一种大功率快恢复二极管结构的制作方法

1.本发明属于半导体技术领域，具体为一种大功率快恢复二极管结构。


背景技术：

2.电力电子技术是以电力半导体器件为基础，通过弱电控制强电运行相结合，对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术广泛应用于一般工业领域、交通运输领域、电力系统领域、电源应用领域、家用电气领域。
3.作为电力电子装置的核心，电力半导体器件对于电力电子装置的总价值、尺寸、重量和技术发展起到决定作用。现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。电力电子技术促使功率半导体器件不断提高性能，主要在以下的几个方面：(1)更大的功率，更高的导通电流和反向耐压；(2)更低的功耗，更低的导通压降和反向漏电流；(3)更高频率，更快的开关速度和更低的开关损耗；(4)对器件的稳定性提出了更高的要求。
4.随着电力电子技术的发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路的主回路不论是采用环流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如gto,mct,igbt等，都需要一个与之并联的快速二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。随着这些器件的开关速度不断提高，为了与其关断过程相匹配，该二极管必须具有快速开通和关断的能力。对二极管的反向恢复能力主要有以下方面的要求：1)短的反向恢复时间；2)较小的反向恢复电流；3)软恢复特性。
5.快速软恢复二极管,是一种pin二极管。与普通p
‑
n结二极管不同，pin二极管在两端的p 与n 之间增加了一个本征层(低掺杂层)，整个结构分为三部分，p 区，本征区，n 区。
6.与普通的p
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n二极管相同，该二极管也是双极型器件。pin二极管中间的本征层可以使其承受很高的反向电压，它的厚度、掺杂的浓度直接决定了二极管的耐压等级。在二极管正向导通时，两端高掺杂浓度的n 区和p 区会向二极管的本征区注入大量的自由载流子，从而在本征区内产生电导调制效应，使器件维持一个较低的正向导通压降。但pin二极管在从导通向关断的状态切换时，位于本征区内的自由载流子并不能马上被复合。自由载流子会被抽取出本征区，从而形成一个反向峰值电流——反向恢复电流。该电流的di/dt很大，会造成电路的过压冲击、器件的自身关断损耗增加、开关特性以及可靠性变差。
7.为了减小二极管反向恢复电流和di/dt，达到软恢复，已有专利在二极管的阻断区上增加一个过渡区。该过渡区是较重掺杂的n型区，位于阻断区阴极一侧。它的掺杂浓度要足够大，使得该部分在反向恢复过程中不会被二极管上的反向偏压耗尽。同时，该过渡区的掺杂浓度又要足够低，允许电导调制，使得过渡区内有一定存储电荷。在反向恢复的第四阶段，施加的偏压不能快速抽取这部分存储电荷，来减小反向恢复电流的变化率。因此在frd的设计过程中，其动态性能与静态性能不能同时向好的方向优化，只能在牺牲一方面性能的情况下去优化另一方面的性能。通常情况下，为了提升二极管的软度，避免二极管在反向恢复阶段过程中载流子的快速抽取，需要增加二极管阻断区的长度来增强其载流子的存储
能力，形成非穿通二极管，使其能够达到软恢复效果。但这就使得二极管的正向导通压降增大，二极管的导通损耗大大增加。另一方面设置过渡区可以使得部分自由载流子不被耗尽，但为了满足电导调制效应，过渡区的浓度不能设置太大。因此设置过渡区对二极管的正向导通压降改善也不是特别明显。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对上述问题，提出了一种大功率快恢复二极管结构，本发明高度集成，可以改善二极管阻断区载流子的分布，在提升快恢复二极管的反向恢复特性的前提下降低其正向导通压降。
