CN113555416B - 一种功率二极管器件 - Google Patents
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Abstract
一种功率二极管器件，其元胞结构包括：n型轻掺杂浓度的漂移区，所述n型轻掺杂浓度的漂移区的上部平面相接触的设有阳极结构，所述n型轻掺杂浓度的漂移区的下部平面相接触的设有阴极结构，所述阳极结构由至少一个p型重掺杂浓度的阳极区和至少一个的p型中等掺杂浓度的槽型阳极区构成，所述阴极结构由至少一个n型重掺杂浓度的阴极区和至少一个p型重掺杂浓度的阴极区构成，所述p型重掺杂浓度的阴极区与所述n型重掺杂浓度的阴极区通过第一背面槽型介质区以及第二背面槽型介质区相互隔离。本发明与普通PiN功率二极管相比，本发明提供的功率二极管能够降低反向恢复电荷以及提高反向恢复软度，消除反向恢复过程中的电流和电压的震荡。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件相关技术领域，尤其涉及一种功率二极管器件。
背景技术
功率二极管常用于续流应用，其用于续流应用的功率二极管也称为续流二极管。
在续流应用中，续流二极管的反向恢复软度需要高（避免电流和电压的震荡），以及反向恢复电荷需要少（降低反向恢复峰值电流以及反向恢复功耗）。降低少子寿命能够降低反向恢复电荷，但一味地降低少子寿命会以增加反偏漏电流为代价。阳极集成n型肖特基接触可以降低阳极的空穴注入效率从而降低反向恢复电荷，但该n型肖特基接触在阻断态下为反偏，高温工作下n型肖特基接触的反偏漏电流会大幅增加。在给定耐压要求下，为了降低Si续流二极管的反向恢复电荷，通常采用寿命控制技术将少子寿命降低至漏电流可以接受的量级，另外再尽量减薄漂移区的厚度，即采用场截止型的PiN结构（在击穿电压下整个漂移区全部耗尽）。
然而，场截止型的PiN结构会导致反向恢复软度降低。这主要是因为，在二极管反向恢复过程中的反向偏压逐渐增加时，体内的非平衡载流子随着耗尽区的扩展快速从体内排出；场截止型的PiN结构在反向恢复电流达到峰值时（反向偏压已较高），中性区已较薄，体内存储的非平衡载流子较少，于是反向恢复电流从峰值回升至零的整个过程或某个阶段变得非常很快（即存在较高的反向恢复电流速率dir/dt），这导致了较低的反向恢复软度。高的dir/dt会引发回路中寄生电感上的显著压降，进而引发续流二极管的电流和电压的震荡（引发电磁干扰的问题），乃至于引发续流二极管的烧毁。
发明内容
本发明提供一种功率二极管器件，以解决上述现有技术的不足，且本发明与普通PiN功率二极管相比，本发明提供的功率二极管能够降低反向恢复电荷以及提高反向恢复软度，消除反向恢复过程中的电流和电压的震荡，具有较强的实用性。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：
一种功率二极管器件，其元胞结构包括：n型轻掺杂浓度的漂移区，所述n型轻掺杂浓度的漂移区的上部设有阳极结构，所述n型轻掺杂浓度的漂移区的下部设有阴极结构；
所述阳极结构由至少一个p型重掺杂浓度的阳极区和至少一个的p型中等掺杂浓度的槽型阳极区构成；
所述p型中等掺杂浓度的槽型阳极区深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区并与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触，所述p型中等掺杂浓度的槽型阳极区的顶部平面与所述p型重掺杂的阳极区的底部平面直接接触，所述p型重掺杂浓度的阳极区的底部平面还与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触；
所述p型重掺杂浓度的阳极区上侧覆盖有阳极导体并形成欧姆接触；
所述阳极导体的一部分从器件顶部平面向下深入所述p型中等掺杂浓度的槽型阳极区；所述阳极导体与所述p型重掺杂的阳极区直接接触形成欧姆接触；
所述阳极导体与所述p型中等掺杂浓度的槽型阳极区直接接触形成肖特基接触；
所述阳极导体连接至阳极；
所述阴极结构由至少一个n型重掺杂浓度的阴极区和至少一个p型重掺杂浓度的阴极区构成，所述p型重掺杂浓度的阴极区与所述n型重掺杂浓度的阴极区通过第一背面槽型介质区以及第二背面槽型介质区相互隔离；
所述n型重掺杂浓度的阴极区以及所述p型重掺杂浓度的阴极区的底部平面与阴极导体直接接触形成欧姆接触；
所述阴极导体连接至阴极；
所述第一背面槽型介质区从器件背面向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第一背面槽型介质区的顶部区域被第一n型掺杂的截止环包围，所述第一背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区以及所述p型重掺杂浓度的阴极区均直接接触且不与所述n型重掺杂浓度的阴极区直接接触；
