CN115084131A - 双向二极管及导通电压可调的双向二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双向二极管及导通电压可调的双向二极管，涉及半导体器件，包括：第一二极管区域，包括正极端D1+和负极端D1‑，第一二极管区域的正极端D1+与负极端D1‑之间等效为一二极管D1；第二二极管区域，包括正极端D2+和负极端D2‑，第二二极管区域的正极端D2+与负极端D2‑之间等效为一二极管D2，其中第二二极管区域的正极端D2+与第一二极管区域的负极端D1‑位于双向二极管的第二侧，第二二极管区域的负极端D2‑与第一二极管区域的正极端D1+位于双向二极管的第一侧；绝缘区域，位于第一二极管区域与第二二极管区域之间，用于将第一二极管区域与第二二极管区域隔离开，可简单的实现双向导通二极管，并且降低了损耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，尤其是双向二极管及导通电压可调的双向二极管。
背景技术
双向二极管为常用的电力电子器件，其在承受正压和负压时均可导通。业界目前常用的为齐纳二极管(Zener diode)，其在在反向电压作用下基于齐纳击穿效应导通。
业界需要更多类型的双向二极管，以满足不同应用场景的需求，提高产品设计的灵活性。
发明内容
本申请提出一种双向二极管，包括：第一二极管区域，包括正极端D1+和负极端D1-，第一二极管区域的正极端D1+与负极端D1-之间等效为一二极管D1；第二二极管区域，包括正极端D2+和负极端D2-，第二二极管区域的正极端D2+与负极端D2-之间等效为一二极管D2，其中第二二极管区域的正极端D2+与第一二极管区域的负极端D1-位于双向二极管的第二侧，第二二极管区域的负极端D2-与第一二极管区域的正极端D1+位于双向二极管的第一侧；绝缘区域，位于第一二极管区域与第二二极管区域之间，用于将第一二极管区域与第二二极管区域隔离开。
更进一步的，第一二极管区域包括第一导电类型半导体材料区、第二导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料，第二导电类型半导体材料区构成第一二极管区域的正极端D1+，第三导电类型半导体材料构成第一二极管区域的负极端D1-。
更进一步的，第二二极管区域包括第一导电类型半导体材料区、第二导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料区，第二导电类型半导体材料区构成第二二极管区域的正极端D1+，第三导电类型半导体材料构成第二二极管区域的负极端D1-。
更进一步的，第一导电类型半导体材料为本征半导体或轻度参杂半导体；第二导电类型半导体材料区为P型半导体或空穴传输材料；第三导电类型半导体材料区为N型半导体或电子传输材料。
更进一步的，还包括第一电极和第二电极，第一电极接触第一二极管区域的第二导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第三导电类型半导体材料区，第二电极接触第一二极管区域的第三导电类型半导体材料和第二二极管区域的第二导电类型半导体材料区。
更进一步的，第一二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料；第二二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料区；双向二极管还包括第一电极和第二电极，第一电极接触第一二极管区域的第一导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第三导电类型半导体材料区，第二电极接触第一二极管区域的第三导电类型半导体材料和第二二极管区域的第一导电类型半导体材料区。
更进一步的，第一二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第二导电类型半导体材料区，第二二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第二导电类型半导体材料区，双向二极管还包括第一电极和第二电极，第一电极接触第一二极管区域的第二导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第一导电类型半导体材料区，第二电极接触第一二极管区域的第一导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第二导电类型半导体材料区。
