CN113728443A - 改进反向恢复的分段功率二极管结构 - Google Patents

改进反向恢复的分段功率二极管结构 Download PDF

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Abstract

一种功率二极管包括多个二极管单元(10)。每个二极管单元(10)包括：第一导电类型的第一阳极层(40)；第一导电类型的第二阳极层(45)，掺杂浓度低于第一阳极层(40)并通过第一阳极层(40)与阳极电极层(20)分离；第二导电类型的漂移层(50)，与第二阳极层(45)形成pn结；第二导电类型的阴极层(60)，与阴极电极层(60)直接接触；以及阴极侧分割层(67)，与阴极电极层(30)直接接触。阴极侧分割层(67)的材料是第一导电类型的半导体，其中沿垂直于第二主侧(102)的方向集成的阴极侧的集成掺杂含量低于2·1013cm‑2，或者阴极侧分割层(67)的材料是绝缘材料。沿水平面(K1)穿过每个二极管单元(10)的水平横截面包括第一区域和第二区域，水平面(K1)在第一区域中与第二阳极层(45)相交，平面(K1)在第二区域中与漂移层(50)相交。

Description

改进反向恢复的分段功率二极管结构
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的功率二极管和包括这种功率二极管的反向传导(RC)集成门极换向晶闸管(IGCT)。
背景技术
鉴于需要在瞬态期间具有低开关损耗的更快的功率半导体器件，快速功率二极管的快速恢复已经被研究了许多年。快速恢复二极管通常与集成门极换向晶闸管(IGCT)、绝缘门极双极晶体管(IGBT)和门极关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GTO)结合使用，作为续流二极管、缓冲二极管(snubber diode)、和钳位二极管。
功率二极管在恢复周期期间的剩余存储电荷的耗尽会导致电流不连续(斩波(chop-off))，表现为电流斜率dI/dt。dI/dt作用于电路的电感，导致电压超调(VL＝-L dI/dt)，这可能导致器件的损坏。图1示出了恢复周期期间通过功率二极管的正向电流IF和电压的时间依赖性。从图1可以看出，在反向恢复周期结束时，二极管显示出了快速关断行为(快速恢复)。这主要是由于器件的厚度不足。在较低温度(25℃)和较低电流(小于标称电流的10％)下，快速恢复更为明显。通过增加器件的厚度可以降低快速恢复。然而，这又会导致传导和开关损耗的增加。
集成门极换向晶闸管(IGCT)已被确定为高功率应用(例如，中压驱动、抽水蓄能、铁道互联、和电能质量应用)的首选器件。如今，IGCT已针对电压源逆变器(VSI)、电流源逆变器(CSI)、和事件切换(固态断路器)应用进行了优化，并可作为不对称、对称(反向阻断)、和反向传导(RC)器件使用。对于VSI拓扑，非对称IGCT具有给定晶片尺寸的最高功率电平，而反向传导(RC)IGCT通过将功率二极管与门极换向晶闸管(GCT)单片集成在同一晶片上，提供紧凑性(减小尺寸和重量)并提高可靠性(减少组件数量)。
在RC-IGCT中，由于IGCT和二极管位于同一晶片上并且使用相同的电压力触点(一个在晶片的顶侧，另一个在晶片的底侧)，所以起始硅材料的选择仅限于一种厚度。厚度取决于器件电压和宇宙线弹性评级以及GCT和二极管部件的动态行为。后者包括上述二极管折断行为。虽然增加厚度可以改善上述三个方面，但也会增加两种运行模式下的损耗。在典型的RC-IGCT优化中，折断行为决定了最小晶片厚度，这就是为什么RC-IGCT改善二极管反向恢复这一方面的动机是双重的：GCT和二极管部件都将通过厚度减小而受益于较低的运行损耗。
根据EP 3 029 737 A1，已知背面空穴注入型二极管。通过更有效地确保来自半导体衬底背面的空穴注入的效果，提高了半导体器件的性能。在由P-N结形成的二极管中(P-N结包括形成在半导体衬底的主表面中的阳极P型层和形成在半导体衬底的背表面中的背表面N+型层)，在背表面中形成背表面P+型层，在背表面P+型层正上方的主表面中形成表面P+型层，从而提高来自背面的空穴注入的效果。
根据JP H06-29558 A，描述了一种静电感应二极管，其具有适于通过在阳极和阴极分区中的一个或两个分区中使用静电感应效应来设置平面结构并通过在高电阻层中设置寿命分布来获得高击穿电压的平面结构。随着与这些分区距离的增加，阳极和阴极侧附近的寿命设置较长，寿命分布逐渐缩短。阳极和阴极侧较深位置的寿命相对较短，以加速残余载流子的还原。因此，除了静电感应短路效应外，还可以实现反向恢复电荷量小、反向恢复时间短的高击穿电压二极管。
根据DE 3 631 136 A1可知，通过实现场电荷提取(FCE)概念，即通过在二极管阴极侧引入二极管阴极短路或p+分区，可以实现具有相对薄的硅层的无跳脱二极管。这些p+分区在反向恢复周期的尾部(结束)阶段注入空穴并支持电流，因此提高器件在二极管操作模式下的柔软度，而不会对器件在GCT操作模式下的性能产生太大影响。然而，器件在GCT模式下的安全操作区(SOA)或最大可控关断电流(MCC)能力在具有FCE设计的集成功率二极管的RC-IGCT中可能较低，因为FCE设计中的n缓冲区峰值掺杂浓度通常低于常规二极管设计(<1·1016cm-3)，并且在二极管阴极侧没有二极管阴极短路或p+区。此外，当寄生pnp晶体管的增益随着低缓冲掺杂的增加而增加时，具有FCE设计的这些结构中的漏电流可能更高。此外，FCE设计对器件的温度变化更为敏感。FCE效应更为明显，即在较高温度下，来自p+分区的载流子注入变得更高，这导致反向恢复损耗增加。由于FCE部件的长尾电流，FCE设计的强温度依赖性导致Tjmax和室温下的工艺曲线存在较大差异。
