耗尽层迅速达到场截止层，并将储存在器件内的少数载流子快速扫除。由于场截止层的少数载流子浓度比较低，因此在器件处于反向恢复状态时容易发生电流的崩溃，器件容易发生震荡，参数上体现为器件的软度小。小的软度以及反向恢复时发生的震荡将会限制二极管组成的开关电路中的开关速度，影响其适用频率范围。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种快恢复二极管，目的是降低器件在反向恢复时的过冲电压和软度影响。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种快恢复二极管，包括N型掺杂漂移区、重掺杂N型衬底区域以及位于N型掺杂漂移区与重掺杂N型衬底区域之间的N型掺杂缓冲层，所述N型掺杂缓冲层包括低掺杂电场缓冲层、电场终止层和反向恢复载流子存储层，低掺杂电场缓冲层与所述N型掺杂漂移区接触且低掺杂电场缓冲层的厚度较厚；电场终止层位于低掺杂电场缓冲层和反向恢复载流子存储层之间，电场终止层的掺杂浓度高厚度薄；反向恢复载流子存储层与所述重掺杂N型衬底区域接触，其浓度较低。
所述的低掺杂电场缓冲层的掺杂浓度高于所述的N型掺杂漂移区的掺杂浓度。
所述电场终止层的掺杂浓度高于所述的低掺杂电场缓冲层和所述的反向恢复载流子存储层。
所述电场终止层的厚度≤10um。
所述的快恢复二极管还包括正面阳极金属和设置于正面阳极金属上的正面P型掺杂结构，所述N型掺杂漂移区与正面P型掺杂结构接触，正面P型掺杂结构为P型间隔掺杂的MPS结构或整体P型掺杂。
所述的快恢复二极管还包括背面阴极金属，所述重掺杂N型衬底区域设置于背面阴极金属上。
本发明的快恢复二极管，可以降低器件在反向恢复时的过冲电压和软度影响，厚厚的低掺杂电场缓冲层掺杂浓度高于漂移区，厚厚的低掺杂电场缓冲层需要能够满足器件的高阻断能力，厚厚的低掺杂电场在反向恢复过程中减缓了耗尽层的延展，降低了器件在反向恢复过程中的过冲电压，小的过冲电压使得器件在反向恢复过程中具有更多的少子电荷通过扩散电流流出器件内部，器件具有更好的软度特性。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明快恢复二极管的结构简图；
图2是本发明快恢复二极管的掺杂曲线示意图；
图3是本发明快恢复二极管的电场分布图；
图4是本发明快恢复二极管的结构简图；
图5是现有技术的FS-FRD的结构简图；
图6是现有技术的常规FRD的结构简图；
图7是FS-FRD和常规FRD的掺杂曲线示意图；
图中标记为：
501、重掺杂N型衬底区域；502、N型掺杂缓冲层；5021、低掺杂电场缓冲层；5022、电场终止层；5023、反向恢复载流子存储层；503、N型轻掺杂漂移区；504、正面P型掺杂结构；505、正面阳极金属；506、背面阴极金属。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
需要说明的是，在下述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”和“第三”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。
如图1至图4所示，本发明提供了一种快恢复二极管，包括N型掺杂漂移区、重掺杂N型衬底区域501以及位于N型掺杂漂移区与重掺杂N型衬底区域501之间的N型掺杂缓冲层502，N型掺杂缓冲层502包括低掺杂电场缓冲层5021、电场终止层5022和反向恢复载流子存储层5023，电场终止层5022位于低掺杂电场缓冲层5021和反向恢复载流子存储层5023之间，低掺杂电场缓冲层5021与N型掺杂漂移区接触，反向恢复载流子存储层5023与重掺杂N型衬底区域501接触，低掺杂电场缓冲层5021的掺杂浓度高于N型掺杂漂移区的掺杂浓度。
具体地说，如图1和图4所示，本发明的快恢复二极管还包括正面阳极金属505、背面阴极金属506和设置于正面阳极金属505上的正面P型掺杂结构504，N型掺杂漂移区与正面P型掺杂结构504接触，重掺杂N型衬底区域501设置于背面阴极金属506上。本发明提出的一种高软度快恢复二极管结构特点如下：器件总共分成四个部分，第一部分是P型掺杂的阳极区域；第二部分是薄薄的N型轻掺杂漂移区503；第三部分是N型掺杂的缓冲层(其中包含三部分组成)；第四部分是N型重掺杂阴极区。
