一种混合导通机制二极管

1.本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种混合导通机制二极管。


背景技术：

2.超级势垒整流器(super barrier rectifier，sbr)，最早于2007年由美国apd公司工程师提出。sbr由上层金属(metal)作为阳极，下层衬底(n+substrate)连接阴极，在阳极和阴极之间整合并联pn结二极管(pin)和mos晶体管来形成整流器件；其正向开启电压可以通过调节mos栅的阈值电压而灵活的控制，反向耐压和漏电水平利用了pn结反向偏置特性。从而，sbr由于其利用了不同于常规pin和肖特基二极管(schottky barrier diode，sbd，)器件的工作原理，能够同时获得较低正向导通压降，较小反向漏电水平，较高温度稳定性和较短恢复时间的整流器特性。
3.肖特基接触超势垒整流器(ssbr)是在超级势垒整流器(sbr)基础上进行了改进，ssbr具有常规sbr的优点，并在阳极和阴极之间通过肖特基接触整合并联的pin二极管和mos沟道来形成整流器件，其正向开启电压可以通过调节肖特基接触和mos栅的阈值电压而更加灵活的控制，反向耐压和漏电水平利用了pn结反向偏置特性，直接肖特基接触中的镜像电荷导致的势垒降低效应得到抑制。但该ssbr仍然存在抗单粒子辐照性能较差的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种混合导通机制二极管，主要解决现有器件抗单粒子辐照性能较差的问题。
5.为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。
6.本技术提供一种混合导通机制二极管，包括：第一导电类型衬底层；第一导电类型漂移区，其设置于所述第一导电类型衬底层的一侧；第二导电类型体区，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧；锗硅区，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧，其中所述第二导电类型体区和所述锗硅区通过所述第一导电类型漂移区分隔开；阳极结构，分别接触所述第二导电类型体区、所述第一导电类型漂移区和所述锗硅区；其中，在正向导通时，所述锗硅区与所述阳极结构的接触处形成空穴导通通道。
7.在本技术一实施例中，所述阳极结构包括：栅氧化层，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧，且所述栅氧化层分别接触所述第一导电类型漂移区和所述第二导电类型体区；第一导电类型多晶硅层，其设置于所述栅氧化层背离所述第一导电类型漂移区的一侧；金属阳极区，其跨接在所述栅氧化层和所述第一导电类型多晶硅层上，所述金属阳极区与所述第二导电类型体区形成肖特基接触；其中，在正向导通时，所述栅氧化层和所述第二导电类型体区的接触处形成电子导通通道。
8.在本技术一实施例中，所述锗硅区为重掺杂的第二导电类型锗硅区。
9.在本技术一实施例中，所述第一导电类型衬底层的掺杂浓度高于所述第一导电类
型漂移区的掺杂浓度。
10.在本技术一实施例中，还包括第一导电类型缓冲层，其设置于所述第一导电类型衬底层与所述第一导电类型漂移区之间。
11.在本技术一实施例中，所述第一导电类型缓冲层的掺杂浓度介于所述第一导电类型衬底层的掺杂浓度与所述第一导电类型漂移区的掺杂浓度之间。
12.在本技术一实施例中，所述阳极结构包括多个，各所述阳极结构间隔设置。
13.在本技术一实施例中，所述第一导电类型衬底层背离所述第一导电类型漂移区的一侧还设置有阴极结构。
14.在本技术一实施例中，所述第二导电类型锗硅区的掺杂浓度高于所述第一导电类型漂移区的掺杂浓度。
15.如上所述，本发明提供的一种混合导通机制二极管，具有以下有益效果。
16.本技术通过在漂移区和阳极结构之间设置锗硅区，通过锗硅区提供空穴导通通道，在器件正向开启时，电子导通通道和空穴导通通道形成混合导通机制，提高正向大电流导通能力，提升浪涌可靠性。与此同时，当器件遭受单粒子辐照时，该锗硅区可以提供空穴通道，从而使得因单粒子效应产生的空穴在电场作用下从该区域流出器件，器件不易发生单粒子栅穿，大大提升器件的抗单粒子辐照性能。
附图说明
17.图1为本技术一实施例中混合导通机制二极管的结构剖面图。
18.图2为本技术一实施例中设置有缓冲层的二极管的剖面图。
19.1-金属阳极区，2-第一导电类型多晶硅层，3-栅氧化层，4-第二导电类型体区，5-第一导电类型漂移区，6-第一导电类型衬底层，7-锗硅区，8-第一导电类型缓冲层。
