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一种具有软关断特性的场电荷抽取 二极管

阅读：1014发布：2021-01-26

专利汇可以提供一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的目的在于提供一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管，用于提高功率二极管软关断特性。具有软关断特性的场电荷抽取二极管，从下往上依次设置有阴极区、第一缓冲层 N区、漂移N-区和阳极 P+区，所述阴极区由阴极N+区和阴极P+区两部分构成，所述阴极P+与第一缓冲层N区之间还设置有第二缓冲层N-区，所述第二缓冲层N-区掺杂浓度与漂移N-区相同，掺杂浓度为1.0×1013～2.0×1014cm3。该二极管具有良好的软恢复特性，相比于少子寿命分布的二极管反向峰值电流减小，软度因子增大；因而能够更好的适用于高频电路应用中。，下面是一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管，从下往上依次设置有阴极区、第一缓冲- + + +
层N区、漂移N 区和阳极P 区，其特征在于，所述阴极区由阴极N 区和阴极P 区两部分构+ - -
成，所述阴极P 与第一缓冲层N区之间还设置有第二缓冲层N 区，所述第二缓冲层N 区掺- 13 14 3
杂浓度与漂移N 区相同，掺杂浓度为1.0×10 ～2.0×10 cm。
2.按权利要求1所述具有软关断特性的场电荷抽取二极管，其特征在于，所述第二缓-
冲层N 区厚度为4～6um。
+
3.按权利要求1所述具有软关断特性的场电荷抽取二极管，其特征在于，所述阴极N
17 18 3
区掺杂浓度为1.0×10 ～5×10 cm，厚度为15～17um。
+
4.按权利要求1所述具有软关断特性的场电荷抽取二极管，其特征在于，所述阴极P
16 17 3
区掺杂浓度1.0×10 ～5×10 cm，厚度为8～10um。
+
5.按权利要求1所述具有软关断特性的场电荷抽取二极管，其特征在于，所述阳极P
16 17 3
区掺杂浓度为1.0×10 ～5×10 cm，厚度为20～25um。
6.按权利要求1所述具有软关断特性的场电荷抽取二极管，其特征在于，所述第一缓
14 15 3
冲层N区掺杂浓度为1.0×10 ～1.0×10 cm，厚度为12～15um。
7.按权利要求1所述具有软关断特性的场电荷抽取二极管，其特征在于，所述漂移区- 13 14 3
N 区厚度为200～220um，掺杂浓度1.0×10 ～2.0×10 cm。

说明书全文

一种具有软关断特性的场电荷抽取 二极管

技术领域

[0001] 本发明属于电力半导体器件技术领域，具体的涉及一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管器件。

背景技术

[0002] 功率二极管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件，是电力电子变换技术中的核心辅助器件。利用其单向导电性可以在各种电路中发挥不同的作用，其中应用最广泛的就是在关断电路中作为续流使用。在关断电路中，其中有两种典型的关断：硬关断和软关断，在硬关断过程中，器件承受很大的电应力，在回路中引起震荡，产生高电磁发射(EMI)。因此对于高电压、大电流下的功率器件的关断如IGCT和IGBT，需要用具有软恢复特性的二极管，避免硬关断在回路中产生振荡，引起器件的损坏。如在交直流变换逆变器电路中，具有良好设计的二极管能够最大程度上的减小变换器的损耗，实现节能降耗，而且保护器件工作在安全区。

[0003] 图1给出了功率二极管的典型关断特性曲线。如图1所示，在二极管导通时，当电压由正向变为负向的时候，电流不能离开减小为0；而是通过一段时间后才关断。在这段时间内，当处于ts时间段时，反向电流始终很大，二极管并不关断。经过ts后，电流才逐渐变小，再经过tf时间二极管电流才变为0.其中，ts为存储时间，tf为下降时间。trr＝tf+ts称为反向恢复时间，整个过程称为反向恢复过程，其中软度因子定义为S＝t1/ts，S越大，说明反向恢复电流曲线越平缓，及曲线的软度越好，Ifm为正向通态电流，Irm为反向恢复峰值电流。

[0004] 传统的Si PIN功率开关二极管虽然具有较低的正向压降、较好的阻断特性，造价低廉、制造简单，然而它的反向恢复性能较差。目前，为了使得二极管的关断速度加快且获得较好的软关断特性，主要采取的方法是对少子寿命的控制，通过在制作工艺中掺入金或铂，以及高能电子的辐射等引入复合中心的方法减少少子寿命，而后形成具有轴向分布的少子寿命结构。图2为采用少子寿命技术的二极管结构，如图2所示，器件的整个区域含有3种不同的少子寿命分布。通过不同的少子寿命分布，使得不同区域内的载流子复合的速度不一样，从而达到软关断的特性要求。显然，为了形成轴向分布的少子寿命结构，需要多次扩散实现，且掺杂的金或铂的浓度需要精确控制，工艺步骤比较复杂。因此需要采用新结构和新材料来解决这样的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管，该二极管采用了两层缓冲层以及阴极由P+区和N+区两部分构成的结构，取代了传统软恢复特性二极管要求的少子寿命分布结构，二极管的关断特性获得较好的软恢复特性，反向峰值电流减小，软度因子增大。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种具有软关断特性的场电荷抽- +取二极管，从下往上依次设置有阴极区、第一缓冲层N区、漂移N 区和阳极P 区，其特征在+ + +
于，所述阴极区由阴极N 区和阴极P 区两部分构成，所述阴极P 与第一缓冲层N区之间- - -
还设置有第二缓冲层N 区，所述第二缓冲层N 区掺杂浓度与漂移N 区相同，掺杂浓度为
13 14 3
1.0×10 ～2.0×10 cm。

