專利名稱：具有電子施主的半導(dǎo)體二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體二極管領(lǐng)域，特別是涉及變流電路裝置用的續(xù)流二極管。
在M.Mehrotra和B.J.Baliga的文章中，見“各種高壓功率整流器結(jié)構(gòu)的比較”，Proceedings of the ISPSD，PP.199-204，IEEE1993，討論了許多種不同結(jié)構(gòu)的高壓二極管。比較了PiN-，P-iN，MPS，SSD，SPEED和SPD二極管的設(shè)計方案。特別是研討了電流換向時反向電流的問題。
這些類型的二極管在陰極一側(cè)和陽極一側(cè)主平面之間有一個n-型摻雜的半導(dǎo)體基片，由陽極主平面一側(cè)向此基片內(nèi)擴散p-型重?fù)诫s的陽極發(fā)射區(qū)，由陰極主平面一側(cè)向此基片內(nèi)擴散n-型重?fù)诫s的陰極發(fā)射區(qū)。二極管的陽極和陰極是由覆蓋在相應(yīng)的主平面上的金屬層構(gòu)成的。
在新型變流器中續(xù)流二極管往往易引入故障，特別是在電流變換期間電流和電壓高速變化的時候。這種情況導(dǎo)致當(dāng)前在使用續(xù)流二極管時不僅對半導(dǎo)體開關(guān)器件而且對續(xù)流二極管也需用無源保護電路予以可靠地保護。其原因在于二極管內(nèi)的存儲電荷，在關(guān)斷(電流換向)時，儲存電荷導(dǎo)致眾所周知的反向電流尖峰。使用當(dāng)今的續(xù)流二極管GTO的電流變化不得超過約300A/μS。
這個問題對未來的、與GTO相比速度更快的、MOS控制的半導(dǎo)體開關(guān)(例如阻斷電壓為2.5KV到4.5KV的高壓IGBT)會更加嚴(yán)重。IGBT是一種速度比較快的開關(guān)，它自己能夠可靠地處理很高的dI/dt值。但是續(xù)流二極管的負(fù)載能力也相應(yīng)增加。此外，出自對成本的考慮，還希望在續(xù)流二極管工作時最好不使用保護電路(緩沖器)。這種要求導(dǎo)致許多優(yōu)化的二極管設(shè)計方案(參閱例如上述文獻中的SPEED方案)，用這些方案設(shè)計的二極管可用于運行阻斷電壓高達1600V的快速IGBT。
減少存儲電荷、例如通過短的載流子壽命一般將導(dǎo)致反向電流尖峰的下降。采用濃度平緩的等離子體分布，例如SPEED方案能實現(xiàn)這種分布，可以達到電壓的快速上升，從而縮短換向過程的持續(xù)時間。但是就是在利用所有可能減小存儲電荷和限制反向電流尖峰的方法時，這種優(yōu)化的二極管的損耗功率卻上升到很大值，以致二極管可能出現(xiàn)雪崩擊穿。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種二極管，用它可以毫無困難地控制高dI/dt值和高壓，尤其是不會增加二極管出現(xiàn)雪崩擊穿的危險。
此項任務(wù)在本文開始所述類型的二極管中用如下所述的總構(gòu)思予以解決了半導(dǎo)體二極管，特別是用于變流電路裝置的續(xù)流二極管，合有介于第一和第二主平面之間的一個n-型摻雜的半導(dǎo)體基片，一個由覆蓋第一主平面的金屬層構(gòu)成的陰極和一個由覆蓋第二主平面的金屬層所構(gòu)成的陽極以及一個由第一主平面向半導(dǎo)體基片內(nèi)擴散制成的n-型摻雜的陰極發(fā)射區(qū)和一個由第二主平面向半導(dǎo)體基片內(nèi)擴散制成的p-型摻雜的陽極發(fā)射區(qū)，其特征在于，在第二主平面上設(shè)置電子注入結(jié)構(gòu)，使其在電流換向期間能注入電子。
