雙層超結(jié)肖特基二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙層超結(jié)肖特基二極管，其中，功率肖特基器件的漂移區(qū)采用雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)，在不明顯損失器件正向特性的前提下，很好改善了普通超結(jié)肖特基二極管的反向擊穿特性與電荷不平衡之間的關(guān)系，而且極大的改善了器件的反向恢復(fù)特性，降低了器件的輸出電容，有效地降低了器件的功耗。
【專利說明】雙層超結(jié)肖特基二極管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，尤其涉及一種雙層超結(jié)肖特基二極管。
【背景技術(shù)】 [0002]超結(jié)(super junction, SJ)理論最早出現(xiàn)在功率MOSFET中，是為了打破“硅限”而提出的，硅限是導(dǎo)通電阻受擊穿電壓限制而存在的一個極限。1988年，飛利浦美國公司的D.J.Coe首次提出了在橫向高壓MOSFET中采用交替的pn結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率器件中低摻雜漂移區(qū)作為耐壓層的方法。1993年，電子科技大學(xué)的陳星弼教授提出了在縱向功率器件中用多個pn結(jié)構(gòu)作為漂移區(qū)的方法，并把這種結(jié)構(gòu)稱為“復(fù)合緩沖層”(Composite Bufferlayer)。1995年,西門子公司的J.Tihanyi提出了類似的方法。從此,人們開始重視并研究超結(jié)結(jié)構(gòu)。1997年，Tatsuhiko等人提出了“超結(jié)理論”(Super junction Theory)概念，對這一思想進行了總結(jié)。通過理論計算以及實際測試得出一打破“硅限”的理論結(jié)果:Rm=CI(TbV,3。2000年和2001年，陳星弼教授先后發(fā)表論文，在論文中進一步分析了超結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的關(guān)系，并得出Rm - VB132。上述公式中Rm為導(dǎo)通電阻，Vb為擊穿電壓，b和c為乘法系數(shù)。
[0003]超結(jié)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是在降低了器件導(dǎo)通電阻的情況下，同時提高了器件的擊穿特性，這解決了普通結(jié)構(gòu)的Rm^P Vb之間折中關(guān)系難以解決的問題。對于普通的功率器件，要降低功耗需減小導(dǎo)通電阻，而減小導(dǎo)通電阻就需要提高漂移區(qū)濃度、減小漂移區(qū)厚度，然而隨著漂移區(qū)濃度的提高、漂移區(qū)厚度的減小，器件的擊穿電壓降低、反向漏電流增大，這就必須要進行折中選擇。超結(jié)很好的解決了這一問題，通過pn柱的電荷補償，既降低了導(dǎo)通電阻，又提高了擊穿電壓。
[0004]超結(jié)理論不僅應(yīng)用于功率M0SFET，也應(yīng)用于肖特基整流器。超結(jié)肖特基二極管(SJ-SBD)的基本結(jié)構(gòu)是將普通肖特基勢壘二極管(SBD，Schottky Barrier Diode)的漂移區(qū)換成交替的pn柱，而且pn柱的濃度較高，可以高出普通SBD漂移區(qū)摻雜濃度一個數(shù)量級以上。其中η柱與陽極形成肖特基接觸，而P柱與陽極形成的是歐姆接觸。在正向偏置下，η柱參與導(dǎo)電，P柱不參與導(dǎo)電，雖然與普通SBD相比其導(dǎo)電通道面積減小，但是由于η柱濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出普通SBD漂移區(qū)濃度，故其導(dǎo)通電阻明顯降低。在反向偏置下，由于pn柱的電荷補償作用，實現(xiàn)了類似于本征半導(dǎo)體漂移區(qū)的作用。外加較小的反向偏壓時，交替的pn柱在橫向上即可迅速耗盡，形成了橫向的pn結(jié)，使漂移區(qū)不僅在縱向上形成耗盡，在橫向上也很快的耗盡，整個漂移區(qū)近似為本征層，提高了器件的擊穿電壓。
[0005]但是，超結(jié)肖特基二極管同時存在著一些明顯的不足，首要問題就是實際工藝問題，在實際工藝中超結(jié)的深寬比較為重要，如果深寬比較大，器件工藝實現(xiàn)難度較大，如果深寬比較小，則不能很好的體現(xiàn)超結(jié)的優(yōu)勢。而且，在實際工藝中電荷平衡問題也極為重要。超結(jié)結(jié)構(gòu)是利用電荷補償原理工作的器件，如果器件的電荷不平衡則會明顯影響器件的擊穿特性。電荷平衡以及較大的深寬比對工藝要求很高。除此之外，超結(jié)器件的反向恢復(fù)特性很差，不僅反向峰值電流大，反向恢復(fù)電荷大，而且反向恢復(fù)軟度系數(shù)小，器件在動態(tài)功耗以及噪聲方面表現(xiàn)較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述關(guān)于超結(jié)功率肖特基二極管的電荷平衡以及動態(tài)特性差的問題，本發(fā)明提出了一種雙層超結(jié)肖特基二極管。
[0007]—方面，提供了一種二極管，包括:功率肖特基器件的漂移區(qū)，其中，