[0007] 优选的，所述第二缓冲层N-区厚度为4～6um。

[0008] 所述阴极N+区掺杂浓度为1.0×1017～5×1018cm3，厚度为15～17um。

[0009] 所述阴极P+区掺杂浓度1.0×1016～5×1017cm3，厚度为8～10um。

[0010] 所述阳极P+区掺杂浓度为1.0×1016～5×1017cm3，厚度为20～25um。

[0011] 所述第一缓冲层N区掺杂浓度为1.0×1014～1.0×1015cm3，厚度为12～15um。

[0012] 所述漂移区N-区厚度为200～220um，掺杂浓度1.0×1013～2.0×1014cm3。

[0013] 本发明的有益效果为：在器件结构中，阴极采用了由阴极P+区和阴极N+区两部分+ +构成，且N 区掺杂浓度比P 区高一个数量级；采用了两层缓冲层，第一缓冲层N区使得器件-
在关断过程中能够承受较大的反向电压；第二缓冲层N 区将会使得器件在关断末期会有阴+
极P 区的载流子注入。通过这样的结构，使得器件具有良好的软恢复特性，相比于少子寿命分布的二极管反向峰值电流减小，软度因子增大；因而该二极管能够更好的适用于高频-
电路应用中。同时本发明提供二极管能够通过对第一缓冲层N区与第二缓冲层N 区厚度的调节，调节器件的耐压和反向恢复特性，使该结构具有一般的适用性。
附图说明

[0014] 图1是功率二极管的典型关断特性曲线。

[0015] 图2是少子寿命分布的功率二极管结构示意图。

[0016] 图3是本发明场电荷抽取二极管结构示意图。

[0017] 图4是本发明场电荷抽取二极管内部初期电场分布示意图。

[0018] 图5是本发明场电荷抽取二极管正向导通时内部电场分布示意图。

[0019] 图6是本发明场电荷抽取二极管关断时内部电场分布示意图。

[0020] 图7是本发明场电荷抽取二极管关断特性示意图。

[0021] 图8是本发明场电荷抽取二极管与少子寿命分布的二极管结构关断特性对比示意图。

[0022] 图9是本发明场电荷抽取二极管关断期间内部电场变化示意图。

[0023] 图10是本发明场电荷抽取二极管关断过程中阴极P+区附近电场变化图。

[0024] 图11是本发明场电荷抽取二极管关断过程中内部载流子分布示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

[0026] 本发明提供了一种具有软关断特性的场电荷抽取二极管结构，全部是硅材料构- +成，其结构如图3所示，从下往上依次设置有阴极区、第一缓冲层N区、漂移N 区和阳极P+ + +
区，其特征在于，所述阴极区由阴极N 区和阴极P 区两部分构成，所述阴极P 与第一缓冲层- - -
N区之间还设置有第二缓冲层N 区，所述第二缓冲层N 区掺杂浓度与漂移N 区相同，掺杂
13 14 3 16 3
浓度范围为1.0×10 ～2.0×10 cm。阳极的P+区域掺杂浓度为1.0×10 cm，纵向宽度
13 3
为25um，掺杂剂为B离子；漂移区N-区纵向宽度200um，掺杂浓度1.0×10 cm，掺杂剂为P
14 3
离子。第一缓冲层N区纵向宽度15um，掺杂浓度为1.0×10 cm，掺杂剂为P离子；第二缓
13 3
冲层N-区纵向宽度5um，掺杂浓度为1.0×10 cm，掺杂剂为P离子；阴极的N+区掺杂浓度
17 3 16 3
1.0×10 cm，纵向宽度度15um，掺杂剂为P离子；阳极的P+区域掺杂浓度为1.0×10 cm，纵向宽度为25um，掺杂剂为B离子。

[0027] 如图3的结构，可以将器件以阴极P+区和N+区的相交线为轴，分成两部分。器件+可以看成为两个不同器件的组合PIN和PNP。阴极N 区可以看成是PIN二极管的发射极；
+
阴极的P 区可以看成为PNP晶体管的发射极，PIN二极管的阳极当做PNP晶体管的集电极。