所述第一n型掺杂的截止环与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触；
所述第二背面槽型介质区从器件背面向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第二背面槽型介质区的顶部区域被第二n型掺杂的截止环包围；
所述第二背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区以及所述n型重掺杂浓度的阴极区均直接接触且不与所述p型重掺杂浓度的阴极区直接接触；
所述第二n型掺杂的截止环与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触；
相邻的两个所述第一背面槽型介质区之间为所述n型轻掺杂浓度的漂移区和所述p型重掺杂浓度的阴极区；相邻的两个所述第一n型掺杂的截止环连通形成一个长截止环；
所述第一n型掺杂的截止环不与所述第二n型掺杂的截止环连通；
相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间为所述n型轻掺杂浓度的漂移区和一个绝缘介质层；
相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间的n型轻掺杂浓度的漂移区的底部平面与所述绝缘介质层的顶部平面直接接触；
所述第一背面槽型介质区、所述第二背面槽型介质区以及所述绝缘介质层的底部平面与所述阴极导体直接接触。
进一步地，相邻的两个所述第一背面槽型介质区之间不含有第三背面槽型介质区或含有第三背面槽型介质区；
当相邻的两个所述第一背面槽型介质区之间含有第三背面槽型介质区时，所述第三背面槽型介质区从器件背面的所述p型重掺杂浓度的阴极区的所在位置向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第三背面槽型介质区的顶部区域被第三n型掺杂的截止环包围，所述第三背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区以及所述p型重掺杂浓度的阴极区均直接接触而不与所述n型重掺杂浓度的阴极区直接接触；
所述第三n型掺杂的截止环与所述第一n型掺杂的截止环连通；
所述第三背面槽型介质区的底部平面与所述阴极导体直接接触。
进一步地，相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间不含有第四背面槽型介质区或含有第四背面槽型介质区；
当相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间含有第四背面槽型介质区时，
所述第四背面槽型介质区从器件背面的所述绝缘介质层的所在位置向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第四背面槽型介质区的顶部区域被第四n型掺杂的截止环包围，所述第四背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触且不与所述n型重掺杂浓度的阴极区以及所述p型重掺杂浓度的阴极区直接接触；
所述第四n型掺杂的截止环既不与所述第一n型掺杂的截止环连通，也不与所述第二n型掺杂的截止环连通；
所述第四背面槽型介质区的底部平面与所述阴极导体直接接触。
上述技术方案的优点在于：
本发明与普通PiN功率二极管相比，本发明提供的功率二极管能够降低反向恢复电荷以及提高反向恢复软度，消除反向恢复过程中的电流和电压的震荡，具有较强的实用性。
附图说明
图1示出了实施例一中提供的第一种功率二极管结构图。
图2示出了实施例二中提供的第二种功率二极管结构图。
图3示出了实施例三中提供的第三种功率二极管结构图。
图4示出了实施例四中提供的第四种功率二极管结构图。
图5示出了实施例五中提供的第五种功率二极管结构图。
图6示出了第一种功率二极管、第二种功率二极管和第三种功率二极管的击穿I-V曲线。
图7示出了第一种功率二极管以及减薄8μm后第一种功率二极管的反向恢复电流波形。
图8示出了第二种功率二极管与第三种功率二极管反向恢复电流波形。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。
术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致等于”并不仅仅表示绝对的等于，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