所以本發(fā)明的核心是，在陽極一側(cè)的主平面上設(shè)置能注入電子的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流換向時，該結(jié)構(gòu)能夠注入電子。
本發(fā)明的設(shè)計方案是以下述物理現(xiàn)象和考慮為基礎(chǔ)的。
對二極管的實驗分析表明，損耗功率的最大值不是出現(xiàn)在最大電流密度時，而是在此之前的較低電流密度范圍內(nèi)。因為反向電流尖峰與導(dǎo)通電流密度關(guān)系不十分密切，所以在低導(dǎo)通電流密度時存儲電荷耗盡較快。此現(xiàn)象導(dǎo)致電壓上升較快。值得注意的是這樣一個事實，即反向電流尖峰與功率損耗峰值不是同時出現(xiàn)而是稍有延遲。功率損耗尖峰出現(xiàn)在dI/dt為正值的范圍內(nèi)。在二極管電壓改變極性之后，空穴通過空間電荷區(qū)經(jīng)陽極流出，而電子則經(jīng)n+發(fā)射區(qū)回到陰極。因此由空穴引起的陽極一側(cè)的動態(tài)電場過高是二極管擊穿的起因(這種現(xiàn)象以“動態(tài)雪崩”著稱)。動態(tài)擊穿約出現(xiàn)在峰值損耗功率為300至500kw/cm2時。
因此，人們非常希望得到一種如下的二極管結(jié)構(gòu)，在關(guān)斷或者在電流換向過程中，能夠由陽極一側(cè)有控制地繼續(xù)注入其它電子。用電子的負(fù)電荷補償空穴的一部分正電荷。從而能夠把過高的動態(tài)電場大大降低，以致電場的強度基本上僅由摻雜濃度決定。
對這種電子施主的控制最好用一個MOS控制電極(柵電極)來完成。按照本發(fā)明在陽極一側(cè)的主平面上有可控的注入電子結(jié)構(gòu)的一種良好的二極管構(gòu)造在該處具有至少一個n溝道MOS—單元。
這種MOS—單元在p-型重?fù)诫s的二極管陽極發(fā)射區(qū)是按如下方式集成在二極管上的，即陽極發(fā)射區(qū)的構(gòu)造是一個槽形區(qū)域，其中介于兩個相鄰的陽極發(fā)射區(qū)域之間的半導(dǎo)體基片擠入至陽極一側(cè)主平面。于是MOS—單元由n-型重?fù)诫s短路區(qū)所形成，并安置在陽極發(fā)射區(qū)的邊緣兩側(cè)。在其上方安置了一個控制電極，此電極總是由一個陽極發(fā)射區(qū)的短路區(qū)越過擠向主平面的半導(dǎo)體基片直到相鄰的陽極發(fā)射區(qū)的短路區(qū)。
于是為了降低由空穴引起的過高的電場，例如在反向電流尖峰之后幾分之一μS開啟MOS單元的n-溝道。要實現(xiàn)開啟只需要在控制電極加上一個對陽極約為15V的正電壓即可。因為二極管的陰極在反向時對陽極處于正電位，電子向陰極方向流出并且從而與流向陽極的空穴的方向相反。從而實現(xiàn)所要求的對空穴正電荷的中和，并且可以實現(xiàn)電場的降低。
按照本發(fā)明制造的續(xù)流二極管優(yōu)先用于具有半導(dǎo)體開關(guān)的變流器電路裝置。續(xù)流二極管是與半導(dǎo)體開關(guān)反極性并聯(lián)的，并且承擔(dān)了在半導(dǎo)體開關(guān)反向時流動的電流。為了運行和控制本發(fā)明的二極管可以設(shè)置一個專用控制單元，此單元產(chǎn)生所需要的約15V的控制電壓并在適當(dāng)時刻加到控制電極上。顯然，二極管的這種控制單元也可以與半導(dǎo)體開關(guān)器件中無論如何都要有的控制單元集成在一起。