根据Tsukuda等人在2009年的《第21届功率半导体器件与集成电路国际研讨会论文集(International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC’s)》的第128-131页出版的“Dynamic Punch-Through Design of High-Voltage Diode for Suppressionof Waveform Oscillation and Switching Loss(抑制波形振荡和开关损耗的高压二极管动态穿孔设计)”，已知具有嵌入在n型阴极层中的氧化硅分区以覆盖阴极电极的一部分的功率二极管设计。描述了这种功率二极管设计可以抑制反向恢复期间的电流和电压振荡。
在Pfaffenlehner等人在2011年的《第23届功率半导体器件与集成电路国际研讨会论文集》的第108-111页出版的“Optimization of Diodes using SPEED concept andCIBH(利用速度概念和CIBH优化二极管)”中，描述了一种具有改进的浪涌电流强度的续流二极管。根据速度概念，在这种续流二极管中，阳极由位于低掺杂p发射极区域内的高掺杂p+区域组成。在低电流密度下，空穴注入主要来自两个p掺杂区域，但主要由p+区域决定。然而，当器件厚度较低时，这种使用速度概念的二极管可能表现出快速的反向恢复。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点，本发明的目的在于，提供一种功率二极管，其在宽温度范围内降低传导和开关损耗的同时表现出迅速的软恢复(即，无快速恢复)。
该目的通过根据权利要求1所述的功率二极管实现。根据权利要求1所述的功率二极管包括阳极电极层、阴极电极层、以及布置在阳极电极层和阴极电极层之间的多个二极管单元。从阳极电极层到阴极电极层的方向定义了竖直方向(竖直方向是连接阳极电极层和阴极电极层的最短线段的方向)。每个二极管单元包括：第一导电类型的阳极层，与阳极电极层直接接触；第一导电类型的第二阳极层，掺杂浓度低于第一阳极层并通过第一阳极层与阳极电极层分离；第二导电类型的漂移层，与第二阳极层形成pn结；第二导电类型阴极层，与阴极电极层直接接触；以及阴极侧分割层，与阴极电极层直接接触，其中，第二导电类型与第一导电类型不同。其中，阴极层具有比漂移层更高的掺杂浓度。阴极侧分割层的材料是第一导电类型的半导体或绝缘材料。在阴极侧分割层是第一导电类型的半导体的情况下，在沿垂直于第二主侧的方向集成的集成掺杂含量低于2·1013cm-2。第一阳极层在竖直方向上从阳极电极层延伸到第一深度，第二阳极层在竖直方向上从第一阳极层延伸到第二深度，第二深度大于第一深度。在第三深度沿垂直于竖直方向的水平面穿过每个二极管单元的水平横截面在每个二极管单元中包括第一区域和第二区域，其中，水平面在第一区域中与第二阳极层相交，水平面在第二区域中与漂移层相交，其中，第一深度小于第三深度，第三深度小于第二深度。漂移层可示例性地具有恒定掺杂浓度。其中，恒定掺杂浓度意味着掺杂浓度在整个漂移层中基本上是均匀的，但是，不排除由于制造原因，漂移层内的掺杂浓度可能会出现1到5倍的波动。
本发明的功率二极管的这种设计在阳极和阴极侧具有分段结构。具体地，它在阳极侧具有分段的第二阳极层，并且阴极层由阴极侧分段层分段。本发明的功率二极管的分段结构提高了最小厚度的功率二极管的反向恢复能力(在整个说明书中，功率二极管的厚度应指阳极电极层和阴极电极层之间的最短距离)。与在反向恢复周期的尾部(结束)阶段依赖于空穴注入的FCE二极管相比，本发明的功率二极管的特性对温度的依赖性更小。与FCE二极管相反，软反向恢复行为(即，如下面参考图6更详细地解释的反向恢复期间显著降低的电压峰值)不是阴极侧的p+分区的载流子注入的结果，而是未分段分区中剩余存储电荷的结果。
在第一示例性实施例中，在垂直于水平面的至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的第二阳极层通过相应的该对相邻的二极管单元的漂移层彼此横向分离。在整个说明书中，如果第一分区(或层)通过第三分区(或层)与第二分区(或层)分离，这意味着在第一分区和第二分区之间没有直接接触，但是从第一分区到第二分域有连续路径通过第三分域而不通过任何其他分区。
在第一示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的阴极侧分割层可通过相应的该对相邻的二极管单元的第二导电类型的阴极层彼此横向分离。这可以进一步提高功率二极管的反向恢复。
在第一示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的第二阳极层之间的最短横向距离Ld1可以在0.3·Lp1到Lp1的范围内，其中，Lp1是该对相邻的二极管单元中的每个二极管单元中的阴极侧分割层的最小横向宽度。
在第一示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的阴极侧分割层之间的最短横向距离Ln1可以在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是二极管单元的竖直厚度。
在第一示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，阴极侧分割层的横向宽度Lp1可以在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是二极管单元的竖直厚度。
在第二示例性实施例中，在垂直于水平面的至少一个竖直横截面中，漂移层的部分将每个二极管单元中的第二阳极层横向分离为两个独立分区，这两个独立分区从漂移层的该部分横向延伸到二极管单元的边缘。
在第二示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的阴极层可通过相应的该对相邻的二极管单元的阴极侧分割层彼此横向分离。
在第二示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的每个二极管单元中的第二阳极层的两个独立分域之间的最短横向距离Ld2可以在0.3·Lp2到Lp2的范围内，其中，Lp2是该对相邻的二极管单元的阴极层之间在至少一个竖直横截面中的最短横向距离。