具体实施方式
20.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
22.请参阅图1，图1为本技术一实施例中混合导通机制二极管的结构剖面图。该二极管包括：第一导电类型衬底层6、第一导电类型漂移区5、锗硅区7、第二导电类型体区4和阳极结构。第一导电类型漂移区5设置于第一导电类型衬底层的一侧。第二导电类型体区4设置于所述第一导电类型漂移区5背离所述第一导电类型衬底层的一侧，锗硅区7设置于第一导电类型漂移区5背离第一导电类型衬底层的一侧，其中第二导电类型体区4和锗硅区7通过第一导电类型漂移区5分隔开。阳极结构分别接触第二导电类型体区4、第一导电类型漂
移区5和锗硅区7。
23.在一实施例中，第一导电类型衬底层6背离第一导电类型漂移区5的一侧还可设置阴极结构，通过阳极结构和阴极结构接入外部电路。
24.在一实施例中，第一导电类型可以为n型，第二导电类型可以为p型。
25.在一实施例中，阳极结构包括：栅氧化层3、第一导电类型多晶硅层2和金属阳极区1。栅氧化层3设置于第一导电类型漂移区5背离第一导电类型衬底层6的一侧，且栅氧化层3分别接触第一导电类型漂移区5和第二导电类型体区4；第一导电类型多晶硅层2设置于所述栅氧化层3背离第一导电类型漂移区5的一侧；金属阳极区1跨接在栅氧化层3和第一导电类型多晶硅层2上，金属阳极区1与第二导电类型体区4形成肖特基接触。栅氧化层3可完全覆盖第一导电类型漂移区5并部分覆盖第二导电类型体区4，使得栅氧化层3同时接触第一导电类型漂移区5和第二导电类型体区4。第二导电类型体区4未被栅氧化层3覆盖的剩余接触面与金属阳极区1接触。由于锗硅区7和第二导电类型体区4分别位于栅氧化层3的不同侧，金属阳极区1由第二导电类型体区4外延，经由第一导电类型多晶硅层2背离栅氧化层3的表面延伸至锗硅区7以形成跨接结构。栅氧化层3作为二极管mos结构的栅极，第一导电类型衬底层6作为mos结构的源极，第二导电类型体区4作为mos沟道，在二极管处于正向导通状态时，会在栅氧化层3和第二导电类型体区4的接触处形成电子导通通道。
26.在一实施例中，阳极结构可以为多个，各阳极结构间隔设置于同侧，多个阳极结构的设置便于批量生产制造，可提高整流器制作效率。可具体阳极结构的数量可根据实际应用需求进行设置和调整。
27.在一实施例中，锗硅区7可通过掺杂形成重掺杂第二导电类型锗硅区，通过增加锗硅区7与金属阳极区1接触，使得器件在正向开启时，在锗硅区7与金属阳极区1接触处形成空穴导通通道，通过电子导通通道和空穴导通通道形成混合导通机制。可通过调整锗硅区7的尺寸以及掺杂浓度调节空穴导通通道的开启电压，同样的也可通过调节第二导电类型体区4的掺杂浓度，调节电子导通通道的开启电压，可满足不同应用场景正向导通性能需求以及抗单粒子辐照性能需求。此外锗硅区7的设置可优化器件内部电场分布，进而增大器件击穿电压。
28.在一实施例中，锗硅区7的掺杂浓度可设置为高于第一导电类型漂移区5的掺杂浓度。在器件正向开启时，由于锗硅与第一导电类型漂移区5形成的二极管结构的正向导通电压会更高，电子导通通道会先开启，空穴导通通道后开启，可极大的提高正向大电流的导通能力，提升浪涌可靠性，在器件遭受单粒子辐照时，该锗硅区7可以提供空穴导通通道，从而使得因单粒子效应产生的空穴在电场作用下从空穴导通通道流出器件，器件不易发生单粒子栅穿，可极大地提高器件的抗单粒子辐照性能。
29.在一实施例中，混合导通机制二极管中各分层结构的厚度可根据实际应用需求进行设置和调整，示例性地，栅氧化层3的厚度可设置为9纳米。
30.在一实施例中，第一导电类型衬底层6、第一导电类型漂移区5以及第二导电类型体区4均可采用硅作为主体材料，锗硅区7采用锗硅作为主体材料，各主体材料通过掺杂形成对应的分层结构，其中，第一导电类型衬底层6、第二导电类型体区4和锗硅区7可采用重掺杂得到，第一导电类型漂移区5可通过轻掺杂得到，第一导电类型多晶硅层2也可通过重掺杂得到，以此使得第一导电类型衬底层6的掺杂浓度高于第一导电类型漂移区5的掺杂浓
度。重掺杂的第二导电类型体区4掺杂剂量取3.5
×
10
13
cm-2
；重掺杂的第一导电类型衬底层6的掺杂浓度取5
×
10
19
cm-3
，轻掺杂的第一导电类型漂移区5的掺杂浓度可取5
×
10
15
cm-3-。以此使得第一导电类型衬底层6的掺杂浓度高于第一导电类型漂移区5的掺杂浓度。各层结构的掺杂浓度也可根据需求进行调整，这里不作限制。