[0008]所述漂移區(qū)采用雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選的，所述雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)包括第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)和第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)與陽極接觸，所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)與N體區(qū)接觸。
[0010]優(yōu)選的，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度相同。
[0011]優(yōu)選的，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜類型和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜類型相同。
[0012]優(yōu)選的，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度高于所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度。
[0013]可選的，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的深度和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的深度是根據(jù)所述功率肖特基器件的技術(shù)參數(shù)設(shè)定的；和/或
[0014]所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度是根據(jù)所述功率肖特基器件的技術(shù)參數(shù)設(shè)定的。
[0015]在上述方案中，肖特基器件的漂移區(qū)采用雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)，從而在不明顯損失器件正向特性的前提下，改善超結(jié)器件擊穿電壓與電荷平衡之間的敏感關(guān)系，并有效降低器件的動態(tài)功耗，而且明顯降低了輸出電容。該方案可應(yīng)用在低、中壓功率肖特基器件中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明公開的雙層超結(jié)肖特基二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為普通超結(jié)肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3示出了本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管擊穿電壓與電荷失衡比例之間的關(guān)系；
[0019]圖4示出了本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管在電荷失衡比例為40%的情況下，PN結(jié)面處擊穿電壓下的電場分布；
[0020]圖5示出了本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管在電荷失衡比例為-40%的情況下，PN結(jié)面處擊穿電壓下的電場分布；
[0021]圖6示出了本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管正向?qū)ㄌ匦缘膶Ρ龋?br> [0022]圖7示出了本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管電容-電壓特性的對比；
[0023]圖8示出了本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管反向恢復(fù)特性的對比。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明實施例的技術(shù)方案主要包括:功率肖特基器件的漂移區(qū)采用雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)，其中N柱與金屬陽極形成肖特基接觸，P柱與金屬陽極形成歐姆接觸。其中，上下雙層超結(jié)的的寬度相同。上層超結(jié)摻雜濃度高于下層超結(jié)摻雜濃度，上下雙層超結(jié)的深度以及摻雜濃度結(jié)合實際功率肖特基器件的技術(shù)指標(biāo)設(shè)定。
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行詳細(xì)描述。