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。
实施例1
如图1所示，为第一种功率二极管结构的结构示意图，从图中可以看出，第一种功率二极管包括阳极导体10，阳极导体10连接有p型重掺杂浓度的阳极区12，p型重掺杂浓度的阳极区12连接于n型轻掺杂浓度的漂移区13，n型轻掺杂浓度的漂移区13的下部连接于n型重掺杂浓度的阴极区14，n型重掺杂浓度的阴极区14连接于阴极导体11。第一种功率二极管在阻断态下，n型轻掺杂浓度的漂移区13耗尽，用于承受外加电压，耗尽区内产生的电子在电场的作用下流入n型重掺杂浓度的阴极区14，耗尽区内产生的空穴在电场的作用下流入p型重掺杂浓度的阳极区12。在导通态下，p型重掺杂浓度的阳极区12和n型重掺杂浓度的阴极区14分别向n型轻掺杂浓度的漂移区13注入空穴和电子，使n型轻掺杂浓度的漂移区13发生电导调制效应，n型轻掺杂浓度的漂移区13存储了较高浓度的非平衡载流子（非平衡电子和空穴）。在反向恢复过程中，n型轻掺杂浓度的漂移区13内存储的电子和空穴分别从体内经过n型重掺杂浓度的阴极区14和p型重掺杂浓度的阳极区12抽取出，最终达到稳定阻断态。通常，为了保证阳极A和阴极K形成良好的欧姆接触，p型重掺杂浓度的阳极区12和n型重掺杂浓度的阴极区14与导体接触的界面附近的掺杂浓度会接近或超过1×1017 cm-3。
实施例2
如图2所示，为第二种功率二极管结构示意图，从图中可以看出，第二种功率二极管包括阳极导体20，阳极导体20的下部连接有p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23和p型重掺杂浓度的阳极区22，p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23和p型重掺杂浓度的阳极区22下部连接有n型轻掺杂浓度的漂移区24，n型轻掺杂浓度的漂移区24下部连接有n型重掺杂浓度的阴极区25，n型重掺杂浓度的阴极区25连接于阴极导体21。
第二种功率二极管在第一种功率二极管的基础上在其顶部引入了含有p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23，p型重掺杂浓度的阳极区22和p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23交替排列。阳极导体20与p型重掺杂浓度的阳极区22形成欧姆接触。由于p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的掺杂浓度不高（表面掺杂浓度为1016 cm-3量级），阳极导体20与p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的接触比较容易形成肖特基接触。p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的作用是降低反向恢复电荷。在正向导通态下，当正电压超过pn结开启电压（约0.7V）时，主要由p型重掺杂浓度的阳极区22向n型轻掺杂浓度的漂移区24注入空穴，然后空穴向下漂移并在n型重掺杂浓度的阴极区25附近堆积，而n型重掺杂浓度的阴极区25向n型轻掺杂浓度的漂移区24注入电子，电子向上漂移并在p型重掺杂浓度的阳极区22以及p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的附近堆积，这使n型轻掺杂浓度的漂移区24体内发生电导调制效应，器件导通。由于p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的掺杂剂量（也即掺杂浓度在垂直方向上的积分）较低，电子能够比较容易进入p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23，并被肖特基接触收集，因此阳极A一侧n型轻掺杂浓度的漂移区24的非平衡载流子浓度得以降低，从而降低了反向恢复电荷。然而，p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的掺杂剂量不能太低，在阻断态下须防止其发生穿通击穿。利用泊松方程（临界击穿电场以2×105V/cm计算）可以计算得到，p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的掺杂剂量须大于等于1.5×1012 cm-2。以1μm的厚度做计算，p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的平均掺杂浓度须大于1.5×1016 cm-3。所以，为了避免发生穿通，p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的表面掺杂浓度会在1016 cm-3量级。当然，通过某些工艺处理，在此表面掺杂浓度量级下也可以形成欧姆接触，但会增加工艺难度。理论上，无论p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23与阳极导体20的接触性质是欧姆接触还是肖特基接触，两者的器件电学特性很接近。因为，电子电流由p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23中的电子扩散运动决定，而肖特基接触和欧姆接触两种情形下的电子浓度梯度十分接近。
