一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管
专利汇可以提供一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种快速软恢复SiGe/Si 异质结 功率 开关 二极管 ，由 阳极 p+(SiGe)区、n－区及 阴极 区构成；阳极p+区为应变SiGe材料，其它各区均为Si材料；n－区分为多层渐变掺杂，掺杂浓度从阳极边界至阴极边界由低至高渐变；阴极区为交替的p+、n+结构，在反向关断时多数载流子和少数载流子均能通过界面，使阴极区具有理想欧姆 接触 的特性。本发明在通态压降与反向阻断 电压 没有明显变化的前提下，提高了功率开关二极管的开关速度，反向恢复时间只有常规p+(SiGe)－n－－n+二极管的三分之一；反向峰值 电流 也降低了二分之一；反向恢复软度因子S提高了近2倍； 漏电流 下降了约1－2个数量级，并使器件的 工作 温度 容差变大。该器件的制作工艺与常规 硅 工艺兼容，很容易集成于功率IC中。，下面是一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管专利的具体信息内容。
1.一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管，由阳极p+(SiGe) 区、n-区及阴极区构成；其特征是阳极p+区为应变SiGe材料，其它各区均为 Si材料；n-区为多层渐变掺杂；阴极区为交替的p+、n+结构。
2.根据权利要求1所述的，其特征是阳极侧p+区中应变SiGe材料中， Ge的百分含量在5％-20％之间。
3.根据权利要求1所述的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管， 其特征是n-区采用2-3层渐变掺杂结构，掺杂浓度从阳极边界由低至高渐 变到阴极边界，各层的厚度均相等。
4.根据权利要求1所述的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管， 其特征是阴极区交替的p+、n+结构中的p+区的厚度为n+区厚度的一半到n+ 区厚度之间。
5.根据权利要求1所述的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管， 其特征是阳极p+(SiGe)区的厚度在20nm～50nm之间。
技术领域
本发明属于电力半导体器件设计领域，特别涉及一种可应用于高频电力 电子电路中或功率集成电路中的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极 管。
背景技术
pn结二极管在传导正向电流时，都将以少子形式贮存电荷。少子注入 产生的电导调制效应使二极管的通态压降Vf降低。当电路使二极管换向时， n-区中存储的电荷必须被全部抽出或被复合掉，这一过程的时间定义为二极 管的反向恢复时间trr，trr由两部分组成，贮存时间tA是结边缘少子浓度达到 零的时间，下降时间tB是耗尽或复合剩余电荷所需的时间。典型的反向恢复 电流波形如图1所示。
trr＝tA+tB
常用tB/tA来确定二极管的反向恢复软度因子S，S越大软恢复特性越好。
传统的SiPiN功率开关二极管虽然具有较低的正向压降、较好的阻断能 力、造价低廉、制作简单，然而它的反向恢复性能较差。为减少开态时的贮 存电荷量获得较快的开关速度，常利用金和铂的扩散以及通过高能电子辐照 等引入复合中心的方法减少子寿命，这样又会造成二极管的硬恢复特性及漏 电流较大，同时也不易于集成。因此需要采用新材料和新结构解决这样的矛 盾。
发明内容
实现上述发明目的的技术解决方案是：一种快速软恢复SiGe/Si异质结 功率开关二极管，其特征是阳极p+区为应变SiGe材料，其它各区均为Si材 料；把传统的均匀掺杂n-区改为多层渐变掺杂结构，掺杂浓度从阳极p+(SiGe)区边界由低到高渐变至阴极区边界；阴极区为交替的p+、n+结构，在反向关 断时多数载流子和少数载流子均能通过界面，使阴极区具有理想欧姆接触 的特性。
本发明的其它一些特点是，所述阳极应变SiGe材料p+区中，Ge的百分 含量在5％-20％之间调节。
n-区采用2-3层渐变掺杂结构，各层的厚度均相等。
阴极区交替的p+、n+结构中p+区的厚度可在n+区厚度的一半到n+区厚 度之间调节。
阳极p+(SiGe)区的厚度在20nm～50nm之间。
本发明的一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管，利用SiGe材 料具有带隙较窄、载流子迁移率较高并与Si工艺相兼容等优点，设计了一 种n-区多层渐变掺杂与阴极理想欧姆接触型p+(SiGe)-n--n+异质结功率二极 管，大大缩短了二极管的开关时间，明显提高了反向恢复软度因子，反向漏 电流也显著降低。在器件制作过程中可以通过改变p+(SiGe)层厚、调节Ge 的百分含量、改变n-区渐变掺杂层数与浓度梯度、改变阴极区交替p+、n+结 构中p+区的厚度等多个角度来对器件性能进行调整，为器件设计提供了非常 大的自由度。该器件可以实现通态压降、反向恢复特性、反向阻断电压及反 向漏电流良好的折衷关系，其综合性能远远高于常规Si功率开关二极管。 该器件的制作工艺与常规硅工艺兼容，很容易集成于功率IC中。