[0028] 图4给出了本发明器件初期内部电场静态分布情况。在外加电压为0时，器件内部存在两个不同大小的电场，分别是阳极的P+N-两部分形成的PN结及电场E1；阴极的P+N-部分形成的PN结即电场E2。两个电场大小不一致，其原因是两者耗尽区展宽不一样，但其内建电势大小一样，这一点可以从图像上与坐标轴围城的面积计算得到。图中取的是电场绝对值，实际上两个电场方向是相反的。

[0029] 图5给出了本发明器件正向导通时器件内部电场分布。当给器件阳极加上正电压，阴极加上负电压时，器件正向导通，此时其特性类似与传统的PIN二极管。正向工作状+态下，阳极附近的电场E1将会消失，因为阳极P 区注入大量载流子。由于阴极附近的电场+ +
E2的存在，故在阴极P 区域没有载流子流过，载流子全部从阴极N 区域流过。同时，由于阴极接上负电压，使得电场E2近一步增大。

[0030] 图6给出了本发明器件最终关断时内部电场分布。当器件最终关断稳定后，整个+器件存在一个稳定的唯一电场分布，此时电场主要集中在阳极的P 区附近，然而阴极附近的电场E2将会很低或者消失。整个器件内部载流子不能流动到达两极，最终器件完全关断。

[0031] 图7给出了本发明器件的关断特性示意图。从图上可以看出器件关断过程中电流变化，在t＝3.4us时从图上可以看到一个明显的拐点。由于外加反向电压此时电场E1逐渐增大并且向阴极移动，在移动到E2附近的时候会削弱了电场E2，因为两个电场方向相反+会产生矢量运算。随着电场E2的减小引起阴极P 区空穴注入，可以看出是寄生的PNP晶体+ +
管增益开始变大。阴极P 区注入的空穴，被电场E1扫向阳极P 区。此时，器件额反向恢复电流由两部分组成：一部分是扫除的非平衡载流子；另一部分注入的空穴形成的电流。反向恢复电流下降速度变慢。最终得到理想的软恢复特性。

[0032] 图8给出了本发明器件与轴向少子寿命分布二极管关断特性对比示意图。由图2可知，少子寿命分布二极管的结构从下到上依次是：

[0033] 阴极N+区、缓冲层N区、漂移区N-和阳极P+区。少子寿命分布二极管通过控制不同区域内少子寿命分布，使得各个区域内载流子复合率不一样，到达最终软关断的效果。由于器件最终关断后形成的电场主要在阳极的P+区附近，耗尽区主要落在漂移区的N-区；
在关断过程中，如果阳极P+附近的载流子消失的很快，就会产生硬关断的特性，这对器件的应用不利特特别是高频下。从图2的结构来看，由于阳极P+区附近的载流子寿命即图中标2的位置，其少子寿命要高于其他区域，所以该区域的复合率要低于其他两个区域。使得P+区附近的载流子消失的慢，最终得到软关断特性。

[0034] 本发明的器件结构目的也是为了使得阳极P+区附近的载流子消失的慢。由图3的结构，当器件加上反向电压时，器件内部依然存在两个电场。随着关断时间的增加，反向电压的增大，电场E1将会慢慢增大，而且向阴极移动；由于初期电场E2依然存在，虽然阴极的+P 区加上了正电压，但是仍然没有空穴载流子注入。当电场E1靠近阴极时，由于电场E1和E2两个方向相反，将会产生矢量运算。电场E2的大小将会消弱。在消弱E2的过程中，阴极+ + +
的P 区域将会产生空穴注入，注入的空穴被电场E1扫向阳极P 区，使得阳极P 区内载流子+
得到补充，到达减缓阳极P 区载流子，最终得到较软的关断特性。称其为场电荷抽取二极+
管的原因就在于此，因为它是依靠器件内部电场的相互作用，减缓阳极P 区附近载流子的消失。

[0035] 为了对比说明，图2和图3采用相同的工艺参数和结构尺寸。由图8可知具有场电荷抽取结构的二极管较少子寿命分布二极管结构反向峰值电流小，软度因子大，在关断特性上优越于少子寿命分布的二极管。

[0036] 图9给出了本发明器件关断过程中内部电场变化示意图。由图9可知，随着关断时间的增加和反向电压的增大电场是不断向阴极移动，直到最终形成稳定的电场分布，器件完全关断。

[0037] 图10给出了本发明器件关断过程中阴极P+区附近电场变化图。从图上可以看出，阴极附近的电场E2在关断过程中一直减小，当器件最终关断时，电场E2将被削弱到稳定值。

[0038] 图11给出了本发明器件关断过程中内部空穴浓度变化示意图。在导通时，靠近阴+极P 区域的非平衡载流子浓度很少，这是由于这里存在一个内建电场，随着该处的内建电场的消弱，非平衡载流子空穴的浓度开始先增大然后慢慢减少，直到器件关断非平衡载流子浓度降低到稳定值。

[0039] 上述特性分析表明，本发明器件能够改善二极管的关断特性，获得较理想的软恢复特性，同时减少了对少子寿命的控制。因此，用本发明的场电荷抽取二极管结构替代现有的少子寿命分布二极管可望更好的满足高电压、大电流下的功率器件关断如IGBT等的续流。

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