实施例3
如图3所示，为第三种功率二极管结构示意图。从图中可以看出，其元胞结构包括：n型轻掺杂浓度的漂移区34，n型轻掺杂浓度的漂移区34的上部平面相接触的设有阳极结构，n型轻掺杂浓度的漂移区34的下部平面相接触的设有阴极结构。其中，为了便于表述，n型轻掺杂浓度的漂移区34采用漂移区34表述，且漂移区34实质等同于n型轻掺杂浓度的漂移区34。
阳极结构由至少一个p型重掺杂浓度的阳极区32和至少一个的p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33构成，p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33深入n型轻掺杂浓度的漂移区34并与n型轻掺杂浓度的漂移区34直接接触，p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33的顶部平面与p型重掺杂浓度的阳极区32的底部平面直接接触，p型重掺杂浓度的阳极区32的底部平面还与n型轻掺杂浓度的漂移区34直接接触，p型重掺杂浓度的阳极区32上侧覆盖有阳极导体30并形成欧姆接触，阳极导体30的一部分从器件顶部平面向下深入p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33。阳极导体30与p型重掺杂浓度的阳极区32直接接触形成欧姆接触，阳极导体30与p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33直接接触形成肖特基接触，阳极导体30连接至阳极A。
阴极结构由至少一个n型重掺杂浓度的阴极区37和至少一个p型重掺杂浓度的阴极区39构成，p型重掺杂浓度的阴极区39与n型重掺杂浓度的阴极区37通过第一背面槽型介质区392以及第二背面槽型介质区38相互隔离，n型重掺杂浓度的阴极区37以及p型重掺杂浓度的阴极区39的底部平面与阴极导体31直接接触形成欧姆接触，阴极导体31连接至阴极K，第一背面槽型介质区392从器件背面向上深入n型轻掺杂浓度的漂移区34，第一背面槽型介质区392的顶部区域被第一n型掺杂的截止环36包围，第一背面槽型介质区392的侧面与n型轻掺杂浓度的漂移区34以及p型重掺杂浓度的阴极区39均直接接触且不与n型重掺杂浓度的阴极区37直接接触，第一n型掺杂的截止环36与n型轻掺杂浓度的漂移区34直接接触，第二背面槽型介质区38从器件背面向上深入n型轻掺杂浓度的漂移区34，第二背面槽型介质区38的顶部区域被第二n型掺杂的截止环35包围，第二背面槽型介质区38的侧面与n型轻掺杂浓度的漂移区34以及n型重掺杂浓度的阴极区37均直接接触且不与p型重掺杂浓度的阴极区39直接接触，第二n型掺杂的截止环35与n型轻掺杂浓度的漂移区34直接接触，相邻的两个第一背面槽型介质区392之间为n型轻掺杂浓度的漂移区34和p型重掺杂浓度的阴极区39，相邻的两个第一n型掺杂的截止环36连通形成一个长截止环，第一n型掺杂的截止环36不与第二n型掺杂的截止环35连通，相邻的第一背面槽型介质区392与第二背面槽型介质区38之间为n型轻掺杂浓度的漂移区34和一个绝缘介质层390，相邻的第一背面槽型介质区392与第二背面槽型介质区38之间的n型轻掺杂浓度的漂移区34的底部平面与绝缘介质层390的顶部平面直接接触，第一背面槽型介质区392、第二背面槽型介质区38以及绝缘介质层390的底部平面与阴极导体31直接接触。
其中，第三种功率二极管与第二种功率二极管结构的主要区别在于：第一，采用了p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33并与阳极导体30形成肖特基接触，用于进一步降低反向恢复电荷；第二，增加了p型重掺杂浓度的阴极区39，并通过第一背面槽型介质区392及第二背面槽型介质区38与n型重掺杂浓度的阴极区37相隔离，其用于在反向恢复过程中注入空穴，抑制反向恢复过程中的电流和电压的震荡；第三，增加了第一n型掺杂的截止环36用于防止阻断态下电场穿通至p型重掺杂浓度的阴极区39，增加了第二n型掺杂的截止环35，用于避免第二背面槽型介质区38顶部区域的电场集中效应。