9.为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种大功率快恢复二极管结构，其特征在于，从上至下依次设置有第一电极层、第二导电类型的导通二区、第一导电类型的阻断层、第一导电类型的导通三区和第二电极层，所述导通二区的上表面嵌入多个第二导电类型的导通一区，多个所述导通一区间隔设置；所述导通一区和导通二区的上表面与第一电极层接触；所述导通二区的下表面与阻断层接触；所述阻断层与导通三区之间还设置有第一导电类型的过渡区；所述过渡区的下表面与导通三区连接；所述过渡区的上表面及侧面与阻断层连接。
10.优选的，所述过渡区的掺杂浓度大于阻断层的掺杂浓度，所述过渡区的掺杂浓度小于导通三区的掺杂浓度。
11.优选的，所述过渡区的掺杂浓度沿纵向方向递增。
12.优选的，所述过渡区包括过渡一区和过渡二区，所述过渡一区和过渡二区沿纵向方向依次并列设置；所述过渡一区的上表面和侧面与阻断层连接，所述过渡二区的上表面与阻断层连接；所述过渡二区的下表面与导通三区连接；所述过渡一区的掺杂浓度小于过渡二区的掺杂浓度；所述过渡一区的掺杂浓度大于阻断层的掺杂浓度，所述过渡二区的掺杂浓度小于导通三区的掺杂浓度。
13.优选的，所述过渡区的掺杂浓度沿横向方向递增。
14.优选的，所述过渡区包括过渡一区、过渡二区和过渡三区，所述过渡一区、过渡二区、过渡三区沿横向方向依次并列设置；所述过渡三区和过渡二区的上表面与阻断层连接，所述过渡三区和过渡二区的下表面与导通三区连接；所述过渡一区的上表面及侧面与阻断层连接，所述过渡一区的下表面与导通三区连接；所述过渡三区的掺杂浓度大于过渡二区的掺杂浓度；所述过渡二区的掺杂浓度大于过渡一区的掺杂浓度；所述过渡一区的掺杂浓度大于阻断层的掺杂浓度，所述过渡三区的掺杂浓度小于导通三区的掺杂浓度。
15.优选的，所述导通一区的掺杂浓度大于导通二区的掺杂浓度。
16.优选的，所述导通一区的掺杂浓度和导通二区的掺杂浓度纵向方向递减。
17.优选的，所述第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料。
18.本发明的有益效果：在二极管正常导通的情况下，pn结处的空穴主要由导通二区的低掺杂区域提供，阻断区靠近pn结处的自由载流子浓度较小，这样可以显著减小二极管反向恢复电流的峰值，从而缩短二极管的反向恢复时间。同时，过渡区的高掺杂区域负责电流的通过，因其浓
度较高，过渡区上的正向导通压降较小；过渡区的低掺杂区域负责正向导通时自由载流子的存储，在二极管反向恢复的过程中，由该区域的自由载流子提供二极管的软恢复电流。在浪涌电流的情况下，pn结处的空穴由导通一区的高掺杂区域提供。相比正常导通时，pn结处的自由载流子大大增加，从而有效的抵抗浪涌电流。
附图说明
19.图1为本发明实施例1的结构示意图。
20.图2为本发明实施例2的结构示意图。
21.图3为本发明实施例3的结构示意图。
22.图4为本发明与常规二极管的反向恢复最大电压——正向导通压降折中优化曲线的对比图。
23.图5为本发明与常规二极管的正向导通对比图。
24.图6为本发明与常规二极管的反向恢复对比图。
25.在附图中的序号：1、第一电极层；2、导通一区；3、导通二区；4、阻断层；5、过渡区；51、过渡一区；52、过渡二区；53、导通三区；6、导通三区；7、第二电极层。
具体实施方式
26.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
27.实施例1如图1所示，一种大功率快恢复二极管结构，从上至下依次设置有第一电极层1、第二导电类型的导通二区3、第一导电类型的阻断层4、第一导电类型的导通三区6和第二电极层7，导通二区3的上表面嵌入多个第二导电类型的导通一区2，多个导通一区2间隔设置；导通一区2和导通二区3的上表面与第一电极层1接触；导通二区3的下表面与阻断层4接触；阻断层4与导通三区6之间还设置有第一导电类型的过渡区5；过渡区5的下表面与导通三区6连接；过渡区的上表面及侧面与阻断层连接。
