一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管

摘要

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

说明书

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

随着电力电子技术水平的不断深入发展，各种高频器件如GTO、MOSFET、IGBT广泛应用于变频、斩波等电路。在许多工作条件下，这些器件需要一个与之反并联的二极管以提供续流通道，减少电容的充放电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。其中续流二极管的反向特性对施加于有源元件的尖峰电压及电路的效率产生很大影响，要求具有良好的快速和软恢复特性。

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V_f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t_rr，t_rr由两部分组成，贮存时间t_A是结边缘少子浓度达到零的时间，下降时间t_B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。

         t_rr＝t_A+t_B

常用t_B/t_A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

针对传统Si功率开关二极管存在的上述缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管，该开关二极管采用半导体材料SiGe和n^-区多层渐变掺杂与阴极理想欧姆接触组合结构，具有优异快速软恢复特性。

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t_rr由t_A、t_B两部分组成，反向恢复软度因子S一般用t_B/t_A表示；I_RM为反向恢复峰值电流，I_F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

本发明的快速软恢复SiGe/Si异质结功率开关二极管的结构是在传统SiPiN功率二极管结构基础上改进得到的，具有良好的工艺兼容性。其剖面图和仰视图如图2、3。它由阳极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；阳极p⁺区中应变SiGe材料，Ge的百分含量可在5％-20％之间调节。阳极侧p⁺区厚度很薄，厚度大约在20～50nm左右；n^-区采用多层渐变掺杂结构，其掺杂浓度从阳极边界由低至高渐变到阴极边界，渐变掺杂的层数可根据需要选2-3层；阴极区采用交替的p⁺、n⁺结构来代替常规的n⁺区，使阴极区具有理想欧姆接触。

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t_A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t_B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。