CN102723369B - 一种具有低导通压降的P-i-N二极管 - Google Patents

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Abstract

一种具有低导通压降的P-i-N二极管，属于功率半导体器件技术领域。本发明在二极管中引入由槽栅结构和JFET结构所组成载流子注入模式控制结构。通过施加栅极电压脉冲调制二极管的注入模式，使二极管分别工作在P-i-N模式和零结模式下，以达到降低二极管导通压降的目的。本发明所述的二极管在具有常规P-i-N二极管的高阻断电压和低漏电流优势的同时，能够获得更低的导通压降和更快的反向恢复速度，进而大幅度降低二极管在电路应用中产生的功耗。

Description

一种具有低导通压降的P-i-N二极管
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及P-i-N二极管。
背景技术
功率二极管是功率半导体器件的一个重要分支，广泛应用于功率电子电路中。作为整流器应用，功率二极管需要具有导通功耗低，阻断电压高，反向恢复速度快等特性。P-i-N二极管因为其具有低的功耗，高的电压阻断能力，低的泄漏电流的优势成为功率二极管中的主流器件。通过对器件结构的优化和对载流子寿命控制，P-i-N的性能也在不断地提升。但由于PN结内建电势的存在，P-i-N二极管的导通压降总在0.7V以上。在电路应用中，这将不可避免的带来较大的功率损耗。在5V电源电路中，二极管带来的功率损耗占到电路的20%左右。随着电源电压的不断下降，二极管所带来的功率损耗将不断增大。
Yasuaki Matsumoto等在文章“Challenge to the Barrier of Conduction Loss in PiN Diodetoward VF<300mV with Pulsed Carrier Injection Concept”,Proc.of ISPSD 2010,pp.119-122,2010中提出了一种通过用过脉冲信号来控制载流子类型来降低P-i-N二极管导通电压的理论，采用该理论可设计出导通压降低于0.7V的新型P-i-N二极管。
发明内容
本发明利用二极管导通压降脉冲调制载流子注入理论，提出一种具有低导通压降的P-i-N二极管结构，能够有效降低电路中二极管所带来功率损耗。
本发明的技术方案如下：
一种具有低导通压降的二极管，如图1所示，包括阴极区3、位于阴极区3背面的阴极金属10、位于阴极区3正面的漂移区2；漂移区2顶部具有P+浮空阳极区4、沟槽栅结构和阳极结构；所述沟槽栅结构夹于P+浮空阳极区4和阳极结构之间，由多晶硅栅电极5、栅氧化层6和栅极金属8构成，其中栅极金属8位于多晶硅栅电极5上表面，栅氧化层6位于多晶硅栅电极5侧面及底面；所述沟槽栅结构的底面栅氧化层6与漂移区2接触，左面栅氧化层6与P+浮空阳极区4接触，右侧栅氧化层6与阳极结构接触；所述阳极结构包括阳极金属9、一个N+阳极接触区和两个P+条1；N+阳极接触区和两个P+条1均与阳极金属9相接触，其中N+阳极接触区夹于两个P+条1之间，N+阳极接触区下方的两个P+条1之间还具有一个N型电子沟道7。所述P+浮空阳极区4的纵向尺寸大于所述槽栅结构的纵向尺寸，所述P+浮空阳极区4的横向尺寸大于所述阳极结构的横向尺寸（即两个P+条1加电子沟道7的横向尺寸之和）。
本发明提供的具有低导通压降的二极管，其阳极结构主要是由两个P+条1夹一个N型电子沟道7所构成的JFET结构。其中阳极结构和槽栅结构相结合可实现栅极电压脉冲对载流子注入模式进行控制以达到降低二极管导通压降的目的。下面结合图2、图3说明本发明的工作原理。