在阻断态下，随着阴极K与阳极A之间的电压增加，漂移区34中的耗尽区从上至下扩展。当耗尽区扩展至第一n型掺杂的截止环36，电场被截止，第一n型掺杂的截止环36正下方的漂移区34不发生耗尽，避免电场穿通至p型重掺杂的阴极区39。在阻断态下，耗尽区内产生的电子一部分直接流入n型重掺杂浓度的阴极区37，而有一部分会被第一n型掺杂的截止环36收集并注入到p型重掺杂浓度的阴极区39，于是p型重掺杂浓度的阴极区39也会向漂移区34注入空穴。由于第一n型掺杂的截止环36与漂移区34存在浓度差，使得两者的界面附近形成内建电场，该内建电场的方向是从第一n型掺杂的截止环36指向漂移区34，因而能起到抑制空穴进一步注入到第一n型掺杂的截止环36的作用，从而降低了p型重掺杂浓度的阴极区39注入的空穴对漂移区34顶部pn结处的碰撞电离放大效应。因此，p型重掺杂浓度的阴极区39对降低击穿电压的效果不明显，且从图6中可知第一种功率二极管、第二种功率二极管以及第三种功率二极管的击穿电压接近。
在正向导通态下，由于p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33深入漂移区34，p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33下方的电子会很容易被收集，而p型重掺杂浓度的阳极区32下方的电子也很容易被p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33的侧面收集，因此第三种功率二极管的p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33会比第二种功率二极管中的p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23有更强的收集电子的能力，由于第三种功率二极管比第二种功率二极管有更低的阳极区空穴注入效率，因此第三种功率二极管也就能有比第二种功率二极管更低的反向恢复电荷，如图8所示。
在反向恢复过程中产生电流和电压的震荡的主要原因是电流从反向峰值恢复到零这个阶段的电流恢复速率（dir/dt）过高。在反向峰值恢复过程中，第三种功率二极管的p型重掺杂浓度的阴极区39能够向漂移区34注入空穴，降低了dir/dt，其中注入空穴的机理有两种，分别是反向恢复电流较大情形和反偏电压较大情形下的空穴注入。
注入空穴的机理如下所述：
随着反向恢复的进行，电子从体内流入n型重掺杂浓度的阴极区37，空穴从体内流入p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33和p型重掺杂浓度的阳极区32。于是，n型重掺杂浓度的阴极区37上方附近的漂移区34区域的电子浓度会逐渐降低，绝缘介质层390上方附近的漂移区34区域的电子浓度也逐渐降低，于是电子从第一n型掺杂的截止环36流入n型重掺杂浓度的阴极区37的路径上的电阻增加（此时n型重掺杂浓度的阴极区37上方附近的漂移区34区域以及绝缘介质层390上方附近的漂移区34区域还未耗尽，电阻阻值较低）。当这个路径上流过了足够大的电子电流时，第一n型掺杂的截止环36以及p型重掺杂浓度的阴极区39上方附近的漂移区34区域的电位会比n型重掺杂浓度的阴极区37的电位低0.7 V及以上。这时其内的非平衡电子就能经过第一n型掺杂的截止环36和p型重掺杂浓度的阴极区39上方附近的漂移区34区域注入到p型重掺杂浓度的阴极区39，p型重掺杂浓度的阴极区39也就能向漂移区34注入空穴。这样阴极K一侧的非平衡载流子浓度得到了补充，将增加电流恢复至零的时间，降低dir/dt。这个注入空穴的过程主要发生在反向恢复电流比较大的时刻。当反向恢复电流从较大值变为较小值时，电子电流会逐渐减小，p型重掺杂浓度的阴极区39与p型重掺杂浓度的阴极区39上方附近的漂移区34区域的电位差逐渐减小，p型重掺杂浓度的阴极区39注入漂移区34的空穴电流也逐渐减小。
当反向恢复电流比较低时，反偏电压已经比较高，耗尽区已经扩展至或接近扩展至第一种n型掺杂的截止环36。阴极K一侧的非平衡电子浓度已比较低，这时第一n型掺杂的截止环36与第二n型掺杂的截止环35之间的漂移区34的电阻以及n型重掺杂浓度的阴极区37上方附近的漂移区34区域的电阻均逐渐增加，从而使电子从第一n型掺杂的截止环36流向n型重掺杂浓度的阴极区37的路径上的电阻增加。当这个路径上的电阻增加的速率能跟得上电子电流降低的速率，p型重掺杂浓度的阴极区39与p型重掺杂浓度的阴极区39上方附近的漂移区34区域的电位差也能维持在0.7 V以上，从而维持p型重掺杂浓度的阴极区39的空穴注入。