一種特別廉價方案的特征在于，用接入陽極電路的電感取代二極管的專用控制單元。在理想的情況下，此電感已可以由引線電感所提供，它產(chǎn)生的電壓與電流變化速度dI/dt成正比。這個電壓對陽極的極性，是使本發(fā)明二極管的控制電極在二極管電流逐漸減小的范圍內(nèi)，就是說直到達到反向電流尖峰的時刻保持負(fù)電壓。過了反向電流尖峰之后，感應(yīng)電壓改變極性，于是控制電極具有正電壓。此正電壓約出現(xiàn)在損耗功率達到最大值時。從而此電壓導(dǎo)致了所希望的電子注入，這些注入的電子對空穴引起的過高的電場(動態(tài)雪崩)起反作用。
總之，本發(fā)明的二極管可以使用高的dI/dt值和高的電壓而不會出現(xiàn)雪崩擊穿的危險。
下面借助附圖和一些實施例進一步闡述本發(fā)明。


圖1為本發(fā)明二極管局部剖面圖；圖2為可以使用本發(fā)明二極管的電路裝置；圖3為適于使用本發(fā)明二極管的另一種電路裝置。
在圖中所使用的符號及其意義集中列在符號表中。圖中原則上相同部分用相同符號表示。
圖1示出本發(fā)明二極管局部剖面圖。一種這樣的二極管1在第一主平面2和第二主平面3之間有一個n-型摻雜的半導(dǎo)體基片4。圖中n-型摻雜區(qū)用自左上方至右下方畫的斜線表示，p-摻雜區(qū)用雙斜線表示，金屬化區(qū)用自右上方向左下方畫的斜線表示。在半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)，斜線的密度與摻雜濃度大致相當(dāng)。
由第一主平面2向半導(dǎo)體基片4內(nèi)擴散n+摻雜的陰極發(fā)射區(qū)8并且由主平面3向內(nèi)擴散p+摻雜的陽極發(fā)射區(qū)9。相應(yīng)的電極，即陰極7和陽極6，由覆蓋在屬于發(fā)射區(qū)8和9的金屬層5構(gòu)成。
按照本發(fā)明陽極發(fā)射區(qū)9至少有一個槽狀區(qū)，它通過陽極電極6的金屬層5連接。在兩個相鄰的陽極發(fā)射區(qū)9之間半導(dǎo)體基片4擠入至第二個主平面3。n+摻雜短路區(qū)10對本發(fā)明是很重要的，這些短路區(qū)安置在槽狀陽極發(fā)射區(qū)9的兩側(cè)。在相鄰的兩個陽極發(fā)射區(qū)9之間的短路區(qū)10和擠到第二主平面3的半導(dǎo)體基片4上方覆蓋了一個絕緣的控制電極11。絕緣層15(圖1中用散點標(biāo)出的區(qū)域)例如可以由SiO2構(gòu)成，控制電極例如可以由多晶硅構(gòu)成。陽極發(fā)射區(qū)9從邊緣直到短路區(qū)10且受控制電極11所覆蓋的部分以下稱為溝道區(qū)?，F(xiàn)在在控制電極加上相對于陽極的一個正電壓，那么在溝道區(qū)就形成一個n-溝道。于是電子就被注入進去。所以本發(fā)明的陽極發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)像一個MOS—控制的電子—注入源一樣工作。
按照本發(fā)明二極管1的p+摻雜陽極發(fā)射區(qū)9與本文開始所提到的SPEED方案相反具有很高的注入效率。當(dāng)載流子壽命電子為4μS和空穴為1μS時，對于100A/cm2的電流密度導(dǎo)通電壓僅為2V。
本發(fā)明二極管1作為續(xù)流二極管用在至少有一個半導(dǎo)體開關(guān)12的變流電路裝置中具有很大優(yōu)點。圖2和圖3示出了這類的電路裝置。例如半導(dǎo)體開關(guān)12構(gòu)成了一個多相變換器的某組成部分。如圖所示開關(guān)器件12所涉及的可能是一個IGBT，也有可能是其它類型的半導(dǎo)體開關(guān)器件。