本申请还提供一种导通电压可调的双向二极管，包括：上述的双向二极管；在第一二极管区域侧还包括多个二极管区域，以构成多个等效二极管，多个等效二极管成并联连接结构；在第二二极管区域侧还包括多个二极管区域，以构成多个等效二极管，多个等效二极管成并联连接结构，多个等效二极管以及双向二极管的一侧由导电层相互连通，另一侧相互隔离开来。
更进一步的，每一二极管区域由第二导电类型半导体材料区、第一导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料叠加而成，在远离导电层的一侧上形成有电极，通过调整双向二极管电极连接的二极管区域中电极的个数，以调整导通电压的大小。
本申请还提供一种导通电压可调的双向二极管，包括：上述的双向二极管；在第一二极管区域侧还包括n-1个二极管区域，与第一二极管区域一起构成n个等效二极管，n个等效二极管成串联连接结构，n个二极管区域的第一侧由第三导电类型半导体材料接触导电层，并且第二个二极管区域至第n个二极管区域的第三导电类型半导体材料包括突起，对应的导电层包括凹槽，突起填充于凹槽内，n个二极管区域的除第一侧外的表面及二极管区域之间的隔离槽由电极覆盖，其中第一个二极管区域至第n-1个二极管区域的电极上形成有缺口，以将电极断开；在第二二极管区域侧还包括m-1个二极管区域，与第二二极管区域一起构成m个等效二极管，m个等效二极管成串联连接结构，m个二极管区域的第一侧由第二导电类型半导体材料区接触导电层，并且第二个二极管区域至第m个二极管区域的第三导电类型半导体材料包括突起，对应的导电层包括凹槽，突起填充于凹槽内，m个二极管区域的除第一侧外的表面及二极管区域之间的隔离槽由电极覆盖，其中第一个二极管区域至第m-1个二极管区域的电极上形成有缺口，以将电极断开面及二极管区域之间的隔离槽由电极覆盖，其中第一个二极管区域至第m-1个二极管区域的电极上形成有缺口，以将电极断开。
附图说明
图1为本发明一实施例的双向二极管的剖面示意图。
图2为图1的双向二极管的等效电路示意图。
图3为本申请另一实施例的双向二极管的剖面示意图。
图4为本申请另一实施例的双向二极管的剖面示意图。
图5为本申请一实施例的导通电压可调的双向二极管等效电路示意图。
图6为本申请一实施例的导通电压可调的双向二极管的剖面示意图。
图7为本申请另一实施例的导通电压可调的双向二极管等效电路示意图。
图8为本申请另一实施例的导通电压可调的双向二极管的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例中，在于提供一种双向二极管，请参阅图1所示的本发明一实施例的双向二极管的剖面示意图。并请参阅图2所示的图1的双向二极管的等效电路示意图。双向二极管100包括：
第一二极管区域110，如图1和图2所示，包括正极端D1+和负极端D1-，第一二极管区域110的正极端D1+与负极端D1-之间等效为一二极管D1，如图2所示的二极管D1；
第二二极管区域120，如图1和图2所示，包括正极端D2+和负极端D2-，第二二极管区域120的正极端D2+与负极端D2-之间等效为一二极管D2，如图2所示的二极管D2，其中第二二极管区域120的正极端D2+与第一二极管区域110的负极端D1-位于双向二极管100的第二侧102，第二二极管区域120的负极端D2-与第一二极管区域110的正极端D1+位于双向二极管100的第一侧101；
绝缘区域130，位于第一二极管区域110与第二二极管区域120之间，用于将第一二极管区域110与第二二极管区域120隔离开，如图1和2所示，从右至左依次为第一二极管区域110、绝缘区域130和第二二极管区域120。