在所述二极管的阳极金属9加正电压，阴极金属10加零电压，在栅极8加高频0V/-10V脉冲信号来控制二极管的载流子注入模式，以实现低的导通电压。
因为阳极金属9覆盖JFET结构的P型条1和N型电子沟道7，固在正向工作状态下，JFET电子沟道始终存在。
当栅压位于-10V时，在槽栅底部的漂移区2表面形成P型反型沟道，将浮空阳极区4通过反型沟道，P型条1与阳极金属9相连接，因P+阳极区4尺寸大于JFET电子沟道，此时二极管主要处于P-i-N二极管工作状态。P+阳极区4将向漂移区2注入大量的空穴，阴极区3将向漂移区2注入电子，在漂移区2形成电导调制，使漂移区压降急剧下降，则二极管的导通压降以PN结内建电势为主（0.7V~0.9V）。
当栅压位于0V时，槽栅底部的漂移区2表面P型反型沟道消失，P+浮空阳极区4与阳极金属9之间被阻断而进入浮空状态，则空穴注入被切断，空间电荷区储存电荷会随时间的推移而下降。电流直接通过JFET结构的N型电子沟道7流向漂移区2，并从阴极10流出，此时器件主要处于N+N-N+状态，进而进入电子注入模式。在该模式下，只有电子电流参与导电，无PN结的存在，因而器件工作在零结模式下，导通压降得以降低（0.2~0.3V）。
本发明所述的P-i-N二极管在工作时，栅控电压将在高频脉冲电压信号的两种模式下进行高速切换，通过调节栅极高频脉冲电压信号的占空比，增加器件工作在零结模式的时间比例，进而获得小于0.7V的低导通压降。
在阻断状态下，使本发明所述二极管耐压与P-i-N二极管基本相同。但由于本发明所述的二极管电压具有电子通道，相比于常规P-i-N二极管将具有更强的反向恢复能力。
综上，本发明的有益成果体现在：
本发明提供的一种具有低导通电压的P-i-N二极管，可有效降低二极管的导通压降，缩短反向恢复时间，进而降低电路的功耗。
附图说明
图1是本发明所提供的低导通P-i-N二极管的结构示意图。
图2是本发明所提供的低导通P-i-N二极管的空穴注入模式的示意图。
图3是本发明所提供的低导通P-i-N二极管的电子注入模式的示意图
具体实施方式
一种具有低导通压降的二极管，如图1所示，包括阴极区3、位于阴极区3背面的阴极金属10、位于阴极区3正面的漂移区2；漂移区2顶部具有P+浮空阳极区4、沟槽栅结构和阳极结构；所述沟槽栅结构夹于P+浮空阳极区4和阳极结构之间，由多晶硅栅电极5、栅氧化层6和栅极金属8构成，其中栅极金属8位于多晶硅栅电极5上表面，栅氧化层6位于多晶硅栅电极5侧面及底面；所述沟槽栅结构的底面栅氧化层6与漂移区2接触，左面栅氧化层6与P+浮空阳极区4接触，右侧栅氧化层6与阳极结构接触；所述阳极结构包括阳极金属9、一个N+阳极接触区和两个P+条1；N+阳极接触区和两个P+条1均与阳极金属9相接触，其中N+阳极接触区夹于两个P+条1之间，N+阳极接触区下方的两个P+条1之间还具有一个N型电子沟道7。所述P+浮空阳极区4的纵向尺寸大于所述槽栅结构的纵向尺寸，所述P+浮空阳极区4的横向尺寸大于所述阳极结构的横向尺寸（即两个P+条1加电子沟道7的横向尺寸之和）。
本发明所述二极管正向导通时，在栅极金属9上施加0V/-10V的高频脉冲电压信号来控制二极管的载流子注入模式，以实现低的导通电压；通过调节栅极金属9上高频脉冲电压信号的占空比，增加器件工作在零结模式的时间比例，进而获得小于0.7V的低导通压降，从而降低二极管及相关电路的功耗。反向阻断时，本发明所述二极管耐压与P-i-N二极管基本相同。但由于本发明所述的二极管电压具有电子通道，相比于常规P-i-N二极管将具有更强的反向恢复能力。