在第二示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每个二极管单元的阴极层的横向宽度Ln2可以在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是二极管单元的竖直厚度。
在第二示例性实施例中，在至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元的两个阴极侧分割层之间的最短横向距离Lp2可以在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是二极管单元的竖直厚度。
在示例性实施例中，多个二极管单元都具有相同的设计或结构。根据该示例性实施例的功率二极管中的对称性允许最均匀的器件特性。
在示例性实施例中，功率二极管具有蜂窝结构，其中，每个二极管单元在水平横截面中具有六边形形状。或者，每个二极管单元在水平横截面中可具有条形形状。
在示例性实施例中，功率二极管包括第二导电类型的缓冲层。缓冲层的掺杂浓度高于漂移层且低于阴极层。缓冲层通过阴极层和通过阴极侧分割层与阴极电极层分离。缓冲层通过漂移层与第一阳极层和第二阳极层分离。在示例性实施例中，缓冲层的峰值掺杂浓度高于1·1016cm-3或高于2·1016cm-3或高于4·1016cm-3。与FCE设计相反，本发明的概念独立于缓冲器设计，即，缓冲器的峰值掺杂不限于低于某个极限的值，如同FCE设计的情况。由于缓冲层的峰值掺杂较高，本发明的功率二极管对温度变化的敏感性较低。
本发明的功率二极管可与门极换向晶闸管(GCT)集成在反向传导的集成门极换向晶闸管(RC-IGCT)器件中。在器件厚度最小的情况下，器件在二极管模式下具有软反向恢复特性。因此，可以在确保软恢复行为的同时，提高器件在二极管操作模式和GCT操作模式下的效率。
附图说明
下面将参考附图说明本发明的详细实施例，其中：
图1示出了在传统功率二极管的快速恢复期间的电流和电压的时间依赖性；
图2示出了根据第一、第三、和第四实施例的功率二极管的俯视图；
图3是包括在根据第一实施例的功率二极管中的九个二极管单元沿图5中的线I-I’的水平横截面；
图4是包括在根据第一实施例的功率二极管中的九个二极管单元沿图5中的线II-II′的水平横截面；
图5示出了第一实施例的功率二极管沿图3和图4中的线A-A′、B-B′、和C-C′中的任意一条线的竖直横截面；
图6示出了根据第一实施例的功率二极管和常规(未分段)的功率二极管在反向恢复期间的电流和电压的时间依赖性；
图7示出了根据第二实施例的功率二极管沿图9中的线I-I′的水平横截面；
图8示出了根据第二实施例的功率二极管沿图9中的线II-II′的水平横截面；
图9示出了根据第二实施例的功率二极管沿图7和图8中的线E-E′的竖直横截面；
图10示出了根据第三实施例的功率二极管沿图3和图4中的线A-A′、B-B′、和C-C′中的任意一条线的横截面；
图11示出了包括在根据第四实施例的功率二极管中的九个二极管单元沿图13中的线I-I′的水平横截面；
图12示出了包括在根据第四实施例的功率二极管中的九个二极管单元沿图13中的线II-II′的水平横截面；
图13示出了根据第四实施例的功率二极管沿图11和图12中的线A-A′、B-B′、和C-C′中的任意一条线的竖直横截面；和
图14示出了包括根据本发明实施例的功率二极管的RC-IGCT的俯视图。
参考符号列表中总结了图中使用的参考符号及其含义。通常，在整个说明书中，类似元件具有相同的参考符号。所描述的实施例旨在作为示例，并且不应限制本发明的范围。包含相同标号但具有不同破折号(dash)数的类似参考符号(例如，参考符号100；100'；100”；100”')指代不同实施例中的类似元件/实体。除非另有说明，这些类似的参考符号之一的特征描述应适用于这些参考符号指代的所有元件/实体。
具体实施方式
下面，参考图2至图6描述根据本发明第一实施例的功率二极管91(括号中的参考符号涉及下文进一步详细讨论的其他实施例)。图2在俯视图中示出了功率二极管91，图3是包括在功率二极管91中的九个二极管单元10沿图5中的线I-I'的水平横截面，图4是包括在功率二极管91中的九个二极管单元10沿图5中的线II-II'的水平横截面，并且图5示出了功率二极管91沿图3和图4中的线A-A′、B-B′、和C-C′中的任意一条线的横截面(在功率半导体器件91中，沿线A-A′的横截面与沿线B-B′的横截面相同，并且与沿线C-C′的横截面相同)。
功率二极管91包括具有第一主侧101和第二主侧102的半导体晶片100，如图5所示。从图2可以看出，半导体晶片100包括由边缘终止分区5横向包围的有源分区。在有源分区中，功率二极管91包括多个二极管单元10。除了直接邻近边缘终止分区5的不完整单元110外，所有二极管单元10可以具有相同的结构，其示例性地为六边形结构。六边形结构的特征在于，俯视图(即，在与第一主侧101正交的方向上的视图中，第一主侧101是竖直方向)中的六边形外部形状。具有六边形结构的二极管单元10在俯视图中形成蜂窝状图案，如图2所示。与不直接邻近边缘终止分区5的二极管单元10相比，直接邻近边缘终止分区5的不完整单元110可以具有不同的结构，其仅包括二极管单元10的六边形结构的部分。在图3和图4的水平横截面中，分别示出了具有相同六边形结构的九个相邻的二极管单元10。在图2到图4中，实线表示相邻二极管单元10之间的边界，而图3中的细虚线表示p型第二阳极层45沿图5中的线I-I′在第一水平面K1中的边界(即，外边缘或外围)，图4中的细虚线示出了阴极侧分割层67沿图5中的线II-II′在第二水平面K2中的边界。如图3和图4所示，p型第二阳极层45的边界和阴极侧分割层67的边界可以是六边形，类似于俯视图中的二极管单元10的外部形状。