如图1和图2所示，双向二极管在施以正电压时(即第一侧接线电势高于第二侧接线电势)，第一二极管区域110导通而第二二极管区域120不通电流；施以负电压时(即第一侧接线电势低于第二侧接线电势)，第二二极管区域120导通而第一二极管区域110不通电流。对于薄膜半导体，其厚度d较薄，绝缘区域130超过一定宽度(如果是几百纳米的薄膜半导体，通常几个微米即数倍于其厚度的宽度即足够)即可造成很大的横向电阻，起到良好的绝缘作用，如对于1微米厚的半导体材料，取决于材料电阻率，绝缘区域130的宽度r0通常采用5-10微米即足够，由于微米级尺寸相较于常规器件的整体尺寸可忽略，再宽一些亦无妨。
如此，通过在每一双向二极管中集成反并联的两个二极管，而可简单的实现双向导通。并且节省了外接导线，提升了整体的可靠性，降低了寄生串联电阻，降低了损耗。另外，绝缘区域130、第一二极管区域110和第二二极管区域120的形成工艺可集成，也即节省工艺。
如图1所示，第一二极管区域110包括第一导电类型半导体材料区113、第二导电类型半导体材料区111和第三导电类型半导体材料112。第一导电类型半导体材料为如本征半导体或轻度参杂半导体。第二导电类型半导体材料区111为如P型半导体，具体的可为重掺杂的或非掺杂的P型半导体，也可为空穴传输材料。第三导电类型半导体材料112为如N型半导体，具体的为重掺杂的或非掺杂的N型半导体，也可为电子传输材料。也即第二导电类型半导体材料区111构成第一二极管区域110的正极端D1+，第三导电类型半导体材料112构成第一二极管区域110的负极端D1-。
如图1所示，第二二极管区域120包括第一导电类型半导体材料区123、第二导电类型半导体材料区121和第三导电类型半导体材料区122。第一导电类型半导体材料为如本征半导体或轻度参杂半导体。第二导电类型半导体材料为如P型半导体，具体的可为重掺杂的或非掺杂的P型半导体，也可为空穴传输材料。第三导电类型半导体材料为如N型半导体，具体的为重掺杂的或非掺杂的N型半导体，也可为电子传输材料。也即第二导电类型半导体材料区121构成第二二极管区域120的正极端D1+，第三导电类型半导体材料122构成第二二极管区域120的负极端D1-。
如图1所示，绝缘区域130为第一导电类型半导体材料区。第一导电类型半导体材料为如本征半导体或轻度参杂半导体。
如图1所示，绝缘区域130的两侧(双向二极管100的第一侧101和其相对侧102)为相同导电类型的半导体材料，以构成绝缘区域。如图1所示，绝缘区域130的两侧均为第三导电类型半导体材料。当然也可均为第二导电类型半导体材料。
如图1所示，双向二极管还包括第一电极103和第二电极104，第一电极103接触第一二极管区域110的第二导电类型半导体材料区111和第二二极管区域120的第三导电类型半导体材料区122，第二电极104接触第一二极管区域110的第三导电类型半导体材料112和第二二极管区域120的第二导电类型半导体材料区121。具体的第一电极103和第二电极104可为金属电极。
请参阅图3所示的本申请另一实施例的双向二极管的剖面示意图。如图3所示，第一二极管区域110包括第一导电类型半导体材料区113和第三导电类型半导体材料112。第二二极管区域120包括第一导电类型半导体材料区123和第三导电类型半导体材料区122。双向二极管还包括第一电极103和第二电极104，第一电极103接触第一二极管区域110的第一导电类型半导体材料区113和第二二极管区域120的第三导电类型半导体材料区122，第二电极104接触第一二极管区域110的第三导电类型半导体材料112和第二二极管区域120的第一导电类型半导体材料区123。也即第一电极103接触第一二极管区域110的第一导电类型半导体材料区113，而构成第一二极管区域110的肖特基结(正极端D1+)，第三导电类型半导体材料112构成第一二极管区域110的负极端D1-。也即第二电极104接触第二二极管区域120的第一导电类型半导体材料区123，而构成第二二极管区域120的肖特基结(正极端D2+)，第三导电类型半导体材料区122构成第二二极管区域10的负极端D2-。因半导体与金属直接接触而形成的肖特基接触，肖特基接触的导通电压通常较低，最低可低至约0.3伏特。