具体地，在比较极端的工作条件下，比如当反偏电压未达到外加偏压但耗尽区已扩展至第一n型掺杂的截止环36或是由于寄生电感引起反偏电压突然增大使耗尽区扩展至第一n型掺杂的截止环36时，体内已经几乎没有非平衡载流子，绝缘介质层390上方附近的漂移区34区域也会耗尽掉，从第一n型掺杂的截止环36到n型重掺杂浓度的阴极区37的电子通路变为高阻态。如果反偏电压继续增加，第一n型掺杂的截止环36会耗尽掉一部分，其内部的电子需排出。由于这部分电子难以流入n型重掺杂浓度的阴极区37，只能流入p型重掺杂浓度的阴极区39，p型重掺杂浓度的阴极区39会再次向漂移区34注入空穴，从而减缓反向恢复电流的变化速率，抑制电流和电压的震荡。
需要说明的是，虽然p型重掺杂浓度的阴极区39在反向恢复过程中会向漂移区34注入空穴，这又会增加一部分反向恢复电荷。但是，由于引入了p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33，因此第三种功率二极管仍然有着比第一种功率二极管和第二种功率二极管更低的反向恢复电荷。
实施例4
如图4所示，为第四种功率二极管结构示意图，从图中可知，与如图3所示的第三种功率二极管主要区别在于，在相邻的两个所述第一背面槽型介质区48之间设置了第三背面槽型介质区490，第三背面槽型介质区490从器件背面的p型重掺杂浓度的阴极区49的所在位置向上深入n型轻掺杂浓度的漂移区44。第三背面槽型介质区490的顶部区域被第三n型掺杂的截止环493包围，第三背面槽型介质区490的侧面与n型轻掺杂浓度的漂移区44以及p型重掺杂浓度的阴极区49均直接接触而不与n型重掺杂浓度的阴极区45直接接触。第三n型掺杂的截止环493与第一n型掺杂的截止环492连通。第三背面槽型介质区490的底部平面与阴极导体41直接接触。
如图3中所示的第三种功率二极管中的第一n型掺杂的截止环36包围第一背面槽型介质区392顶部区域的结构的制作工艺为：背面刻槽，背面n型离子注入，填充第一背面槽型介质区392，退火或者推进。由于p型重掺杂浓度的阴极区39需要连通的截止环来截止阻断态下的电场，而第一n型掺杂的截止环36的横向扩散的长度有限，因而p型重掺杂浓度的阴极区39的宽度较窄。而当引入如图4中所示中的第三背面槽型介质区490，就可以增加第三n型掺杂的截止环493，p型重掺杂浓度的阴极区49的总宽度也就能相应的增加。p型重掺杂浓度的阴极区49的总宽度可以调节p型重掺杂的阴极区49向漂移区44注入空穴的能力，从而调节反向恢复电流的变化速率。
实施例5
如图5所示，为第五种功率二极管结构示意图，从图中可以看出其与如图3所示的第三种功率二极管主要区别在于，在相邻的第一背面槽型介质区58与第二背面槽型介质区57之间设置了第四背面槽型介质区59。第四背面槽型介质区59从器件背面的绝缘介质层590的所在位置向上深入n型轻掺杂浓度的漂移区54内。第四背面槽型介质区59的顶部区域被第四n型掺杂的截止环593包围，第四背面槽型介质区59的侧面与n型轻掺杂浓度的漂移区54直接接触且不与n型重掺杂浓度的阴极区55以及p型重掺杂浓度的阴极区56直接接触。第四n型掺杂的截止环593既不与第一n型掺杂的截止环592连通，也不与所述第二n型掺杂的截止环591连通。第四背面槽型介质区59的底部平面与阴极导体51直接接触。
引入第四背面槽型介质区59可以有效地增加反向恢复过程中电子从第一n型掺杂的截止环592流到n型重掺杂浓度的阴极区55的路径的长度，从而提高p型重掺杂浓度的阴极区56向n型轻掺杂浓度的漂移区54注入空穴的能力。
为了说明本发明的功率二极管的优越性，这里以本发明的第三种功率二极管（如图3中所示）与第一种功率二极管（如图1所示）以及第二种功率二极管（如图2所示）进行仿真对比。
仿真采用了三种结构的半个元胞，宽度是8 μm；电子和空穴的少子寿命均为0.2 μs；n型重掺杂浓度的阴极区的厚度和峰值掺杂浓度分别为0.6 μm和3×1018 cm-3；p型重掺杂浓度的阳极区的厚度和峰值掺杂浓度分别为2 μm和3×1018 cm-3；n型轻掺杂浓度的漂移区的厚度和掺杂浓度分别为77 μm和6×1013 cm-3。
在第二种功率二极管中（如图2所示），p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23的总宽度、厚度和峰值掺杂浓度分别为4 μm、1 μm和5.5×1016 cm-3，p型中等掺杂浓度的水平型阳极区23与阳极导体20形成的接触采用了势垒高度为0.4 eV的肖特基接触。