图5示出了三个相邻(即，直接邻近)的二极管单元10沿图3和图4中的线A-A′、B-B′、和C-C′中的任意一条线的横截面图。如图5所示，功率二极管91包括形成在半导体晶片100的第一主侧101上的阳极电极层20和形成在半导体晶片100的第二主侧102上的阴极电极层30。阳极电极层20和阴极电极层30覆盖每个二极管单元10的至少一部分。例如，阳极电极层20和阴极电极层30可分别在第一主侧101和第二主侧102上形成为连续的金属化层。因此，半导体晶片100中的二极管单元10布置在阳极电极层20和阴极电极层30之间。每个二极管单元10包括与阳极电极层20直接接触的p型第一阳极层40、通过第一阳极层40与阳极电极层20分离的第二阳极层45(沿从阳极电极层20到阴极电极层30的任何直线垂直线，其中，竖直方向是从阳极电极层20到阴极电极层30的、沿连接阳极电极层20和阴极电极层30的最短线段的方向)、与第二阳极层45形成pn结的n型漂移层50、n型缓冲层65、与阴极电极层30直接接触的n型阴极层60、以及与阴极电极层30直接接触并与阴极侧分割层67交替的阴极侧分割层67。缓冲层65通过漂移层50与第一阳极层40和第二阳极层45分离，缓冲层65通过阴极层60和阴极侧分割层67与阴极电极层30分离。第二阳极层45可以是漂移层50内的阱区。
根据第一实施例的功率二极管91可以是基于硅的功率二极管，即，包括第一阳极层40、第二阳极层45、n型漂移层50、n型缓冲层65、以及n型阴极层60的半导体晶片100可以由硅制成。
根据第一实施例的功率二极管91中的第一阳极层40是由多个二极管单元10共享的连续层。在多个二极管单元10的所有二极管单元10中，第一阳极层40可在垂直于第一主侧101的方向上具有恒定厚度d1，即，第一阳极层40在竖直方向上从半导体晶片100的表面101延伸到第一深度d1。第二阳极层45在竖直方向上从第一阳极层40延伸到第二深度d2。
每对相邻二极管单元10的第二阳极层45通过相应的该对相邻二极管单元10的n型漂移层50的部分彼此横向分离。更具体地，如图3和图5所示，每个二极管单元10的第二阳极层45被漂移层50的部分横向包围并通过漂移层50的该部分与二极管单元10的外围分离。在整个说明书中，横向应指平行于第一主侧101或第二主侧102的方向。因此，每个二极管单元10的第二阳极层45在平行于第一主侧101(或平行于第二主侧102)的平面上以正交投影的方式被漂移层50的部分横向包围并通过该部分与二极管单元10的外围分离。因此，在第三深度d3沿垂直于竖直方向的第一水平面K1穿过每个二极管单元10的水平横截面在每个二极管单元10中包括第一区域和第二区域，第一水平面K1在第一区域中与第二阳极层45相交，第一水平面K1在第二区域中与漂移层50相交，其中，第三深度d3是第一阳极层40延伸到的深度d1和第二阳极层45延伸到的第二深度d2之间的深度。
在图5所示的竖直横截面中，每对相邻二极管单元10的两个第二阳极层45之间的最短横向距离被称为Ld1。由于功率二极管91中的二极管单元10的结构或设计的一致性，二极管单元10的阳极层45与该二极管单元10的外围之间的距离为Ld1/2，并且图5所示的横截面中的两个相邻第二阳极层45之间的距离Ld1对于所有对直接相邻的二极管单元10是相同的。
因此，包括第一阳极层40和第二阳极层45的p型分区在二极管单元10的外围具有第一深度d1，并且在二极管单元10的横向中心具有第二深度d2，其中，第二深度d2大于第一深度d1。示例性地，第一阳极层40在垂直于第一主侧101的方向上的厚度在2μm到80μm的范围内，即，第一深度d1在2μm到80μm的范围内。第二阳极层45在垂直于第一主侧101的方向上的厚度示例性地在50μm到200μm的范围内，即，第二深度d2和第一深度d1之间的差值d2-d1在50μm到200μm的范围内。第一阳极层40包括第一掺杂浓度的第一p型掺杂剂，第二阳极层45包括第二掺杂浓度的第二p型掺杂剂，该第二p型掺杂剂具有比第一p型掺杂剂更低的表面浓度。例如，第一p型掺杂剂与第二p型掺杂剂不同，例如，第一p型掺杂剂可以是硼(B)，第二p型掺杂剂可以是铝(Al)。
第一阳极层40的峰值掺杂浓度高于第二阳极层45的峰值掺杂浓度。例如，第一阳极层40的峰值掺杂浓度高于5·1017cm-3，而第二阳极层45的峰值掺杂浓度低于5·1017cm-3。
漂移层50由所有二极管单元10共享，并在每个二极管单元10的整个区域内以正交投影方式延伸到平行于第一主侧101的平面上，即，漂移层50横向延伸穿过每个二极管单元10。漂移层50在第一阳极层40与第二阳极层45在平行于第一主侧101的平面上不以正交投影方式重叠的区域中与第一阳极层40形成pn结。在第一阳极层40在平行于第一主侧101的平面上以正交投影方式与第二阳极层45重叠的区域中，漂移层50与第二阳极层45形成pn结。漂移层50的厚度取决于功率二极管的电压等级。漂移层50的掺杂浓度相对较低(与其他层(例如，缓冲层65)的掺杂浓度相比低)，例如低于5·1013cm-3，取决于功率二极管91的电压等级。漂移层50可以具有恒定掺杂浓度。其中，恒定掺杂浓度意味着掺杂浓度在整个漂移层50中基本上是均匀的，但是不排除由于制造原因，漂移层50内的掺杂浓度可能会出现1到5倍的波动。缓冲层65的掺杂浓度高于漂移层50的掺杂浓度。例如，缓冲层65可具有朝向第二主侧102的上升掺杂浓度。缓冲层65的峰值掺杂浓度示例性地高于1·1016cm-3，示例性地高于2·1016cm-3、或更高示例性地高于4·1016cm-3。在图4所示的水平横截面中，阴极侧分割层67位于被n型阴极层60包围的二极管单元10的横向中心。因此，在俯视图(正交投影到水平面上)中，第二阳极层45与阴极侧分割层67完全重叠。
阴极侧分割层67的材料是p型半导体或电绝缘材料，例如，氧化硅或氮氧化物。阴极侧分割层67的材料可以是能够在阴极侧分割层67附近或之上的区域中的二极管传导期间抑制电子从缓冲层65发射到漂移分区的任何材料。阴极侧分割层67的厚度小于高n型掺杂阴极层60的厚度。阴极层60的掺杂浓度显著高于缓冲层的掺杂浓度，并且可以例如，高于1018cm-3。