按照本發(fā)明，為了控制二極管1可以設(shè)置一個具有獨立功能的控制單元14(見圖2)。在此，從物理學(xué)角度看這種控制單元是否與半導(dǎo)體開關(guān)12內(nèi)可能已經(jīng)有的控制單元14集成在一起是無關(guān)緊要的。如果半導(dǎo)體開關(guān)涉及的例如是IGBT—模塊，那么集成在一起則是富有意義的，因為二極管有可能已經(jīng)集成在IGBT—模塊中。二極管的控制功能例如有可能在一種擴展的專用集成電路ASIC中與IGBT的控制功能相結(jié)合。
不管二極管的控制單元設(shè)在何處，無論如何其功能必須是在反向電流尖峰之后的短時間內(nèi)在二極管控制電極加上一個對陽極電位為正的電壓(約15V)。從而在溝道區(qū)中形成一個導(dǎo)通的n-溝道，在電流換向時用于所需要的電子注入。
加正向電壓的時間取決于反向電流尖峰。一般情況下反向電流尖峰過后約50ns至100ns就已經(jīng)加上全部電壓。最遲在這個時間的最后時刻應(yīng)該加上了這個電壓。
一種比較廉價的和電路結(jié)構(gòu)較簡單的方案是僅在陽極電路中連接一個電感13就可以取代一個二極管1的獨立的控制單元14(見圖3)。在此電感13上感應(yīng)出一個與電流變化dI/dt成正比的電壓。如果二極管1集成在一個模塊管殼內(nèi)，那么連接二極管電極和模塊接線端的焊線正好提供所必要的電感。在此情況下甚至可以不需要另外再接電感。感應(yīng)電壓的極性是在下降的二極管電流范圍內(nèi)，就是說一直到反向電流達到尖峰的時刻，控制電極的極性總是負(fù)的。一旦越過反向電流尖峰，電流方向發(fā)生變化，感應(yīng)電壓的極性也就發(fā)生變化，于是二極管控制電極上將加上正電壓。基于通常的有限的電壓上升速度，電壓極性的改變恰好發(fā)生在損耗功率最大值時刻的附近。從而使所希望的電子注入自動地出現(xiàn)在最佳時刻。
圖1只示出了本發(fā)明二極管1的一部分。然而一個性能良好的二極管需要很多個圖中所示的單元。因為在換向時必須由p+陽極發(fā)射區(qū)9收集高密度的空穴電流，所以與功率MOSFET的情況相似，這里存在著寄生的、由半導(dǎo)體基片4、陽極發(fā)射區(qū)9和短路區(qū)10形成的n-p-n結(jié)構(gòu)觸發(fā)的危險。由于這個原因，單元之間的距離，就是說兩個槽狀陽極發(fā)射區(qū)9之間的距離的選擇，與IGBT的情況相比必須小很多。但是也要避免單元之間的距離過短，因為由于JFET效應(yīng)使電子發(fā)射出現(xiàn)困難或者甚至完全被阻止。實驗表明性能良好的二極管的最佳單元間距約為50μm。
因為本發(fā)明的二極管特別適于高壓(從約1200V開始)，所以得到半導(dǎo)體基片典型厚度＞100μm，摻雜濃度約為1-2×1014cm-3。陰極發(fā)射區(qū)8具有典型摻雜濃度＞1017cm-3。陽極一側(cè)的絕緣層15具有氧化物厚度約100μm。槽形陽極發(fā)射區(qū)9的典型數(shù)據(jù)是邊緣濃度約為1019cm-3，深度約為5μm。短路區(qū)10最好摻雜濃度為1019cm-3。陽極發(fā)射區(qū)9范圍內(nèi)的金屬化窗口的典型值是10-20μm。
所以本發(fā)明的二極管具有一種能夠可靠地控制高電壓和高dI/dt變化速率的結(jié)構(gòu)。
符號表1.半導(dǎo)體二極管2.第一主平面3.第二主平面4.半導(dǎo)體基片5.金屬層6.陽極7.陰極8.陰極發(fā)射區(qū)9.陽極發(fā)射區(qū)10. 短路區(qū)11. 控制電極12. 半導(dǎo)體開關(guān)13. 電感14. 控制單元15. 絕緣層