在第三种功率二极管中（如图3所示），p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33的总宽度、深度和峰值掺杂浓度分别为4 μm、2.5 μm和9×1016 cm-3，n型重掺杂的阴极区37的宽度、厚度和峰值掺杂浓度分别为2 μm、0.6 μm和3×1018 cm-3，p型重掺杂的阴极区39的宽度、厚度和峰值掺杂浓度均分别为1 μm、0.6 μm和5×1019 cm-3；第一背面槽型介质区392和第二背面槽型介质区38采用的是SiO2，其宽度为1 μm，深度为5 μm；绝缘介质层390采用的是SiO2，其厚度为100 nm；第一n型掺杂的截止环36和第二n型掺杂的截止环35的峰值掺杂浓度为2×1016 cm-3，扩散长度为0.8 μm；p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33与阳极导体20形成的接触采用了势垒高度为0.4 eV的肖特基接触。
图6示出了第一种功率二极管、第二种功率二极管和第三种功率二极管的击穿I-V曲线。从图中可以看到，第三种功率二极管的击穿电压（1340 V）与第一种功率二极管的击穿电压（1450 V）以及第二种功率二极管的击穿电压（1420 V）比较接近。第三种功率二极管的击穿电压相较于第一种功率二极管和第二种功率二极管的击穿电压低约100 V，这主要是因为第三种功率二极管引入了背面槽型介质区（392和38）和p型中等掺杂浓度的槽型阳极区33使其有效耐压的漂移区34的厚度少了约8 μm。并从图中可以看到，将第一种功率二极管减薄8 μm厚的n型轻掺杂浓度的漂移区13后，击穿电压就与第三种功率二极管击穿电压一致。
图8是第二种功率二极管和第三种功率二极管的反向恢复电流波形，其中还给出了第三种功率二极管中p型重掺杂的阴极区39的空穴电流的波形。二极管的有源区面积为0.5 cm2，外加电压源电压为1000 V，阳极A上串联的寄生电感为10 nH。从图7可得到，第一种功率二极管的反向恢复电荷（即图中电流为负值这一段波形所围的面积）为5.37 μC，第一种功率二极管结构减薄8 μm后的反向恢复电荷依然有5.31 μC。从图8可得到，第二种功率二极管的反向恢复电荷为2.8 μC，比第一种功率二极管结构降低了48%。第三种功率二极管的反向恢复电荷为2.3 μC，比第一种功率二极管结构降低了57%，比第二种功率二极管结构降低了19%。从第三种功率二极管中p型重掺杂浓度的阴极区39的空穴电流的波形可以看到，存在两个空穴电流为正值的阶段，这两个阶段都是p型重掺杂浓度的阴极区39向n型轻掺杂浓度的漂移区34注入空穴的阶段，其中一个阶段发生在反向恢复电流比较大的时候，而另一个阶段发生反向恢复电流比较低的时候（此时反偏电压较大）。由于这两个阶段具有连续性，p型重掺杂浓度的阴极区39始终能向n型轻掺杂浓度的漂移区34注入空穴，避免了反向恢复电流的陡然回升。即使外加电压源电压很高（1000 V），第三种功率二极管的电流从反向恢复峰值回升至0的过程依然很缓慢，且不出现电流震荡。第一种功率二极管的电流震荡很明显，第一种功率二极管结构减薄8 μm后的电流震荡会稍有所加强。第二种功率二极管结构虽然也有较低的反向恢复电荷，但电流震荡依然存在。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种功率二极管器件，其元胞结构包括：n型轻掺杂浓度的漂移区，所述n型轻掺杂浓度的漂移区的上部设有阳极结构，所述n型轻掺杂浓度的漂移区的下部设有阴极结构，其特征在于：
所述阳极结构由至少一个p型阳极区和至少一个的p型槽型阳极区构成；
所述p型槽型阳极区深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区并与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触，所述p型槽型阳极区的顶部平面与所述p型阳极区的底部平面直接接触，所述p型阳极区的底部平面还与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触；
所述p型阳极区上侧覆盖有阳极导体；
所述阳极导体的一部分从器件顶部平面向下深入所述p型槽型阳极区；
所述阳极导体与所述p型阳极区直接接触；
所述阳极导体与所述p型槽型阳极区直接接触；
所述阳极导体连接至阳极；
p型槽型阳极区为p型中等掺杂浓度的槽型阳极区；
所述阳极导体与所述p型槽型阳极区接触形成肖特基接触；
所述阴极结构由至少一个n型阴极区和至少一个p型阴极区构成，所述p型阴极区与所述n型阴极区通过第一背面槽型介质区以及第二背面槽型介质区相互隔离；
所述n型阴极区以及所述p型阴极区的底部平面与阴极导体直接接触；
所述阴极导体连接至阴极。
2.根据权利要求1所述的功率二极管器件，其特征在于：
p型阳极区为p型重掺杂浓度的阳极区。
3.根据权利要求2所述的功率二极管器件，其特征在于：