与已知的FCE二极管相反(当电场扫出靠近缓冲器的最后电荷时，FCE二极管需要大量空穴注入来软化电流崩溃(即，FCE二极管需要强p发射极)，本发明的分段功率二极管91不需要从阴极侧注入任何空穴。恰恰相反，FCE作用，即大量注入空穴，是不合适的，因为它依赖于温度，并且在高温下产生最强的效果(在这种情况下最不需要)。在分割层67由绝缘材料制成的情况下，没有空穴注入。另一方面，在阴极侧分割层67由p型半导体材料制成的情况下，期望发射极效率相对较低。p型阴极侧分割层67的发射极效率基本上取决于阴极侧分割层67的掺杂浓度及其深度(即，垂直于第二主侧102的方向上的厚度)。阴极侧分割层67的剂量或集成掺杂含量(沿垂直于第二主侧102的方向集成)低于2·1013cm-2或示例性地低于1·1013cm-2、或更多示例性地低于5·1012cm-2。其中，掺杂含量指激活的掺杂剂。p型剂量越低，用于空穴注入的p型阴极侧分割层67的发射极效率越低。与将绝缘材料用于阴极分割层67的情况相比，将p型材料用于阴极分割层67可促进功率二极管的制造。
与第二阳极层45一样，阴极侧分割层67也被分割。每对相邻二极管单元10的阴极侧分割层67通过相应的该对相邻二极管单元10的n型阴极层60彼此横向分离。更具体地，从图5所示的竖直横截面和图4所示的水平横截面可以看出，每个二极管单元10的阴极侧分割层67被n型阴极层60的一部分横向(即，正交投影到平行于第一主侧101或第二主侧102的平面上)包围，并通过该部分与二极管单元10的外围分离。在图5所示的竖直横截面中，每对相邻二极管单元10的两个阴极侧分割层67之间的最短横向距离被称为Ln1。由于二极管单元10的结构或设计的一致性，二极管单元10的阴极侧分割层67与该二极管单元10的外围之间的距离为Ln1/2。在图5所示的竖直横截面中，二极管单元10的阴极侧分割层67的横向宽度被称为Lp1。
每个二极管单元的阴极侧分割层67的横向宽度Lp1、每对相邻二极管单元10的两个阴极侧分割层67之间的最短横向距离Ln1之间、每对相邻二极管单元10的第二p型层45之间的最短横向距离Ld1、以及每对二极管单元10的厚度Wn1之间的关系可以如下所示：
(i)0.3·Lp1≤Ld1≤Lp1
(ii)0.3·Wn1≤Ln1≤Wn1
(iii)0.3·Wn1≤Lp1≤Wn1
在图6中，作为比较，示出了根据第一实施例的功率二极管91和常规的未分段功率二极管(常规的PiN二极管)在反向恢复期间的电流和电压的时间依赖性。图6的图形中的实线对应于根据第一实施例的功率二极管91的电流和电压，而虚线对应于常规的未分段功率二极管的电流和电压。从图6可以清楚地看到，本发明的功率二极管91显示出了软恢复行为，而传统功率二极管显示出了具有明显电压振荡的快速反向恢复(snappy reverserecovery)行为。
下面，将参考图5、图7至图9说明根据第二实施例的功率二极管91'。由于根据第一实施例的功率二极管91和根据第二实施例的功率二极管91'之间有许多相似之处，因此在下文中将不重复对于根据第一和第二实施例的两个功率二极管91和91'相同的所有特征。根据第二实施例的功率二极管91'的描述将集中于第一和第二实施例之间的差异，而对于所有其他特征可参考上文第一实施例的描述。具体地，附图中的相同参考符号指代具有相同特征或特性的类似元件。
根据第二实施例的功率二极管91'与根据第一实施例的功率二极管91的不同之处在于，功率二极管91'的每个二极管单元10'在水平横截面中具有条形形状。这可以在图7和图8中看出，图7示出了功率二极管91'在沿图5和图9中的线I-I′的第一水平横截面中的三个二极管单元10'，图8示出了在沿图5和图9中的线II-II′的第二水平横截面中的三个二极管单元10'。图5示出了这三个二极管单元10'沿图7和图8中的线D-D′的第一竖直横截面。因此，二极管单元10'沿图7和图8中的线D-D'的横截面看起来与二极管单元10沿图3和图4中的线A-A′、B-B′、和C-C′中的任意一条线的横截面相同。图5中的括号中示出了专门与第二实施例相关的参考符号。具体地，条形p型第二阳极层45'和条形阴极侧分割层67'沿线D-D'的横截面与第二阳极层45和阴极侧分割层67沿图3和图4中的线A-A'、B-B'、和C-C'的横截面相同。
在第二实施例中，图5示出其部分横截面图的半导体晶片100'具有第一主侧101”和第二主侧102”，并且类似于上述半导体晶片100。由于二极管单元10'的上述条形形状，其与上述半导体晶片100的不同之处仅在于，第二阳极层45'、漂移层50'、缓冲层65'、阴极层60'、阴极分割层67'的不同形状。与功率二极管91类似，功率二极管91'可以具有不止三个二极管单元10'。此外，功率二极管91'可以具有边缘终止分区5和邻近边缘终止分区的不完整二极管单元110，如上文针对第一实施例所述。在图7和图8的水平横截面中，实线表示相邻二极管单元10'之间的边界，而图7中的细虚线示出了第二阳极层45'在沿图5和图9中的线I-I′的第一水平面K1'中的边界，图8中的细虚线示出了阴极侧分割层67'在沿图5和图9中的线II-II'的第二水平面K2'中的边界。在俯视图中，即在垂直于竖直方向的平面上的正交投影中以及在图7和图8中所示的第一水平横截面和第二水平横截面中，第二阳极层45'和阴极侧分割层67'中的每个层具有条形形状。条形第二阳极层45'和条形阴极侧分割层67'的纵向轴线沿图7和图8中的线E-E'延伸，即在图9中的左右方向贯穿整个二极管单元10'。在图7的水平横截面中，漂移层50'的条形分区与第二阳极层45'的条形区域交替。同样，在图8所示的水平横截面中，阴极层60'的条形分区与阴极分割层67”的条形分区交替。
与上述第一实施例类似，在图5所示的竖直横截面中，每对相邻二极管单元10'(分别在平行于图7和图8中的线D-D'的方向上相邻)的两个第二阳极层45'之间的最短横向距离Ld1、每对相邻二极管单元10'的两个阴极侧分割层67'之间的最短横向距离Ln1、每个阴极侧分割层67'在平行于图7和图8中的线D-D'的方向上的横向宽度Lp1、以及每个二极管单元10'的厚度Wn可示例性地满足上述设计规则(i)至(iii)。
下面，将参考图2至图4以及图10说明根据第三实施例的功率二极管91”。其中，图3示出了功率二极管91”的二极管单元10”沿图10中的线I-I'的水平横截面(沿图10中的平面K1”)，图4示出了这些二极管单元10”沿图10中的II-II”的另一水平横截面(即，沿图10中的平面K2”)。由于根据第一实施例的功率二极管91和根据第三实施例的功率二极管91”之间的许多相似性，在下文中将不重复对于两个功率二极管91和91”相同的所有特征。根据第三实施例的功率二极管91”的描述将集中于第一实施例和第三实施例之间的差异，而对于所有其他特征可参考上文第一实施例的描述。具体地，附图中的相同参考符号指代具有相同特征或特性的类似元件。