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體二極管(1)，特別是用于變流電路裝置的續(xù)流二極管，含有介于第一和第二主平面(2、3)之間的一個n-型摻雜的半導(dǎo)體基片(4)，一個由覆蓋第一主平面(2)的金屬層(5)構(gòu)成的陰極(7)和一個由覆蓋第二主平面(3)的金屬層(5)所構(gòu)成的陽極(6)以及一個由第一主平面(2)向半導(dǎo)體基片(4)內(nèi)擴散制成的n-型摻雜的陰極發(fā)射區(qū)(8)和一個由第二主平面(3)向半導(dǎo)體基片(4)內(nèi)擴散制成的p-型摻雜的陽極發(fā)射區(qū)(9)，其特征在于，在第二主平面(3)上設(shè)置電子注入結(jié)構(gòu)，使其在電流換向期間能注入電子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述二極管，其特征在于，電子注入結(jié)構(gòu)至少包含一個n-溝道MOS—單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述二極管，其特征在于，陽極發(fā)射區(qū)(9)包含許多p-型摻雜的槽狀區(qū)，其中，介于兩個相鄰槽狀區(qū)之間的半導(dǎo)體基片(4)擠入至第二個主平面(3)，并且MOS—單元含有n-型摻雜的，向槽形陽極發(fā)射區(qū)(9)內(nèi)擴散形成的和由一個絕緣的在第二主平面(3)上方安置的控制電極(11)所覆蓋的短路區(qū)(10)。
4.具有至少一個半導(dǎo)體開關(guān)(12)，特別是一個IGBT，和一個與半導(dǎo)體開關(guān)(12)反極性并聯(lián)的續(xù)流二極管的變流電路裝置，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1—3之一所述的二極管用作續(xù)流二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有權(quán)利要求3特征的二極管的變流電路裝置，其特征在于，二極管(1)的控制電極(11)與控制單元(14)連接，在換向時此單元向控制電極(11)所加的電壓相對于陽極(6)是正電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有權(quán)利要求3特征的二極管的變流電路裝置，其特征在于，陽極(6)經(jīng)電感(13)與半導(dǎo)體開關(guān)(12)連接，并且控制電極(11)直接與半導(dǎo)體開關(guān)912)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述變流電路裝置，其特征在于，二極管(1)集成在一個具有陽極—陰極—和控制電極引出線的管殼內(nèi)，并且電感(13)由連接陽極(6)和陽極引出線的連接線的電感所構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種二極管(1)，這種二極管在其陽極一側(cè)主平面(3)上具有電子注入結(jié)構(gòu)。反向電流尖峰過后這種結(jié)構(gòu)向陽極發(fā)射區(qū)注入電子。從而補償空穴并且使有可能導(dǎo)致雪崩擊穿的動態(tài)電場過高的危險減小，電子注入結(jié)構(gòu)優(yōu)先含有一個n-溝道MOS單元。本發(fā)明的二極管可以可靠地用于控制高壓和高dI/dt變化率。本發(fā)明二極管優(yōu)先用作變流電路裝置中的續(xù)流二極管。
文檔編號H01L29/861GK1130809SQ9511852
公開日1996年9月11日 申請日期1995年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月31日
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