31.请参阅图2，图2为本技术一实施例中设置有缓冲层的二极管的剖面图。第一导电类型衬底层6与第一导电类型漂移区5之间还可设置第一导电类型缓冲层8。其设置于所述第一导电类型衬底层6与所述第一导电类型漂移区5之间。其中，第一导电类型缓冲层8的掺杂浓度介于第一导电类型衬底层6的掺杂浓度与第一导电类型漂移区5的掺杂浓度之间。通过设置第一导电类型缓冲层8进一步优化器件内部电场分布，使得二极管的反向击穿电压提升。
32.基于以上技术方案，本技术的混合导通机制二极管相比于现有器件能够提高正向大电流导通能力，提升浪涌可靠性。并且，当器件遭受单粒子辐照时，重掺杂第二导电类型锗硅区7可以提供空穴通道，从而使得因单粒子效应产生的空穴在电场作用下从该区域流出器件，器件不易发生单粒子栅穿，大大提升器件的抗单粒子辐照性能。
33.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种混合导通机制二极管，其特征在于，包括：第一导电类型衬底层；第一导电类型漂移区，其设置于所述第一导电类型衬底层的一侧；第二导电类型体区，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧；锗硅区，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧，其中所述第二导电类型体区和所述锗硅区通过所述第一导电类型漂移区分隔开；阳极结构，分别接触所述第二导电类型体区、所述第一导电类型漂移区和所述锗硅区；其中，在正向导通时，所述锗硅区与所述阳极结构的接触处形成空穴导通通道。2.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述阳极结构包括：栅氧化层，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧，且所述栅氧化层分别接触所述第一导电类型漂移区和所述第二导电类型体区；第一导电类型多晶硅层，其设置于所述栅氧化层背离所述第一导电类型漂移区的一侧；金属阳极区，其跨接在所述栅氧化层和所述第一导电类型多晶硅层上，所述金属阳极区与所述第二导电类型体区形成肖特基接触；其中，在正向导通时，所述栅氧化层和所述第二导电类型体区的接触处形成电子导通通道。3.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述锗硅区为重掺杂的第二导电类型锗硅区。4.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述第一导电类型衬底层的掺杂浓度高于所述第一导电类型漂移区的掺杂浓度。5.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，还包括第一导电类型缓冲层，其设置于所述第一导电类型衬底层与所述第一导电类型漂移区之间。6.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述第一导电类型缓冲层的掺杂浓度介于所述第一导电类型衬底层的掺杂浓度与所述第一导电类型漂移区的掺杂浓度之间。7.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述阳极结构包括多个，各所述阳极结构间隔设置。8.根据权利要求1所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述第一导电类型衬底层背离所述第一导电类型漂移区的一侧还设置有阴极结构。9.根据权利要求3所述的混合导通机制二极管，其特征在于，所述第二导电类型锗硅区的掺杂浓度高于所述第一导电类型漂移区的掺杂浓度。

技术总结
本申请提供一种混合导通机制二极管，包括：第一导电类型衬底层；第一导电类型漂移区，其设置于所述第一导电类型衬底层的一侧；第二导电类型体区，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧；锗硅区，其设置于所述第一导电类型漂移区背离所述第一导电类型衬底层的一侧，其中所述第二导电类型体区和所述锗硅区通过所述第一导电类型漂移区分隔开；阳极结构，分别接触所述第二导电类型体区、所述第一导电类型漂移区和所述锗硅区；其中，在正向导通时，所述锗硅区与所述阳极结构的接触处形成空穴导通通道。本申请可通过混合导通机制提高器件大电流导通性能以及抗单粒子辐照性能。抗单粒子辐照性能。抗单粒子辐照性能。


技术研发人员：徐向涛 张澳航 张成方 陈文锁 王航 张力
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6