附图说明
图1是现有的功率开关二极管的反向恢复电流波形图。其中反向恢复时 间trr由tA、tB两部分组成，反向恢复软度因子S一般用tB/tA表示；IRM为反向 恢复峰值电流，IF为正向通态电流。
图2是本发明的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管的纵剖面图。 p+区为应变SiGe材料，n-区为三层渐变掺杂，N1(n-)，N2(n-)，N3(n-)分别为这 三层的掺杂浓度，从N1(n-)至N2(n-)至N3(n-)依次由低到高渐变。阴极区采用 交替的p+、n+区结构，使阴极区具有理想欧姆接触。兼顾器件的反向耐压 能力与快速软恢复特性，p+区的厚度可在n+区厚度的一半到n+区厚度之间 调节。
图3是图2的仰视图。
图4是n-区多层渐变掺杂结构与均匀掺杂结构的p+(SiGe)-n--n+二极管 反向恢复特性比较曲线。
图5-1、图5-2分别是常规n-n+接触能带图和理想欧姆接触能带图。 高掺杂浓度的n+层使n-漂移区与金属形成欧姆接触，然而这种欧姆接触只 是对多子(这里指电子)，对少子(这里指空穴)来说，n+n-高低结的存在 则形成了阻挡势垒。由于杂质浓度梯度产生的电场将空穴反射回n-区，延 长了n-区中载流子复合时间，从而反向恢复时间较大。新结构采用交替的 p+、n+区来代替原n+区使多数载流子和少数载流子均能通过界面成为理想 欧姆接触结构。
下面结合附图和的原理对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本实施例的p+(SiGe)-n--n+异质结功率开关二极管n-区采用多层渐变掺 杂结构，n-区掺杂浓度从阳极边界由低至高渐变至阴极边界。与n-区均匀掺 杂相比较，该结构由于n-区存在掺杂浓度梯度而产生一个内建电场，该电场 加快了n-区中载流子的抽取速度，使阳极侧p+n-结在更短的时间内承受反向 偏压，即时间tA明显变小。并且，此内建电场随着n-区渐变层数的增加而增 强，载流子的抽取速度因此更快，反向恢复时间也随之更短。另一方面，由 于n-区采用多层渐变掺杂，在阴极边界处和n-区中间将会有较多载流子，使 空间电荷区的形成和n-区中间非平衡载流子的最后完全消失受到抑制，即时 间tB并没有明显变化，因此可以实现很软的恢复特性。n-区多层渐变SiGe/Si功率开关二极管的反向恢复特性随渐变掺杂层数的变化关系如图4所示。渐 变掺杂层数的增多有助于进一步提高反向恢复特性，但同时增加了工艺的复 杂程度，在实际应用中可根据对功率二极管的要求来选择渐变掺杂层数，兼 顾工艺实现的难易程度与产品成本的高低，n-区可选用两层或三层渐变掺杂 结构。
为进一步缩短开关速度和提高反向恢复软度因子，在阴极区采用交替的 n+、p+结构形成理想欧姆接触。这样，少子空穴到达阴极侧接触边界时不会 被n+n-高低结形成的阻挡势垒反射，而是被p+区平稳吸收移出阴极；多子电 子很容易通过n+区移出阴极。因此在阴极区采用交替的n+、p+结构后，可同 时为电子和空穴的抽取提供通道，加速了贮存电荷的消失，促使反向关断时 间大大缩短。载流子抽取能力的提高同时加快了阳极侧p+n-结和阴极侧n-p+ 结形成空间电荷区，外加反向偏压绝大部分降落在他们上面，此时n-区中间 部分仍有较多载流子通过复合而消失，因而可实现更软的反向恢复特性。n-n+ 接触能带图和理想欧姆接触能带图如图5-1、5-2所示。
本发明的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管，在通态压降与反 向阻断电压没有明显变化的前提下，大大提高了功率开关二极管的开关速 度，反向恢复时间只有常规p+(SiGe)-n--n+二极管的三分之一；反向峰值 电流也只有常规p+(SiGe)-n--n+二极管的二分之一；获得很软的反向恢复 特性，反向恢复软度因子S提高了近2倍；漏电流下降了约1-2个数量级， 同时可以使器件的工作温度容差变大。该二极管的另一个优点是：反向恢 复特性对n-区厚度变化不敏感，而反向阻断电压受n-区厚度影响很大，n- 区厚度略有增加时，阻断电压明显提高。这为高压器件结构设计带来好处， 在满足通态压降的前提下，可适当增加n-区厚度，提高反向阻断电压，而 无需考虑n-区厚度对反向恢复时间的影响。器件性能的改进方法无须采用 少子寿命控制技术，因而很容易集成于功率IC中，适应电力电子技术高频 化的发展趋势要求。
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