请参阅图4所示的本申请另一实施例的双向二极管的剖面示意图。如图4所示，第一二极管区域110包括第一导电类型半导体材料区113和第二导电类型半导体材料区111。第二二极管区域120包括第一导电类型半导体材料区123和第二导电类型半导体材料区121。双向二极管还包括第一电极103和第二电极104，第一电极103接触第一二极管区域110的第二导电类型半导体材料区111和第二二极管区域120的第一导电类型半导体材料区123，第二电极104接触第一二极管区域110的第一导电类型半导体材料区113和第二二极管区域120的第二导电类型半导体材料区121。也即第一电极103接触第二二极管区域120的第一导电类型半导体材料区123，而构成第二二极管区域120的肖特基结(负极端D2-)，第二导电类型半导体材料区121构成第二二极管区域120的正极端D2+。也即第而二电极104接触第一二极管区域110的第一导电类型半导体材料区113，而构成第一二极管区域110的肖特基结(负极端D1-)，第二导电类型半导体材料区111构成第一二极管区域110的正极端D1+。因半导体与金属直接接触而形成的肖特基接触，肖特基接触的导通电压通常较低，最低可低至约0.3伏特。
在实际应用中，还希望双向二极管的正、反两个电流方向的导通电压均可调试，以增加双向二极管的应用范围。以图2为例，除绝缘区造成旁路寄生(对于薄膜半导体而言，不太大的r0即可导致很大的横向电阻，是很大的旁路寄生电阻)，两侧二极管有串联寄生电阻Rs1和Rs2，串联寄生电阻Rs1的大小取决于图1中的r1的宽度，串联寄生电阻Rs2的大小取决于图1中的r2的宽度。具体的，第一二极管区域110的导通压降包括寄生串联电阻Rs1上的压降与等效二极管D1的导通压降。第二二极管区域120的导通压降包括寄生串联电阻Rs2上的压降与等效二极管D2的导通压。
本申请一实施例中，还提供一种导通电压可调的双向二极管。请参阅图1，通过调整图1中r1和r2的宽度，该区域越窄，其对应位置二极管的串联电阻越大，导通电压亦越大，也即调整二极管串联电阻调节导通电压。具体的可参阅图5所示的一实施例的导通电压可调的双向二极管等效电路示意图，其实质为调节绝缘区域两侧二极管的并联数量。为方便理解，图5中两侧中的每个二极管相同，串联电阻亦相同，实际制备中，可能会因为工艺误差而又稍许差异，也可以因特殊要求特意让每个二极管不同，比如在调整导通电压时需要一些特定的导通电压间距。
具体的，可参阅图6所示的本申请一实施例的导通电压可调的双向二极管的剖面示意图，导通电压可调的双向二极管包括：
图1所述的双向二极管，其具体结构和原理在此不再赘述；
在第一二极管区域110侧(箭头1所指的一侧)还包括多个二极管区域140，以构成多个等效二极管(如等效二极管D11、等效二极管D12直至等效二极管D1n)，多个等效二极管成并联连接结构；
在第二二极管区域120侧((箭头2所指的一侧))还包括多个二极管区域150，以构成多个等效二极管(如等效二极管D21、等效二极管D22直至等效二极管D2n)，多个等效二极管成并联连接结构，
多个等效二极管以及双向二极管的一侧由导电层802相互连通，另一侧相互隔离开来。
如此，通过调整双向二极管电极连接的二极管区域的个数，以调整导通电压的大小。如图5所示，正向偏压相当于2个二极管并联，则对应的串联电阻是0.5Rs1；而反向偏压相当于4个二极管并联，对应的串联电阻是0.25Rs1。如此通过调整并入的二极管的个数，调整了串联电阻的大小，进而调整了导通电压，并且调整方便。
如图5所示，导电层802位于衬底801上，图1所述的双向二极管、多个第一二极管区域140以及多个第二二极管区域150形成在导电层802上。各第一二极管区域140之间、各第二二极管区域150之间以及其与双向二极管之间由凹槽807隔离开。
如图5所示，每一二极管区域由第二导电类型半导体材料区804、第一导电类型半导体材料区805和第三导电类型半导体材料803叠加而成，在远离衬底801(或导电层802)的一侧上形成有电极806。具体的，通过调整双向二极管电极连接的二极管区域中电极的个数，以调整导通电压的大小。
本申请另一实施例中，还提供另一种导通电压可调的双向二极管。以等效二极管相同为例，如果每个等效二极管的导通电压是v0，则这两个相同等效二极管串联起来时，该串联整体的导通电压即为2v0。则可通过调整每侧二极管的串联数量调节导通电压。具体的可参阅图7所示的另一实施例的导通电压可调的双向二极管等效电路示意图，其实质为调节绝缘区域两侧二极管的穿联数量。为方便理解，图7中两侧中的每个二极管相同，串联电阻亦相同，实际制备中，可能会因为工艺误差而又稍许差异，也可以因特殊要求特意让每个二极管不同，比如在调整导通电压时需要一些特定的导通电压间距。