本发明的快恢复二极管的漂移区很薄，在反向恢复以及反向阻断时电场均快速通过N型轻掺杂的漂移区进入N型掺杂的缓冲层，N型轻掺杂的漂移区的掺杂浓度将对器件在反向恢复时的过冲电压和软度影响很小。
本发明的快恢复二极管的第三部分N型掺杂的缓冲层由三个区域组成，从阳极带阴极方向依次是厚厚的低掺杂电场缓冲层5021、电场终止层5022和反向恢复载流子存储层5023。
低掺杂电场缓冲层5021的掺杂浓度高于N型掺杂漂移区的掺杂浓度，低掺杂电场缓冲层5021的掺杂浓度低于电场终止层5022的掺杂浓度，低掺杂电场缓冲层5021的厚度≥25um。低掺杂电场缓冲层5021需要能够满足器件的高阻断能力，低掺杂电场缓冲层5021在反向恢复过程中减缓了耗尽层的延展，降低了器件在反向恢复过程中的过冲电压。小的过冲电压使得器件在反向恢复过程中具有更多的少子电荷通过扩散电流流出器件内部，器件具有更好的软度特性。
本发明的快恢复二极管的电场终止层5022较薄，电场终止层5022的厚度≤10um，在器件处于反向阻断状态时将电场截止，较薄的电场终止层5022有助于控制器件在反向恢复时的复合电流，使得少数载流子在器件处于反向恢复状态时少数载流子消失的不会过快，器件具有很好的反向恢复软度特性。
本发明的快恢复二极管的反向恢复载流子存储层5023位于电场终止层5022和重掺杂N型衬底区域501之间，器件在处于反向恢复过程中，电场不会到达载流子存储层，载流子存储层中的载流子不会被高电场扫除，另外载流子存储层的掺杂浓度比较小，在反向恢复过程中载流子存储层中的少数载流子仅有少部分被电子复合，这部分少数载流子只能通过扩散的方式消失，消失的比较慢，使得器件具有很好的反向恢复软度特性。
本发明的快恢复二极管的电场分布如图3所示，器件在反向阻断状态下电场终止于电场终止层5022，反向恢复载流子存储层5023将不承受电场，反向恢复载流子存储层5023的厚度以及掺杂浓度将不受器件击穿电场影响，因此可以根据器件导通压降与器件反向恢复软度进行折中，选择合适的反向恢复载流子存储层5023掺杂浓度以及厚度。
正面P型掺杂结构504为P型间隔掺杂的MPS结构，也可以是整体P型掺杂，或者是其他快恢复二极管的正面结构；器件的寿命控制方式可以是各种类型，例如扩铂、电子辐照、质子注入、氦离子注入或者是多种寿命控制方法的组合。
本发明的快恢复二极管的N型轻掺杂的漂移区很薄，在反向恢复以及反向阻断时电场均快速通过N型轻掺杂的漂移区进入N型掺杂的缓冲层，N型轻掺杂的漂移区的掺杂浓度将对器件在反向恢复时的过冲电压和软度影响很小。
采用多层外延的方法，通过控制外延时的掺杂杂质气体流量，可以实现快恢复二极管器件的N型掺杂电场缓冲层502和N型轻掺杂漂移区503。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种快恢复二极管，包括N型掺杂漂移区、重掺杂N型衬底区域以及位于N型掺杂漂移区与重掺杂N型衬底区域之间的N型掺杂缓冲层，其特征在于：所述N型掺杂缓冲层包括低掺杂电场缓冲层、电场终止层和反向恢复载流子存储层，低掺杂电场缓冲层与所述N型掺杂漂移区接触，电场终止层位于低掺杂电场缓冲层和反向恢复载流子存储层之间，反向恢复载流子存储层与所述重掺杂N型衬底区域接触。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于：所述低掺杂电场缓冲层的掺杂浓度高于N型掺杂漂移区的掺杂浓度且低于所述电场终止层的掺杂浓度。
3.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于：所述电场终止层的掺杂浓度高于低掺杂电场缓冲层和反向恢复载流子存储层的掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的快恢复二极管，其特征在于：所述电场终止层的厚度≤10um。
5.根据权利要求1至4任一所述的快恢复二极管，其特征在于：还包括正面阳极金属和设置于正面阳极金属上的正面P型掺杂结构，所述N型掺杂漂移区与正面P型掺杂结构接触，正面P型掺杂结构为P型间隔掺杂的MPS结构或整体P型掺杂。
6.根据权利要求1至4任一所述的快恢复二极管，其特征在于：还包括背面阴极金属，所述重掺杂N型衬底区域设置于背面阴极金属上。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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