28.在本实施例中，过渡区5的掺杂浓度大于阻断层4的掺杂浓度，过渡区5的掺杂浓度小于导通三区6的掺杂浓度。
29.在具体实施中，由于阻断区4的本征载流子浓度小，有利于电导调制效应，从而有利于自由载流子的储存，这会为二极管提供软的反向恢复。过渡区5的本征浓度比较大，对自由载流子的存储能力比较弱但优点是导通电阻小。在常规二极管中，很难实现器件正向导通与反向恢复性能的良好折中，而本实施例具有高浓度过渡区5与低浓度的阻断区4同时并列，电流导通则主要由过渡区5负责，反向恢复主要由阻断区4负责，从而兼顾了二极管的正向导通和反向恢复所需折中条件。
30.在本实施例中，过渡区5的掺杂浓度沿纵向方向递增，也就是说过渡区5上同时存在高浓度区域和低浓度区域。
31.在本实施例中，导通一区2的掺杂浓度大于导通二区3的掺杂浓度。
32.在本实施例中，导通一区2的掺杂浓度和导通二区3的掺杂浓度纵向方向递减。
33.在本实施例中，第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料。
34.在具体实施方式中，第一电极层1为阳极金属，第二电极层7为阴极金属，第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料，即第二导电类型的导通一区2为p 型高浓度掺杂低阻区，第二导电类型的导通二区3为p型较高浓度掺杂低阻区，第一导电类型的阻断层4为n
‑
型低浓度掺杂的高阻区，第一导电类型的导通三区6为n 型低阻区，过渡区5为n型过渡区。
35.在本实施例中，导通二区3的掺杂浓度小于导通一区2的掺杂浓度，在正常导通电流时，阻断区的空穴载流子主要由导通二区3提供，因其浓度低，故提供的空穴载流子也就少，这样利于二极管反向恢复对载流子的抽取，增加了二极管反向恢复的速度，从而缩短二极管的反向恢复时间。在二极管遇到很高的浪涌电流时，高浓度的导通一区2工作，大量空穴载流子注入阻断区，减小了二极管的体电阻，增强了二极管的抗浪涌电流能力，这样可以显著减小二极管反向恢复电流的峰值。同时，过渡区5的高掺杂区域负责电流的通过，因其浓度较高，过渡区5上的正向导通压降较小；过渡区5的低掺杂区域负责正向导通时自由载流子的存储，在二极管反向恢复的过程中，由该区域的自由载流子提供二极管的软恢复电流。在浪涌电流的情况下，pn结处的空穴由导通二区的高掺杂区域提供。相比正常导通时，pn结处的自由载流子大大增加，从而有效的抵抗浪涌电流。
36.实施例2如图2所示，一种大功率快恢复二极管结构，从上至下依次设置有第一电极层1、第二导电类型的导通二区3、第一导电类型的阻断层4、第一导电类型的导通三区6和第二电极层7，导通二区3的上表面嵌入多个第二导电类型的导通一区2，多个导通一区2间隔设置；导通一区2和导通二区3的上表面与第一电极层1接触；导通二区3的下表面与阻断层4接触；阻断层4与导通三区6之间还设置有第一导电类型的过渡区5；过渡区5的下表面与导通三区6连接；过渡区的上表面及侧面与阻断层连接。
37.在本实施例中，过渡区5的掺杂浓度大于阻断层4的掺杂浓度，过渡区5的掺杂浓度小于导通三区6的掺杂浓度。
38.在本实施例中，过渡区5的掺杂浓度沿纵向方向递增，过渡区5包括过渡一区51和过渡二区52，过渡一区51和过渡二区52沿纵向方向依次并列设置；过渡一区51的上表面和侧面与阻断层4连接，过渡二区52的上表面与阻断层4连接；过渡二区52的下表面与导通三区6连接；过渡一区51的掺杂浓度小于过渡二区52的掺杂浓度；过渡一区51的掺杂浓度大于阻断层4的掺杂浓度，过渡二区52的掺杂浓度小于导通三区6的掺杂浓度。
39.在本实施例中，导通一区2的掺杂浓度大于导通二区3的掺杂浓度，导通一区2的掺杂浓度和导通二区3的掺杂浓度纵向方向递减。
40.在本实施例中，第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料。
