本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及降低反向恢复电荷的横向快恢复二极管。
背景技术：
soi工艺具有运行速度快、低功耗、低漏电、工艺兼容性好等优点而被广泛应用。基于soi工艺的横向二极管是功率器件领域应用非常广泛的器件(如图1)，原因在于其具有正向电流大，反向恢复时间短，反向耐压高，开关特性好等优点。尤其在半桥驱动模块的自举电路中，为了与快速开关管进行匹配，自举二极管需要采用快恢复二极管。但随着开关频率的增加，二极管在正向导通和反向阻断的状态间频繁来回切换，每一次由正向导通到反向耐压的切换，二极管都需要经历反向恢复过程，反向恢复电荷越大，二极管功耗越大，由于开关管的导通电阻比较小，所以开关管的功耗就小，此时二极管的功耗就会变为整个电路功耗的主要部分。因此降低反向恢复电荷是提升高频开关电路性能，降低整个电路功耗的关键。同时二极管反向恢复产生的尖峰电流也会损坏电路中的其他器件，严重影响电子电路的可靠性与安全性。
一般地，为了降低反向恢复电荷，采用少子寿命控制技术，如au、pt等重金属元素扩散，在二极管体内引入复合中心；或采用电子、质子辐照技术，在二极管体内引入缺陷来实现。然而采用扩散和缺陷等工艺实现的快恢复二极管，高温下的漏电流非常大，极大地增加了系统工作实效的风险。同时引入复合中心，也会造成正向导通压降的增加。另一方面，采用融合肖特基二极管与普通pin二极管(mergedp-i-n/schottky，mps)的结构，虽然能够得到较好的反向恢复特性，降低了反向恢复电荷，但该结构的耐压性能很差，而且还会带来严重的电磁干扰问题，同时增加了工艺的复杂程度。
此外，很多现有的技术存在着结构复杂，工艺不兼容，生产成本较高等问题，难以被制成。因此，一种工艺兼容，易制造，低成本的低反向恢复峰值电流、低反向恢复电荷的快恢复二极管急需被研究。
技术实现要素：
本发明针对上述问题，提出了一种通过降低反向恢复电荷来提升高频开关电路性能的集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管。
本发明的技术方案如下：
一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，包括p型衬底，p型衬底上设有氧化层埋层，在氧化层埋层上设有n型漂移区，在n型漂移区域上设有p型体区、第三场氧以及n型缓冲区，在p型体区内设有作为阳极的p型重掺杂区，在n型缓冲区内设有作为阴极的第二n型重掺杂区，所述第三场氧位于p型重掺杂区与第二n型重掺杂区之间，在n型漂移区域上设有p型轻掺杂区和n型轻掺杂区，并且，p型轻掺杂区和n型轻掺杂区位于p型体区的外侧，n型轻掺杂区位于p型体区与p型轻掺杂区之间，在n型轻掺杂区内设有第一n型重掺杂区，在第一n型重掺杂区与p型重掺杂区之间设有第二场氧且位于n型漂移区的上方，在n型轻掺杂区上设有第一场氧且所述第一场氧延伸至p型轻掺杂区上方，在p型轻掺杂区、第一场氧、第一n型重掺杂区、第二场氧、p型重掺杂区、第三场氧、第二n型重掺杂区及n型缓冲区上设有氧化层，在氧化层内设有第一多晶硅和电容，第一多晶硅位于型轻掺杂区的上方且第一多晶硅与p型轻掺杂区之间被氧化层隔离，所述电容由作为一个极板的第一金属铝和作为另一个极板的第二金属铝组成，第一金属铝与第一n型重掺杂区连接，第一多晶硅，第二金属铝和p型重掺杂区连接。
与现有技术相比，本发明结构具有如下优点：
本发明在保持驱动方式简单、高电流密度、高反向耐压等优点的同时，减小了二极管在反向恢复期间的反向恢复尖峰电流，减小了反向恢复时间，降低了反向恢复电荷，更为重要的是，本发明基于当前现有的工艺，兼容性好，易于制造，在降低反向恢复电荷的同时，不添加额外的掩膜版，极大地降低了生产成本。