[0026]參照圖1，本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管(DSJ-SBD)基本結(jié)構(gòu)。DSJ-SBD采用了雙層超結(jié)的結(jié)構(gòu)，上下雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度相等，Cl1, d2分別為兩層超結(jié)的深度，NdpNd2分別為雙層超結(jié)的摻雜濃度。其中上層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度Nd1較高，與普通SJ-SBD的P/N柱摻雜濃度相同；而第二次超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度Nd2較低。P柱與金屬陽極形成歐姆接觸，N柱與金屬陽極形成肖特基接觸。在正向偏壓下，DSJ-SBD的導(dǎo)通工作原理與普通SJ-SBD相同，N柱有正向電流流過，P柱不參與導(dǎo)電。在反向偏置電壓下，DSJ-SBD的雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)均形成耗盡，使整個漂移區(qū)電荷耗盡，保證器件的耐壓。由于第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度較低，器件的導(dǎo)通電阻略大于普通SJ-SBD。電荷失衡比例相同的情況下，摻雜濃度較高的超結(jié)對擊穿電壓變化較為敏感，隨著電荷失衡比例的增大，器件的擊穿電壓迅速下降。低摻雜濃度的超結(jié)結(jié)構(gòu)器件的擊穿電壓對電荷失衡的敏感程度不如高濃度摻雜的超結(jié)結(jié)構(gòu)。但是，低濃度的超結(jié)結(jié)構(gòu)的正向?qū)娮铇O大，器件工作時的靜態(tài)功耗變大。綜合考慮以上兩個原因，將高低摻雜濃度的超結(jié)相結(jié)合，既保證了器件較低的導(dǎo)通電阻，又使超結(jié)肖特基二極管擊穿電壓對電荷失衡的敏感程度下降。由于第二層低摻雜濃度超結(jié)結(jié)構(gòu)的存在，DSJ-SBD的輸出電容與SJ-SBD相比也會有明顯的下降；反向恢復(fù)特性也有了明顯的提高，恢復(fù)電荷減少、反向恢復(fù)時間變短、恢復(fù)電流降低。
[0027]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的雙層超結(jié)肖特基二極管與傳統(tǒng)超結(jié)肖特基二極管的擊穿電壓與電荷失衡比例之間的關(guān)系。圖中四條曲線分別表示了傳統(tǒng)超結(jié)肖特基二極管的擊穿電壓、d1:d2為3:7的雙層超結(jié)肖特基二極管的擊穿電壓、d1:d2為5:5的雙層超結(jié)肖特基二極管的擊穿電壓和(11:(12為7:3的雙層超結(jié)肖特基二極管的擊穿電壓，雙層超結(jié)肖特基二極管的上下層超結(jié)的摻雜濃度分別為lX1016cm_3和lX1015cm_3。d1:d2為兩層超結(jié)結(jié)構(gòu)的第一層和第二層深度的比例。在電荷失衡比例較大的情況下，DSJ-SBD對超結(jié)器件擊穿電壓有所提高，提高的程度與上下雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)的長度尺寸有關(guān)系。在超結(jié)器件整體長度t固定的情況下，Cl1Id2比例越大，擊穿特性越接近于用方塊連線代表的傳統(tǒng)SJ-SBD ；Cl1Id2比例越小器件的擊穿特性越接近于低濃度超結(jié)肖特基二極管。
[0028]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的雙層超結(jié)肖特基二極管與傳統(tǒng)超結(jié)肖特基二極管在電荷失衡比例為40%的情況下，PN結(jié)面處擊穿電壓下的電場分布。當(dāng)電荷失衡量為40%時，即N柱電荷量大、P柱電荷量小時，P/N柱內(nèi)部電場不再是電荷平衡時的均勻分布，P/N柱與陽極接觸的位置電場變大，此時，SJ-SBD類似于傳統(tǒng)SBD在反向偏壓下的三角形電場分布，故其擊穿電壓明顯下降。擊穿電壓下的電場分布則可以體現(xiàn)出在峰值達(dá)到臨界擊穿電場時，電場分布曲線與橫軸所圍的面積中DSJ-SBD-3-7最大，DSJ-SBD-5-5次之，SJ-SBD最小，則可以說明DSJ-SBD-3-7獲得最大的擊穿電壓。曲線中還說明了上下雙層超結(jié)d1:d2比例對器件內(nèi)部電場分布曲線的影響；d1:d2比例越大，在電荷失衡比例相同的情況下器件的擊穿特性越差，接近于SJ-SBD，Cl1Id2比例越小DSJ-SBD可以獲得更好的擊穿特性。
[0029]參照圖5，本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管在電荷失衡比例為-40%的情況下，PN結(jié)面處擊穿電壓下的電場分布。在電荷是失衡量為負(fù)值時，即P柱電荷量大于N柱電荷量時，P/N柱與N+沉底位置的電場較大，電場曲線呈現(xiàn)倒三角分布的形式。
[0030]參照圖6，本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管正向?qū)ㄌ匦缘膶Ρ?。對于同一種DSJ-SBDd1:d2比例越大，器件的導(dǎo)通特性越接近于普通SJ-SBD ；d1:d2比例越小器件的正向?qū)ㄌ匦栽讲?。這主要是由于在整個器件厚度t確定的情況下d1:d2比例越大，上層高濃度的超結(jié)結(jié)構(gòu)占決定總導(dǎo)通電阻的主導(dǎo)地位，器件的導(dǎo)通特性越接近普通SJ-SBD。雖然DSJ-SBD的正向?qū)ㄌ匦耘cSJ-SBD相比有所下降，但是與普通SBD的正向?qū)ㄌ匦韵啾热杂忻黠@的優(yōu)勢，起到了超結(jié)理論中打破擊穿電壓與導(dǎo)通電阻之間“硅限”的極限關(guān)系，在不損失器件擊穿電壓的前提下提高了器件的正向?qū)ㄌ匦浴?br> [0031]參照圖7，本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管電容-電壓特性的對比。