41.在具体实施方式中，第一电极层1为阳极金属，第二电极层7为阴极金属，第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料，即第二导电类型的导通一区2为p 型高浓度掺杂低阻区，第二导电类型的导通二区3为p型较高浓度掺杂低阻区，第一导电类型的阻断层4为n
‑
型低浓度掺杂的高阻区，第一导电类型的导通三区6为n 型低阻区，
过渡一区51为n
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过渡区，过渡二区52为n型过渡区。其中，导通一区2和导通二区3为本发明二极管结构的正面导通层，导通三区6为背面导通层。
42.为了说明本发明结构中过渡区的作用，设计两个二极管结构进行仿真对比。常规二极管的过渡区是完整的一整层，不存在侧面与阻断区接触这种情况，而且常规二极管的过渡区浓度只是单纯在垂直于pn结的方向上变化，在平行于pn结的方向上，常规二极管的浓度是恒定的。首先固定两个二极管的正面导通层、阻断层、背面导通层不变，其中一个常规二极管采用传统的过渡层，其过渡区的浓度沿着阻断层4到背面导通层的方向递增；另一个二极管的过渡层为本发明的过渡区5结构。
43.首先利用tcad对两个二极管做了反向恢复仿真，如图6所示，从图中可以看出两种二极管的反向恢复峰值电流是相同的，但本发明结构的二极管反向恢复软度是要好于常规二极管的。然后对两个二极管做了正向导通仿真。
44.如图5所示，本发明结构的二极管正向导通电压与常规二极管的正向导通电压几乎吻合。通过仿真对比发现：本发明结构二极管在不损害正向导通特性的情况下提升了反向恢复的软度。这说明本发明结构的二极管相比常规二极管有着更好的优化前景。在固定二极管的正面导通层、阻断层、背面导通层不变的情况下，设置过渡一区51的掺杂浓度为阻断区的浓度值。改变过渡二区52的掺杂浓度，在相同的反向恢复测试电路下，记录二极管承受的最大反向电压，同时测试二极管在正常工作时的正向导通压降。制作图5所示的反向恢复最大电压——正向导通压降折中优化曲线，并与传统过渡区的二极管的反向恢复最大电压——正向导通压降折中优化曲线进行对比。
45.如图4所示，对于传统结构二极管，提高过渡区的掺杂浓度可以减小正向导通压降，但是较高掺杂浓度的过渡区并不能很好的储存自由载流子，因此二极管在反向恢复末期很容易耗尽自由载流子，使得反向恢复电流急剧减小，二极管承受相当大的反向恢复电压，并发生反向恢复电流与电压的剧烈震荡。本结构的过渡区5分为过渡一区51与过渡二区52，较高掺杂浓度的过渡二区52负责流过大部分导通电流，保证二极管的正向导通压降。较低掺杂浓度的过渡一区51负责存储正向导通时存储下来的自由载流子，保证二极管反向恢复的软度。从图4中可以看出，在相同正向导通压降的情况下，本发明结构的二极管比传统二极管有更小的最大反向电压。而且本发明结构的二极管没有最大反向电压突然增大的拐点，说明该二极管一直是软恢复，与传统二极管相比，本发明结构的二极管可以在更低的正向导通压降下实现快速软恢复。本发明结构的二极管比传统的二极管拥有更好的折中优化曲线，拥有更大的优化空间。
46.在器件的正常开通阶段，由于导通二区3的掺杂浓度比较低，阻断区4靠近阳极附近的自由载流子浓度要小于靠近阴极附近的自由载流子浓度，此时绝大部分导通电流流过过渡二区52，过渡一区51存储大量的自由载流子，由于过渡二区52的掺杂浓度很高，二极管的导通电压比较小。在器件反向恢复的过程中，靠近阳极附近的自由载流子决定了反向恢复的电流峰值irr，因为在该器件中阳极附近的载流子浓度较低，因此与常规二极管相比，该结构可以显著减小反向恢复的电流峰值irr与反向恢复电荷qrr，从而加快二极管的反向恢复，并减小二极管反向恢复的损耗。在反向恢复的末期，常规二极管的自由载流子会被电场全部耗尽，反向恢复电流会迅速衰减到零形成较大的di/dt，从而使二极管承受很大的反向恢复电压，甚至形成剧烈的电磁振荡，对电子设备造成一定的影响。本发明提出的二极管