第三实施例的功率二极管91”与以上参考图2至图5描述的根据第一实施例的功率二极管91的不同仅在于，p型第一阳极层40”和p型第二阳极层45”的不同形状。在第三实施例中，第一阳极层40”被配置为第二阳极层45”内的阱区。根据第三实施例的功率二极管91”的俯视图与图2中所示的根据第一实施例的功率二极管91的俯视图相同。图2、图3、和图4在括号中示出了专门与第三实施例相关的参考符号。功率二极管91”沿图3和图4中的线A-A'、B-B'、和C-C'中的任意一条线的横截面如图10所示。由于第一阳极层40”和第二阳极层45”的经修改形状，漂移层50”与第一实施例中的漂移层50的不同之处在于，其不与第一阳极层40”直接接触，而是通过第二阳极层45”与第一阳极层40”分离。在第三实施例中，图10所示的具有第一主侧101”和第二主侧102”的半导体晶片100”类似于上述半导体晶片100。它与上述半导体晶片100的不同之处仅在于，第一阳极层40”、第二阳极层45”、和漂移层50”的不同配置。与第一实施例中的漂移层50相反，在第三实施例中，漂移层50”延伸到半导体晶片100”的第一主侧101”。同样，第二阳极层45”延伸至第一主侧101”。设置在第一主侧101”上以覆盖漂移层50”的绝缘层80防止阳极电极20直接接触漂移层50”和直接接触第二阳极层45”。
下面，将参考图2、图11至图13说明根据第四实施例的功率二极管91”'。由于根据第一实施例的功率二极管91和根据第四实施例的功率二极管91”'之间有许多相似之处，因此在下文中将不重复对于根据第一和第四实施例的两个功率二极管91和91”'相同的所有特征。功率二极管91”'的描述将集中于第一实施例和第四实施例之间的差异，而对于所有其他特征可参考上文第一实施例的描述。具体地，附图中相同或类似的参考符号指代具有相同特征或特性的类似元件。
图2示出了俯视图中的功率二极管91”'。这意味着功率二极管91”'的俯视图与根据第一实施例的功率二极管91的俯视图相同。图11是包括在功率二极管91”'中的九个二极管单元10”'沿图13中的线I-I'的第一水平横截面(即，沿图13中的水平面K1”')，图12示出了包括在功率二极管91”'中的九个二极管单元10”'沿图13中的线II-II'的第二水平横截面(即，沿图13中的水平面K2”')，并且图13示出了功率二极管91分别沿图11和图12中的线A-A'、B-B'、和C-C'中的任意一条线的横截面(在功率半导体器件91”'中，沿A-A'线的横截面与沿B-B'线的横截面相同，并且也与延图11和图12中的C-C'线的横截面相同)。
功率二极管91”'与功率二极管91的不同之处在于，第二阳极层45”'不像第一实施例中的情况那样布置在每个二极管单元10”'的横向中心，而是沿着每个二极管单元10”'的外边界布置在垂直于竖直面的水平面上的正交投影方向。因此，如图13所示，在垂直于第一水平面K1”'的竖直横截面中，漂移层50”'的部分将每个二极管单元10”'中的第二阳极层45”'横向分离为两个独立分区，这两个独立分区从漂移层50”'的该部分横向延伸到二极管单元10”'的边缘。在图11所示的第一水平横截面中，每个二极管单元10”'中的漂移层50”'的前述部分是岛状区域(其中，第一水平面K1”'与漂移层50”'的该部分在该区域中相交)，该岛状区域由第一水平面K1”'与第二阳极层45”'相交的区域包围。
功率二极管91”'与功率二极管91的不同之处还在于，阴极层60”'不像第一实施例中的情况那样布置在每个二极管单元10”'的横向中心，而是在图12所示的水平横截面中沿每个二极管单元10”'的外边界布置，并以正交投影方式布置在垂直于竖直方向的水平面上。在图12所示的水平横截面中，每个二极管单元10”'中的阴极分割层67”'是岛状区域(其中，第二水平面K2”'与分割层67”'在该区域中相交)，该岛状区域由第二水平面K2”'与阴极层60”'相交的区域包围。在垂直于第一水平面K1”'的竖直横截面中，每对相邻二极管单元10”'的阴极层60”'通过相应的该对相邻二极管单元10”'的阴极侧分割层67”'彼此横向分离。
在如图13所示的竖直横截面中，每对相邻二极管单元10”'的每个二极管单元10”'中的第二阳极层45”'的两个独立分区之间的最短横向距离Ld2在0.3·Lp2到Lp2的范围内，其中，Lp2是该对相邻二极管单元10”'的阴极层60”'之间的最短横向距离。该特征对应于第一实施例中的上述设计规则(i)。
此外，在图13所示的竖直横截面中，每个二极管单元10”'的阴极层60”'的横向宽度Ln2在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是二极管单元10”'的竖直厚度。该特性对应于上述设计规则(ii)。
最后，在图13所示的竖直横截面中，每对相邻二极管单元10”'的两个阴极层60”'之间的最短横向距离Lp2在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是二极管单元10”'的竖直厚度。该特性对应于上述设计规则(iii)。
在第四实施例中，图13示出其部分竖直横截面的半导体晶片100”'具有第一主侧101”'和第二主侧102”'，并且与上述半导体晶片100类似。由于二极管单元10”'的上述结构，其与上述半导体晶片100的不同之处仅在于，第二阳极层45”'、漂移层50”'、缓冲层65”'、阴极层60”'、以及阴极分割层67”'的不同形状和布置。