本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管的電容電壓特性明顯好于普通超結(jié)肖特基二極管。這主要是由于高低濃度雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計，由于低濃度超結(jié)的存在減少了少數(shù)載流子的注入，使器件在較低的反向偏壓下更容易形成耗盡，故其在反向偏壓以及零偏置時的結(jié)電容明顯小于SJ-SBD，很好的改善了 SJ-SBD在高頻領(lǐng)域的表現(xiàn)。對于SJ-SBD，其電容-電壓曲線在某一反向偏壓時存在一個明顯的下降的趨勢，這主要是由于SJ-SBD中交替設(shè)置的PN柱，形成了一個器件體內(nèi)的PiN 二極管，有少數(shù)載流子的注入。而當(dāng)器件在反向偏置的情況下，其交替設(shè)置的PN柱會形成耗盡，當(dāng)達(dá)到耗盡狀態(tài)后，P/N柱中的少數(shù)載流子會迅速減少，故在該點反向偏壓下，器件的電容會迅速下降，并維持在一個較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。
[0032]參照圖8，本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管與普通超結(jié)肖特基二極管反向恢復(fù)特性的對比。本發(fā)明雙層超結(jié)肖特基二極管很好的降低了器件的反向恢復(fù)電荷，降低了器件的反向恢復(fù)峰值電流，減少了反向恢復(fù)時間。普通超結(jié)肖特基二極管的一大缺點就在于其在正向偏置電壓下工作時體內(nèi)形成的PiN體二極管，當(dāng)其處在導(dǎo)通狀態(tài)下時，大量的過剩載流子會貯存在PN柱中，這就導(dǎo)致了器件會有極大的反向恢復(fù)電荷。一旦器件進入反向恢復(fù)狀態(tài)，器件就會產(chǎn)生極大的反向恢復(fù)峰值電流，這樣器件就會產(chǎn)生較大的電磁干擾和功率損耗。而且由于橫向PN結(jié)的存在，這些過剩載流子會迅速降低，這也導(dǎo)致了器件的反向恢復(fù)峰值電流變大。本發(fā)明很好解決了這一問題，由于低濃度摻雜超結(jié)結(jié)構(gòu)層的存在明顯減少了少數(shù)載流子的注入，改善了器件的反向恢復(fù)特性。
[0033]本發(fā)明提供的雙層超結(jié)肖特基二極管在不明顯損失器件正向特性的前提下，很好改善了普通肖特基二極管的反向擊穿特性與電荷不平衡之間的關(guān)系，而且極大的改善了器件的反向恢復(fù)特性，有效地降低了器件的功耗。雙層超結(jié)肖特基二極管改善了超結(jié)器件電荷不平衡和反向恢復(fù)特性差的缺點。
【權(quán)利要求】
1.一種二極管，其特征在于，包括:功率肖特基器件的漂移區(qū)，其中，所述漂移區(qū)采用雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管，其特征在于，所述雙層超結(jié)結(jié)構(gòu)包括第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)和第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)，其中，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)與陽極接觸，所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)與N體區(qū)接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二極管，其特征在于，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二極管，其特征在于，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜類型和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜類型相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二極管，其特征在于，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度高于所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的二極管，其特征在于，所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的深度和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的深度是根據(jù)所述功率肖特基器件的技術(shù)參數(shù)設(shè)定的；和/或所述第一層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度和所述第二層超結(jié)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度是根據(jù)所述功率肖特基器件的技術(shù)參數(shù)設(shè)定的。
【文檔編號】H01L29/872GK103594523SQ201310547265
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】王穎, 徐立坤, 曹菲, 胡海帆 申請人:哈爾濱工程大學(xué)