[发明专利]大功率快速软恢复二极管管芯结构

说明书

本发明属于半导体二极管设计与制造技术领域，特别涉及大功率软恢复二极管管芯结构设计。

近年来，各种高频器件如IGBT、MCT、MOSFET等广泛应用于高频电力电子线路中，这些器件的出现显著地改善了那些对开关频率要求很高的功率电路的性能。在许多应用场合，这些器件需要快速二极管与其反并联，以提供续流通道。二极管的反向恢复特性会对电路的效率以及施加于有源元件上的尖峰电压产生重大影响，随着工作频率的不断提高，二极管的特性变得越来越重要。

二极管从导通转换为截止状态时，电流从正向电流I_F降为数值较小的反向漏电流。在转换过程中，产生反向恢复尖峰电流I_RRM。反向恢复时间定义为二极管这一转换过程所需的时间t_rr:t_rr=t_A+t_B。

图1示出了二极管反向恢复波形。

t_A是二极管从I_F降至I_RRM所需时间。t₈一般定义为电流从I_RRM降至0.1_IRRM所需的时间。

由于二极管反向恢复电流斜率di(rec)/dt对电路产生尖峰电压V_RM:V_RM=V_R+L·di(rec)/dt

其中L为电路电感。因而，二极管反向恢复波形对电路产生重大影响，为了表征这一影响，引入软度因子S:S=t_B/t_A或S=di(rec)/dt

图2,3为目前国内二极管管芯结构及杂质浓度分布图。

二极管管芯由在半导体芯片上扩散，不同类型杂质构成的阳极区、基区和阴极区，阳极区由高浓度P型杂质扩散形成的P⁺区及中等浓度P型杂质形成的P区，阴极由高浓度N型杂质扩散形成的N⁺区，阳极区与阴极区之间为低浓度N型杂质形成的基区(N区)，阳极、阴极通过沉积在半导体芯片两表面的金属薄层与电极相连。

据测试，正向电流100A，反向耐压1200V的上述二极管反向恢复时间约为2.3μs,t_B/t_A为0.33左右，di(rec)/dt为100A/μs以上。较小的t_B/t_A，较大的di(rec)/dt说明二极管反向恢复特性为硬特性，硬特性造成电路较大的尖峰电压。

1989年，H.Schlangenotto等人提出的二极管管芯SPEED为一种自调节发射效率结构，如图4所示。其阳极区由低浓度P型杂质P区及多个均匀分布在P区中的高浓度P型杂质P+区构成，基区由低浓度N型杂质N区构成。阴极区由均匀分布的高浓度N型杂质构成。当二极管加正向电压时，阳极侧较低P型杂质浓度的P区首先向基区注入较低浓度载流子，当二极管电流密度大于一给定数值(约15A/cm²)后，高浓度P⁺区产生高效空穴注入效应。二极管反向时，低浓度P区首先夹断，在基区储存较多载流子通过复合而消失，因而，这种结构改善了二极管软度因子。据测试，100A,1200V阳极结构为自调节发射效率结构的二极管反向恢复时间为2.5μs，软度因子t_B/t_A约为0.55,di(rec)/dt为90A/μs。

这种结构的管芯，P⁺区结深15μm，表面浓度10²⁰cm^-3,P区结深30μm，表面浓度10¹⁷cm^-3,P⁺占整个P区面积1/3,P⁺区扩散孔为圆形，直径60μm，呈正三角形排列，P⁺区位于正三角形顶点上。但是，这种管芯结构的二极管反向恢复时间较长，不适合在高频电路中应用。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种具有更佳反向快速软恢复特性的二极管管芯结构SIOD(Self adjusting P emitting efficiencyand Ideal Ohmic contact Diode即自调节P发射效率及理想欧姆接触二极管)。利用这种结构制造的二极管具有更佳的特性参数配合，一方面具有较小的反向恢复时间，另一方面大大改善二极管软度因子。