图14示出了根据本发明实施例的反向传导的集成门极换向晶闸管(RC-IGCT)90的俯视图。RC-IGCT 90包括单片集成在单个晶片中的功率二极管910(用作续流二极管)和门极换向晶闸管(GCT)93。GCT 93通过晶片中的分离分区92与功率二极管910分离。如图9所示，GCT 93包括多个GCT指状物，这些GCT指状物布置在围绕功率二极管91”的两个环中。沿着晶片的外围，RC-IGCT具有用于控制图9所示的GCT 93的门极触点94。本领域技术人员熟知RC-IGCT的设计。因此，避免对GCT 93和分离分区92的结构进行详细描述。根据本发明实施例的RC-IGCT 90与公知的RC-IGCT的区别仅在于功率二极管910是根据本发明的功率二极管，例如，对于上述功率二极管91、91'、91”、或91”'中的任何一个，其结构如上所述且不具有边缘终止分区5。需要提及的是，与使用传统PiN功率二极管作为续流二极管的RC-IGCT的已知制造方法相比，RC-IGCT 90中的新二极管设计可以在不需要任何额外掩模的情况下制造。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求所定义的本发明范围的情况下，可以对上述实施例进行修改。
在功率二极管的上述第一至第三实施例中，二极管单元10、10”和10”'的形状在俯视图中被描述为六边形，并且二极管单元10'的形状被描述为条形形状。然而，二极管单元10、10'、10”、10”'可以具有任何其他形状，例如，俯视图中的正方形或三角形，即，在平行于第一主侧101、101'、101”、101”'的平面上的水平投影中。同样，功率二极管91、91'、91”，91”'中的第二阳极层45、45'、45”、45”'的外部形状可以具有六边形或条形形状以外的其他形状，例如，方形、三角形、任何其他多边形形状或俯视图中的圆形。此外，尽管在第一至第三实施例中二极管单元10、10'、10”、10”'的外部形状被描述为与俯视图中的第二阳极层45、45'、45”、45”'的外部形状相同(六边形或条形形状)，但是本发明的功率二极管91、91'、91'、91”、91”'中的二极管单元10、10'、10”、10”'的外部形状不一定与第二阳极层45、45'、45”、45”'的外部形状相同。
在上述实施例中，一个功率二极管91、91'、91”、91”'中的二极管单元10、10'、10”、10”'均具有相同的设计，除了不完整二极管单元110直接邻近边缘终止分区5或RC-IGCT90中的分离分区92外。然而，本发明的功率二极管可采用多个二极管单元中具有两个或更多不同设计的二极管单元，例如，不同尺寸的二极管单元。
在RC-IGCT中，门极触点94被描述为位于围绕GCT 93的器件的外围。然而，门极触点94也可位于诸如晶闸管指状物的两个环之间的另一位置。此外，GCT 93可以具有GCT指状物的任何其他布置，并且尤其可以具有晶闸管指状物布置在其中的任何其他数量的环。
在上述实施例中，本发明的功率二极管被描述为第一至第三实施例中所述的离散器件或集成在RC-IGCT中。然而，本发明的功率二极管可用于或集成在任何其他功率器件中，例如与绝缘门极双极晶体管(IGBT)和门极关断晶闸管(GTO)组合作为续流二极管、缓冲二极管、和钳位二极管。
在上述实施例中，本发明的功率二极管被描述为包括缓冲层，即具有穿孔(PT)配置。然而，上述实施例也可以修改为没有缓冲层，即具有非穿孔(NPT)配置。
用特定导电类型说明实施例。可以交换上述每个实施例中的半导体层的导电类型，使得被描述为p型层的所有层将为n型层，并且被描述为n型层的所有层将为p型层。
应该注意的是，“包括”一词并不排除其他元素或步骤，不定冠词“一”或“一个”也不排除复数。此外，可以组合结合不同实施例描述的元件。
参考符号列表
5 边缘终止
10、10'、10”、10”' 二极管单元
20 阳极电极层
30 阴极电极层
40、40” 第一阳极层
45、45'、45”、45”' 第二阳极层
50、50'、50”、50”' 漂移层
60、60'、60”' 阴极层
67、67'、67”' 阴极侧分割层
80 绝缘层
90 RC-IGCT
90、90'、90”、90”'、910 功率二极管
92 分离分区
93 门极换向晶闸管(GCT)
94 门极触点
100、100'、100”、100”' 半导体晶片
101、101'、101”、101”' 第一主侧
102、102'、102”、102”' 第二主侧
110 不完整单元
K1、K1'、K1”、K1”' 第一水平面
K2、K2'、K2”、K2”' 第二水平面
Ld1 (两个相邻二极管单元的第二阳极层之间的)最短横向距离
Ln1 (两个相邻二极管单元的阴极侧分割层之间的)最短横向距离
Lp1 (阴极侧分割层的)横向宽度
Ld2 (第二阳极层的两个分离分区之间的)最短横向距离
Ln2 (阴极侧分割层的)的横向宽度
Lp2 (两个相邻二极管单元的阴极层之间的)最短横向距离
Wn 二极管单元的竖直厚度

Claims (15)

1.一种功率二极管，包括阳极电极层(20)、阴极电极层(30)以及布置在所述阳极电极层(20)和所述阴极电极层(30)之间的多个二极管单元(10；10'；10”；10”')，从阳极电极(20)到所述阴极电极层(30)的方向定义竖直方向，其中，每个二极管单元(10；10'；10”；10”')包括：
第一导电类型的第一阳极层(40；40”)，与所述阳极电极层(20)直接接触并且在所述竖直方向上从所述阳极电极层延伸到第一深度(d1)；
第一导电类型的第二阳极层(45；45'；45”；45”')，具有低于所述第一阳极层(40；40”)的掺杂浓度并通过所述第一阳极层(40；40”)与所述阳极电极层(20)分离，所述第二阳极层在所述竖直方向上从所述第一阳极层延伸到第二深度(d2)，所述第二深度大于所述第一深度(d1)；
第二导电类型的漂移层(50；50'；50”；50”')，与所述第二阳极层(45；45'；45”；45”')形成pn结，其中，所述第二导电类型与所述第一导电类型不同；
第二导电类型的阴极层(60；60'；60”')，与所述阴极电极层(30)直接接触，所述阴极层(60；60'；60”')的掺杂浓度高于所述漂移层(65)；以及
阴极侧分割层(67；67'；67”')，与所述阴极电极层(30)直接接触，