所述p型阳极区与阳极导体连接形成欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的功率二极管器件，其特征在于，所述第一背面槽型介质区从器件背面向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第一背面槽型介质区的顶部区域被第一n型掺杂的截止环包围，所述第一背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区以及所述p型阴极区均直接接触且不与所述n型阴极区直接接触；
所述第一n型掺杂的截止环与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触；
所述第二背面槽型介质区从器件背面向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第二背面槽型介质区的顶部区域被第二n型掺杂的截止环包围；
所述第二背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区以及所述n型阴极区均直接接触且不与所述p型阴极区直接接触；
所述第二n型掺杂的截止环与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触；
相邻的两个所述第一背面槽型介质区之间为所述n型轻掺杂浓度的漂移区和所述p型阴极区；
相邻的两个所述第一n型掺杂的截止环连通形成一个长截止环；
所述第一n型掺杂的截止环不与所述第二n型掺杂的截止环连通；
相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间为所述n型轻掺杂浓度的漂移区和一个绝缘介质层；
相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间的n型轻掺杂浓度的漂移区的底部平面与所述绝缘介质层的顶部平面直接接触；
所述第一背面槽型介质区、所述第二背面槽型介质区以及所述绝缘介质层的底部平面与所述阴极导体直接接触。
5.根据权利要求4所述的功率二极管器件，其特征在于：
p型阴极区为p型重掺杂浓度的阴极区；
n型阴极区n型重掺杂浓度的阴极区。
6.根据权利要求5所述的功率二极管器件，其特征在于，所述n型阴极区以及所述p型阴极区的底部平面与阴极导体接触形成欧姆接触。
7.根据权利要求1所述的功率二极管器件，其特征在于，绝缘介质层由SiO2制成，其厚度为100 nm。
8.根据权利要求5所述的功率二极管器件，其特征在于，相邻的两个所述第一背面槽型介质区之间不含有第三背面槽型介质区或含有第三背面槽型介质区；
当相邻的两个所述第一背面槽型介质区之间含有第三背面槽型介质区时，所述第三背面槽型介质区从器件背面的所述p型重掺杂浓度的阴极区的所在位置向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第三背面槽型介质区的顶部区域被第三n型掺杂的截止环包围，所述第三背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区以及所述p型重掺杂浓度的阴极区均直接接触而不与所述n型重掺杂浓度的阴极区直接接触；
所述第三n型掺杂的截止环与所述第一n型掺杂的截止环连通；
所述第三背面槽型介质区的底部平面与所述阴极导体直接接触。
9.根据权利要求5所述的功率二极管器件，其特征在于，相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间不含有第四背面槽型介质区或含有第四背面槽型介质区；
当相邻的所述第一背面槽型介质区与所述第二背面槽型介质区之间含有第四背面槽型介质区时，所述第四背面槽型介质区从器件背面的所述绝缘介质层的所在位置向上深入所述n型轻掺杂浓度的漂移区；
所述第四背面槽型介质区的顶部区域被第四n型掺杂的截止环包围，所述第四背面槽型介质区的侧面与所述n型轻掺杂浓度的漂移区直接接触且不与所述n型重掺杂浓度的阴极区以及所述p型重掺杂浓度的阴极区直接接触；
所述第四n型掺杂的截止环既不与所述第一n型掺杂的截止环连通，也不与所述第二n型掺杂的截止环连通；
所述第四背面槽型介质区的底部平面与所述阴极导体直接接触。
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Denomination of invention: A Power Diode Device Effective date of registration: 20230612 Granted publication date: 20211231 Pledgee: CITIC FINANCIAL LEASING Co.,Ltd. Pledgor: SICHUAN SHANGTE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023990000291 |