1、在保证和传统结构相同的正向导通能力，反向耐压能力的前提下，本发明结构可显著降低反向恢复电荷，并加快二极管的反向恢复。反向恢复期间，在传统结构中，漂移区内空穴只是单纯通过阳极进行抽取，而本发明结构在正向导通期间，阳极接高电位，阴极接低电位，会有部分电子从阴极经由漂移区、第一n型重掺杂区到达并聚集在集成电容的一个极板即第一金属铝上，在反向恢复开始时，阳极接低电位，阴极接高电位，聚集在集成电容一个极板第一金属铝上的电子会经过第一n型重掺杂区注入到漂移区，可将漂移区内因正向导通的部分空穴复合，同时，漂移区内的另一部分空穴不仅可以像传统结构一样经由p型重掺杂区被阳极所抽取，从而大大加快二极管的反向恢复。如图6所示，本发明结构(如图2)和传统结构(如图1)在电流变化率di/dt(112a/μs)、续流电流值(0.38a)等条件完全相同时，传统结构的反向恢复时间trr为101.8ns，本发明结构为81.8ns；传统结构的反向峰值电流irrm为6.8a，本发明结构为3a；传统结构的反向恢复电荷qrr为373nc，本发明结构为149nc。本发明结构较传统结构，在反向恢复时间、反向恢复峰值电流、反向恢复电荷均显著降低，反向恢复性能得以大幅提升。
2、本发明结构保持着与传统结构相同的正向导通能力和耐压水平。正向导通期间，p型轻掺杂区和第一多晶硅没有直接相连，因此p型轻掺杂区不会有空穴注入漂移区，而只由与阳极直接相连的p型重掺杂区注入空穴到漂移区，与传统结构保持相同的正向导通能力。反向耐压期间，由n型轻掺杂区和p型体区构成的pn结的耗尽层，与由n型轻掺杂区和p型轻掺杂区构成的pn结的耗尽层都会展宽，所以，n型轻掺杂区下方区域被上述两个耗尽层夹断，本发明结构的耐压特性不会牺牲，漏电也不会增加。
3、本发明结构完全基于当前工艺，不添加额外的工艺流程，不增加掩膜版数量，工艺兼容，制造成本低，仿真也是采用当前流片的tsuprem4软件程序进行仿真，仿真结果更接近于实际。
4、本发明结构驱动方式简单，和传统二极管一致只有阳极和阴极，不添加额外的电极。此外，本发明结构第三多晶硅和n型重掺杂区连接在一起，在反向耐压期间，由于第三多晶硅的存在，缓解第三场氧右侧的电场，提升器件的耐压，同时可以调节器件的漂移区长度来实现不同的击穿电压值，满足广大应用需求。
附图说明
图1所示为传统横向二极管结构图。
图2所示为本发明结构图。
图3所示为反向恢复电路原理图。
图4所示为传统结构与本发明结构的在t0时刻的空穴电流路径对比图，(a)传统结构，(b)本发明结构。
图5所示为本发明结构的在t1时刻的空穴电流路径图。
图6所示为传统结构与本发明结构的反向恢复电流波形对比图。
图7所示为传统结构与本发明结构的正向导通特性对比图。
图8所示为传统结构与本发明结构的反向击穿特性对比图。
图9所示为本发明结构的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做详细说明：
一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，包括p型衬底1，p型衬底1上设有氧化层埋层2，在氧化层埋层2上设有n型漂移区3，在n型漂移区域3上设有p型体区11、第三场氧15以及n型缓冲区18，在p型体区11内设有作为阳极的p型重掺杂区12，在n型缓冲区18内设有作为阴极的第二n型重掺杂区17，所述第三场氧15位于p型重掺杂区12与第二n型重掺杂区17之间，在n型漂移区域3上设有p型轻掺杂区4和n型轻掺杂区8，并且，p型轻掺杂区4和n型轻掺杂区8位于p型体区11的外侧，n型轻掺杂区8位于p型体区11与p型轻掺杂区4之间，在n型轻掺杂区8内设有第一n型重掺杂区7，在第一n型重掺杂区7与p型重掺杂区12之间设有第二场氧10且位于n型漂移区3的上方，在n型轻掺杂区8上设有第一场氧6且所述第一场氧6延伸至p型轻掺杂区4上方，在p型轻掺杂区4、第一场氧6、第一n型重掺杂区7、第二场氧10、p型重掺杂区12、第三场氧15、第二n型重掺杂区17及n型缓冲区18上设有氧化层19，在氧化层19内设有第一多晶硅5和电容，第一多晶硅5位于p型轻掺杂区4的上方且第一多晶硅5与p型轻掺杂区4之间被氧化层隔离，所述电容由作为一个极板的第一金属铝13和作为另一个极板的第二金属铝14组成，第一金属铝13与第一n型重掺杂区7连接，第一多晶硅5，第二金属铝14和p型重掺杂区12连接。参照图2，电容的一个极板即第一金属铝13通过第一n型重掺杂区7、n型轻掺杂区8、n型漂移区3及n型缓冲区18与阴极即第二n型重掺杂区17实现电连接，