具体的，可参阅图8所示的本申请另一实施例的导通电压可调的双向二极管的剖面示意图，导通电压可调的双向二极管包括：
图1所述的双向二极管，其具体结构和原理在此不再赘述；
在第一二极管区域110侧(箭头1所指的方向)还包括n-1个二极管区域240，与第一二极管区域110一起构成n个等效二极管，如等效二极管D31、等效二极管D32直至等效二极管D3n，n个等效二极管成串联连接结构，n个二极管区域的第一侧由第三导电类型半导体材料903接触导电层902，并且第二个二极管区域至第n个二极管区域的第三导电类型半导体材料903包括突起908，对应的导电层902包括凹槽909，突起908填充于凹槽909内，n个二极管区域240的除第一侧外的表面及二极管区域之间的隔离槽907由电极906覆盖，其中第一个二极管区域至第n-1个二极管区域的电极上形成有缺口910，以将电极断开；
在第二二极管区域120侧(箭头2所指的方向)还包括m-1个二极管区域250，与第二二极管区域120一起构成m个等效二极管，如等效二极管D41、等效二极管D42直至等效二极管D4m，m个等效二极管成串联连接结构，m个二极管区域的第一侧由第二导电类型半导体材料区904接触导电层902，并且第二个二极管区域至第m个二极管区域的第三导电类型半导体材料903包括突起911，对应的导电层902包括凹槽912，突起911填充于凹槽912内，m个二极管区域250的除第一侧外的表面及二极管区域之间的隔离槽914由电极906覆盖，其中第一个二极管区域至第m-1个二极管区域的电极上形成有缺口913，以将电极断开。
如此，通过调整双向二极管电极连接的二极管区域的个数，调整导通电压的大小。如图8所示，正向偏压相当于4个二极管串联，则对应的正向导通压降为4v0；而反向偏压相当于2个二极管串联，则对应的正向导通压降为2v0。如此通过调整串入的二极管的个数，调整了导通电压，并且调整方便。
如图8所示，导电层902位于衬底901上，图1所述的双向二极管、多个第一二极管区域240以及多个第二二极管区域250形成在导电层902上。
如图8所示，每一二极管区域由第二导电类型半导体材料区904、第一导电类型半导体材料区905和第三导电类型半导体材料903叠加而成。具体的，通过调整双向二极管电极连接的二极管区域对应的导电层的个数，以调整导通电压的大小。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种双向二极管，其特征在于，包括：
第一二极管区域，包括正极端D1+和负极端D1-，第一二极管区域的正极端D1+与负极端D1-之间等效为一二极管D1；
第二二极管区域，包括正极端D2+和负极端D2-，第二二极管区域的正极端D2+与负极端D2-之间等效为一二极管D2，其中第二二极管区域的正极端D2+与第一二极管区域的负极端D1-位于双向二极管的第二侧，第二二极管区域的负极端D2-与第一二极管区域的正极端D1+位于双向二极管的第一侧；
绝缘区域，位于第一二极管区域与第二二极管区域之间，用于将第一二极管区域与第二二极管区域隔离开。
2.根据权利要求1所述的双向二极管，其特征在于，第一二极管区域包括第一导电类型半导体材料区、第二导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料，第二导电类型半导体材料区构成第一二极管区域的正极端D1+，第三导电类型半导体材料构成第一二极管区域的负极端D1-。
3.根据权利要求1所述的双向二极管，其特征在于，第二二极管区域包括第一导电类型半导体材料区、第二导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料区，第二导电类型半导体材料区构成第二二极管区域的正极端D1+，第三导电类型半导体材料构成第二二极管区域的负极端D1-。
4.根据权利要求2或3所述的双向二极管，其特征在于，第一导电类型半导体材料为本征半导体或轻度参杂半导体；第二导电类型半导体材料区为P型半导体或空穴传输材料；第三导电类型半导体材料区为N型半导体或电子传输材料。