结构的过渡二区存储的载流子不会被电场耗尽，在二极管反向恢复的末期可以为二极管提供反向恢复拖尾电流所需要的自由载流子，使其实现软恢复。
47.实施例3如图3所示，一种大功率快恢复二极管结构，从上至下依次设置有第一电极层1、第二导电类型的导通二区3、第一导电类型的阻断层4、第一导电类型的导通三区6和第二电极层7，导通二区3的上表面嵌入多个第二导电类型的导通一区2，多个导通一区2间隔设置；导通一区2和导通二区3的上表面与第一电极层1接触；导通二区3的下表面与阻断层4接触；阻断层4与导通三区6之间还设置有第一导电类型的过渡区5；过渡区5的下表面与导通三区6连接；过渡区的上表面及侧面与阻断层连接。
48.在本实施例中，过渡区5的掺杂浓度大于阻断层4的掺杂浓度，过渡区5的掺杂浓度小于导通三区6的掺杂浓度，而过渡二区52的掺杂浓度大于阻断层4的掺杂浓度。
49.在本实施例中，过渡区5的掺杂浓度沿横向方向递增，其中，过渡区包括过渡一区51、过渡二区52和过渡三区53，过渡一区51、过渡二区52、过渡三区53沿横向方向依次并列设置；过渡三区53和过渡二区52的上表面与阻断层4连接，过渡三区53和过渡二区52的下表面与导通三区6连接；过渡一区51的上表面及侧面与阻断层4连接，过渡一区51的下表面与导通三区6连接；过渡三区53的掺杂浓度大于过渡二区52的掺杂浓度；过渡二区52的掺杂浓度大于过渡一区51的掺杂浓度；过渡一区51的掺杂浓度大于阻断层4的掺杂浓度，过渡三区53的掺杂浓度小于导通三区6的掺杂浓度。
50.在本实施例中，导通一区2的掺杂浓度大于导通二区3的掺杂浓度，导通一区2的掺杂浓度和导通二区3的掺杂浓度纵向方向递减。
51.在本实施例中，第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料。
52.在具体实施方式中，第一电极层1为阳极金属，第二电极层7为阴极金属，第一导电类型为n型导电类型材料，第二导电类型为p型导电类型材料，即第二导电类型的导通一区2为p 型高浓度掺杂低阻区，第二导电类型的导通二区3为p型较高浓度掺杂低阻区，第一导电类型的阻断层4为n
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型低浓度掺杂的高阻区，第一导电类型的导通三区6为n 型低阻区，过渡一区51为n
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过渡区，过渡二区52为n型过渡区，过渡三区53为n 型过渡区。
53.在器件的正常开通阶段，由于导通二区3的掺杂浓度比较低，阻断区4靠近阳极附近的自由载流子浓度要小于靠近阴极附近的自由载流子浓度，此时导通电流沿着过渡三区53、过渡二区52、过渡一区51、阻断层的方向递减，而自由载流子的存储量是沿着过渡三区53、过渡二区52、过渡一区51、阻断层的方向递增。由于高浓度的过渡三区53的电阻率较小，二极管的正向导通压降比较小。
54.在器件反向恢复的过程中，靠近阳极附近的自由载流子决定了反向恢复的电流峰值irr，因为在该器件中阳极附近的载流子浓度较低，因此与常规二极管相比，该结构可以显著减小反向恢复的电流峰值irr与反向恢复电荷qrr，从而加快二极管的反向恢复，并减小二极管反向恢复的损耗。在反向恢复的末期，常规二极管的自由载流子会被电场全部耗尽，反向恢复电流会迅速衰减到零形成较大的di/dt，从而使二极管承受很大的反向恢复电压，甚至形成剧烈的电磁振荡，对电子设备造成一定的影响。本发明提出的二极管结构的低浓度过渡区与阻断区存储的载流子不会被电场耗尽，在二极管反向恢复的末期可以为二极
管提供反向恢复拖尾电流所需要的自由载流子，使其实现软恢复。
55.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
56.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。