本发明提供的低导通电压P-i-N二极管，其载流子注入模式控制结构可与现有P-i-N二极管的各种阴极结构和漂移区结构相结合，组合出具有本发明所述载流子注入模式控制结构的P-i-N二极管。例如：漂移区2可采用单独的N-外延层构成，也可采用超结结构或半超结结构的漂移区。
以图1所示的器件结构为例，其制造方法包括以下步骤：
第一步：在N-外延衬底上通过挖槽、氧化、刻蚀，淀积栅极金属/多晶硅，形成所述的槽栅结构。
第二步：注入B并推结形成浮空阳极区4。
第三步：通过挖槽填充掺杂硅形成P型条1和N型沟道区7。
第四步：注入P在N型沟道区表面形成欧姆接触。
第五步：分别淀积SiO2等绝缘介质层、刻蚀欧姆孔。
第六步：淀积金属层，形成阳极金属10及互联，淀积钝化层。
第九步：N-外延衬底背面减薄、抛光，注入P并进行离子激活，形成阴极区3。
第十步：背金，形成阴极金属10。
应当说明，本发明的核心发明点在于提出了一种通过栅极高频脉冲信号来控制载流子注入模式的低导通压降的P-i-N二极管结构。本发明中结构的制备工艺具有很多种变化，本发明中提供的制备方法仅为实现该结构的一种途径。本发明不可能也没有必要将一一逐级，但本领域技术人员应当理解在本发明的基础上所作出的各种结构或工艺上的变化，均在本发明申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种具有低导通压降的二极管，包括阴极区(3)、位于阴极区(3)背面的阴极金属(10)、位于阴极区(3)正面的漂移区(2)；漂移区(2)顶部具有P+浮空阳极区(4)、沟槽栅结构和阳极结构；所述沟槽栅结构夹于P+浮空阳极区(4)和阳极结构之间，由多晶硅栅电极(5)、栅氧化层(6)和栅极金属(8)构成，其中栅极金属(8)位于多晶硅栅电极(5)上表面，栅氧化层(6)位于多晶硅栅电极(5)侧面及底面；所述沟槽栅结构的底面栅氧化层(6)与漂移区(2)接触，左面栅氧化层(6)与P+浮空阳极区(4)接触，右侧栅氧化层(6)与阳极结构接触；所述阳极结构包括阳极金属(9)、一个N+阳极接触区和两个P+条(1)；N+阳极接触区和两个P+条(1)均与阳极金属(9)相接触，其中N+阳极接触区夹于两个P+条(1)之间，N+阳极接触区下方的两个P+条(1)之间还具有一个N型电子沟道(7)；所述P+浮空阳极区(4)的纵向尺寸大于所述沟槽栅结构的纵向尺寸，所述P+浮空阳极区(4)的横向尺寸大于所述阳极结构的横向尺寸、即两个P+条(1)加电子沟道(7)的横向尺寸之和。
2.根据权利要求1所述的具有低导通压降的二极管，其特征在于，在栅极金属(9)上施加高频脉冲电压信号来控制二极管的载流子注入模式，以实现低的导通电压。
3.根据权利要求1所述的具有低导通压降的二极管，其特征在于，通过调节栅极金属(9)上高频脉冲电压信号的占空比，增加器件工作在零结模式的时间比例，从而降低二极管及相关电路的功耗。
4.根据权利要求2或3所述的具有低导通压降的二极管，其特征在于，所述高频脉冲电压信号为幅度在-10V到0V之间的高频脉冲电压信号。
5.根据权利要求1所述的具有低导通压降的二极管，其特征在于，所述漂移区(2)采用单独的N-外延层构成。
6.根据权利要求1所述的具有低导通压降的二极管，其特征在于，所述漂移区(2)采用超结结构或半超结结构的漂移区。
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