5.根据权利要求1所述的双向二极管，其特征在于，还包括第一电极和第二电极，第一电极接触第一二极管区域的第二导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第三导电类型半导体材料区，第二电极接触第一二极管区域的第三导电类型半导体材料和第二二极管区域的第二导电类型半导体材料区。
6.根据权利要求1所述的双向二极管，其特征在于，第一二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料；第二二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料区；双向二极管还包括第一电极和第二电极，第一电极接触第一二极管区域的第一导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第三导电类型半导体材料区，第二电极接触第一二极管区域的第三导电类型半导体材料和第二二极管区域的第一导电类型半导体材料区。
7.根据权利要求1所述的双向二极管，其特征在于，第一二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第二导电类型半导体材料区，第二二极管区域包括第一导电类型半导体材料区和第二导电类型半导体材料区，双向二极管还包括第一电极和第二电极，第一电极接触第一二极管区域的第二导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第一导电类型半导体材料区，第二电极接触第一二极管区域的第一导电类型半导体材料区和第二二极管区域的第二导电类型半导体材料区。
8.一种导通电压可调的双向二极管，其特征在于，包括：
权利要求1所述的双向二极管；
在第一二极管区域侧还包括多个二极管区域，以构成多个等效二极管，多个等效二极管成并联连接结构；
在第二二极管区域侧还包括多个二极管区域，以构成多个等效二极管，多个等效二极管成并联连接结构，
多个等效二极管以及双向二极管的一侧由导电层相互连通，另一侧相互隔离开来。
9.根据权利要求8所述的导通电压可调的双向二极管，其特征在于，每一二极管区域由第二导电类型半导体材料区、第一导电类型半导体材料区和第三导电类型半导体材料叠加而成，在远离导电层的一侧上形成有电极，通过调整双向二极管电极连接的二极管区域中电极的个数，以调整导通电压的大小。
10.一种导通电压可调的双向二极管，其特征在于，包括：
权利要求1所述的双向二极管；
在第一二极管区域侧还包括n-1个二极管区域，与第一二极管区域一起构成n个等效二极管，n个等效二极管成串联连接结构，n个二极管区域的第一侧由第三导电类型半导体材料接触导电层，并且第二个二极管区域至第n个二极管区域的第三导电类型半导体材料包括突起，对应的导电层包括凹槽，突起填充于凹槽内，n个二极管区域的除第一侧外的表面及二极管区域之间的隔离槽由电极覆盖，其中第一个二极管区域至第n-1个二极管区域的电极上形成有缺口，以将电极断开；
在第二二极管区域侧还包括m-1个二极管区域，与第二二极管区域一起构成m个等效二极管，m个等效二极管成串联连接结构，m个二极管区域的第一侧由第二导电类型半导体材料区接触导电层，并且第二个二极管区域至第m个二极管区域的第三导电类型半导体材料包括突起，对应的导电层包括凹槽，突起填充于凹槽内，m个二极管区域的除第一侧外的表面及二极管区域之间的隔离槽由电极覆盖，其中第一个二极管区域至第m-1个二极管区域的电极上形成有缺口，以将电极断开。
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|---|---|---|---|
| CN202210678377.7A CN115084131A (zh) | 2022-06-13 | 2022-06-13 | 双向二极管及导通电压可调的双向二极管 |
Applications Claiming Priority (1)
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2022
- 2022-06-13 CN CN202210678377.7A patent/CN115084131A/zh active Pending
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