在本实施例中，
在第二场氧10上方设有第二多晶硅9，所述第二金属铝14设在第二多晶硅9上。
在第三场氧15上方右端设有第三多晶硅16且第三多晶硅16与第二n型重掺杂区17连接。
第一金属铝13和第二金属铝14之间的距离d2为0.4μm～0.7μm。
p型轻掺杂区4和第一多晶硅5之间的距离d1为0.1μm～0.3μm，第一多晶硅5的横向(即p型重掺杂区12到第二n型重掺杂区17所在的方向)尺寸l1为3μm～4μm。
第三多晶硅16的横向l2尺寸为1μm～4μm。
本发明结构的工作原理如下：
正向导通：阳极接高电位，阴极接低电位，由于n型轻掺杂区8和p型轻掺杂区4均没有与阳极直接相连，空穴只由p型重掺杂区12通过n型漂移区3、n型重掺杂区17流到阴极，电子由阴极经过n型漂移区3、p型重掺杂区12流到阳极，器件工作在正向导通状态，所以器件的正向导通特性几乎与传统结构一致，如图7。
反向耐压：由于阴极接高电位，n型轻掺杂区8经过漂移区3和n型重掺杂区17相连，n型轻掺杂区8相当于通过电阻连接到阴极，n型轻掺杂区8电位抬升，而p型重掺杂区10接低电位，p型轻掺杂区4上方的第一多晶硅5也是接低电位，所以由n型轻掺杂区8和p型体区11构成的pn结的耗尽层会展宽，由n型轻掺杂区8和p型轻掺杂区4构成的pn结的耗尽层也会展宽。当n型轻掺杂区8下方区域被耗尽层夹断时，本发明结构和传统结构一样继续展宽，器件工作在反向耐压状态。利用上述夹断，器件的反向击穿特性几乎与传统的结构一致，漏电也不会增加，如图8。此外，第三场氧15上的第三多晶硅16与阴极相连，可以缓解场氧右侧产生的尖峰电场，提升器件的耐压特性。
反向恢复：在如图3所示的反向恢复测试电路中，给栅端以高电平15v，低电平0v的双脉冲信号，二极管阴极vbus＝100v，电感l＝1.2mh。当栅为高电平时，下管沟道开启，电流经由电感和下管到地，给电感充电，并且二极管处于反向耐压状态。当栅端由高电位变为低电位时，下管关断，由于电感电流不能突变，电感中的电流只能经由二极管进行续流，二极管阳极电位抬升，并进入正向导通状态。当栅端由低电位再次变为高电位时，下管开启，二极管阳极被拉至0，二极管由正向导通变为反向关断状态，经历反向恢复过程，待反向恢复完成，二极管处于反向耐压状态，电路通过vbus继续给电感充电。
在二极管反向恢复期间，漂移区内过剩载流子开始被抽取，其中电子经由第二n型重掺杂区17被抽取回阴极，空穴经由p型重掺杂区12被抽取回阳极。如图4(a)，在t0时刻(反向恢复刚开始时刻，如图6中标识)，传统结构的空穴只能通过阳极下的p型重掺杂区12被阳极抽取，而本发明结构，如图3，电感经由二极管续流时，二极管正向导通，电子从阴极经过漂移区3到达p型重掺杂区12，同时，也会有部分电子从阴极经过漂移区3，第一n型重掺杂区7到达并聚集在所述电容的一个极板第一金属铝13上，这一过程相当于给所述的由第一金属铝13，第二金属铝14及其之间的氧化层构成的电容充电。在二极管由正向导通变为反向耐压时，阳极由高电位被拉到低电位，而与阴极相连的第二n型重掺杂区17此时处于高电位，漂移区内的空穴不仅可以像传统结构一样经由p型重掺杂区12被阳极所抽取，同时，正向导通期间聚集在所述电容的一个极板第一金属铝13上的电子会从第一n型重掺杂区7注入到漂移区，流入阴极，如图4(b)，在此过程中，漂移区内的空穴被上述的电子复合，从而降低了漂移区内的少子即空穴的寿命，加快了反向恢复。当n型轻掺杂区8下方的耗尽层发生夹断时，第一n型重掺杂区7将不再注入电子到漂移区，空穴经由p型重掺杂区12被阳极抽取，电子经由第二n型重掺杂区17被阴极抽取，本发明结构将和传统结构一样完成反向恢复过程，如图5，t1时刻为本发明结构反向恢复将完成时刻(如图6中标识)。此外，利用两个耗尽层的夹断，很好地控制了反向恢复期间第一n型重掺杂区7往漂移区注入的电子的数量，达到提升反向恢复特性的目的，同时也起到提升器件的耐压，降低漏电的作用。