其中，在第三深度(d3)沿垂直于所述竖直方向的水平面穿过每个二极管单元(10；10'；10”；10”')的水平横截面在每个二极管单元(10；10'；10”；10”')中包括第一区域和第二区域，所述水平面(K1；K1'；K1”；K1”')在所述第一区域中与所述第二阳极层(45；45'；45”；45”')相交，平面(K)在所述第二区域中与所述漂移层(50；50'；50”；50”')相交，所述第一深度(d1)小于所述第三深度(d3)，所述第三深度(d3)小于所述第二深度(d2)，
其特征在于，所述阴极侧分割层(67；67'；67”')的材料是第一导电类型的半导体，其中，沿垂直于第二主侧(102)的方向集成的集成掺杂含量低于2·1013cm-2，或者在于，所述阴极侧分割层(67；67'；67”')的材料是绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的功率二极管，其中，在垂直于所述水平面(K1；K1'；K1”)的至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10；10'；10”)的所述第二阳极层(45；45'；45”)通过相应的该对相邻的二极管单元(10；10'；10”)的漂移层(50；50”)彼此横向分离。
3.根据权利要求2所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10；10'；10”)的所述阴极侧分割层(67；67')通过相应的该对相邻的二极管单元(10；10'；10”)的阴极层(60)彼此横向分离。
4.根据权利要求2或3所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10；10'；10”)的所述第二阳极层(45；45'；45”)之间的最短横向距离Ld1在0.3·Lp1到Lp1的范围内，其中，Lp1是该对相邻的二极管单元(10；10'；10”)中的每个二极管单元的阴极侧分割层(67；67')在所述至少一个竖直横截面中的横向宽度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10；10'；10”)的所述阴极侧分割层(67；67')之间的最短横向距离Ln1在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是所述二极管单元(10；10'；10”)的竖直厚度。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，所述阴极侧分割层(67；67')的横向宽度Lp1在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是所述二极管单元(10；10'；10”)的竖直厚度。
7.根据权利要求1所述的功率二极管，其中，在垂直于所述水平面(K)的至少一个竖直横截面中，所述漂移层的部分将每个二极管单元(10”')中的所述第二阳极层(45”')横向分离成两个独立分区，该两个独立分区从所述漂移层的该部分横向延伸到所述二极管单元(10”')的边缘。
8.根据权利要求7所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10”')的所述阴极层(60”')通过相应的该对相邻的二极管单元(10”')的阴极侧分割层(67”')彼此横向分离。
9.根据权利要求7或8所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10”')的每个二极管单元(10”')中的第二阳极层(45”')的两个独立分区之间的最短横向距离Ld2在0.3·Lp2到Lp2的范围内，其中，Lp2是该对相邻的二极管单元(10”')的阴极层(60”')之间在所述至少一个竖直横截面中的最短横向距离。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每个二极管单元(10”')的所述阴极层(60”')的横向宽度Ln2在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是所述二极管单元(10”')的竖直厚度。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的功率二极管，其中，在所述至少一个竖直横截面中，每对相邻的二极管单元(10”')的两个阴极层(60”')之间的最短横向距离Lp2在0.3·Wn到Wn的范围内，其中，Wn是所述二极管单元(10”')的竖直厚度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的功率二极管，其中，所述多个二极管单元(10；10'；10”；10”')中的所有二极管单元(10；10'；10”；10”')具有相同的结构。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的功率二极管，其中，每个二极管单元(10；10”；10”')具有六边形形状，或者其中，每个二极管单元(10')具有水平横截面中的条形形状。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的功率二极管，包括第二导电类型的缓冲层(65)，其中：
所述缓冲层(65)具有比所述漂移层(50；50'；50”；50”')更高的掺杂浓度，
所述阴极层(60)具有比所述缓冲层(65)更高的掺杂浓度，
所述缓冲层(65)通过所述阴极层(60；60'；60”')和通过所述阴极侧分割层(67；67'；67”')与所述阴极电极层(30)分离，并且
所述缓冲层(65)通过所述漂移层(50；50'；50”；50”')与所述第一阳极层(40；40”)和所述第二阳极层(45；45'；45”；45”')分离。
15.一种反向传导的集成门极换向晶闸管器件，包括门极换向晶闸管(93)和根据权利要求1至14中任一项所述的功率二极管(91；91'；91”；91”')。
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