如图3，在反向恢复电路中，当vbus＝100v，电感l＝1.2e-3，栅电阻rg＝100ω，如图6，本发明结构在电流变化率di/dt(112a/μs)、续流电流值if(0.34a)等条件和传统结构完全相同时，传统结构的反向恢复时间trr为101.8ns，本发明结构为81.8ns。传统结构的反向峰值电流irrm为6.8a，本发明结构为3a，传统结构的反向恢复电荷qrr为373nc，本发明结构为149nc。本发明结构的反向恢复时间、反向恢复峰值电流和反向恢复电荷相比较传统结构分别降低19.6％、55.8％和60％，反向恢复时间、反向恢复峰值电流、反向恢复电荷均显著降低。
1.一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，包括p型衬底(1)，p型衬底(1)上设有氧化层埋层(2)，在氧化层埋层(2)上设有n型漂移区(3)，在n型漂移区域(3)上设有p型体区(11)、第三场氧(15)以及n型缓冲区(18)，在p型体区(11)内设有作为阳极的p型重掺杂区(12)，在n型缓冲区(18)内设有作为阴极的第二n型重掺杂区(17)，所述第三场氧(15)位于p型重掺杂区(12)与第二n型重掺杂区(17)之间，其特征在于，在n型漂移区域(3)上设有p型轻掺杂区(4)和n型轻掺杂区(8)，并且，p型轻掺杂区(4)和n型轻掺杂区(8)位于p型体区(11)的外侧，n型轻掺杂区(8)位于p型体区(11)与p型轻掺杂区(4)之间，在n型轻掺杂区(8)内设有第一n型重掺杂区(7)，在第一n型重掺杂区(7)与p型重掺杂区(12)之间设有第二场氧(10)且位于n型漂移区(3)的上方，在n型轻掺杂区(8)上设有第一场氧(6)且所述第一场氧(6)延伸至p型轻掺杂区(4)上方，在p型轻掺杂区(4)、第一场氧(6)、第一n型重掺杂区(7)、第二场氧(10)、p型重掺杂区(12)、第三场氧(15)、第二n型重掺杂区(17)及n型缓冲区(18)上设有氧化层(19)，在氧化层(19)内设有第一多晶硅(5)和电容，第一多晶硅(5)位于p型轻掺杂区(4)的上方且第一多晶硅(5)与p型轻掺杂区(4)之间被氧化层隔离，所述电容由作为一个极板的第一金属铝(13)和作为另一个极板的第二金属铝(14)组成，第一金属铝(13)与第一n型重掺杂区(7)连接，第一多晶硅(5)，第二金属铝(14)和p型重掺杂区(12)连接。
2.如权利要求1所述的一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，其特征在于，在第二场氧(10)上方设有第二多晶硅(9)，所述第二金属铝(14)设在第二多晶硅(9)上。
3.如权利要求1所述的一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，其特征在于，在第三场氧(15)上方右端设有第三多晶硅(16)且第三多晶硅(16)与第二n型重掺杂区(17)连接。
4.如权利要求1所述的一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，其特征在于，第一金属铝(13)和第二金属铝(14)之间的距离d2为0.4μm～0.7μm。
5.如权利要求1所述的一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，其特征在于，p型轻掺杂区(4)和第一多晶硅(5)之间的距离d1为0.1μm～0.3μm，第一多晶硅(5)的横向尺寸l1为3μm～4μm。
6.如权利要求1所述的一种集成电容的低反向恢复电荷的横向二极管，其特征在于，第三多晶硅(16)的横向尺寸l2为1μm～4μm。
技术总结