10 A/600 V大功率硅基JBS肖特基二极管的制备*

陈菩祥,高 桦,李海蓉,刘 肃

(兰州大学微电子所,兰州 730000)



10 A/600 V大功率硅基JBS肖特基二极管的制备*

陈菩祥,高 桦,李海蓉,刘 肃*

(兰州大学微电子所,兰州 730000)

为了弥补传统肖特基二极管漏电流大和反向耐压低的不足,采用栅条P+-N结和肖特基结嵌套形成结势垒肖特基二极管(JBS),终端结构由7道场限环和1道切断环构成。通过模拟确定最优参数后流片试验,同步制备肖特基二极管(SBD)和PiN二极管作为对比。结果表明:制备的JBS二极管兼备SBD二极管正偏和PiN二极管反偏的优点。在漏电流密度小于1×10-5A/cm2时,反向耐压达到600 V;正向电流10 A(80.6 A/cm2)时,导通压降仅为1.1V。

肖特基二极管;结势垒肖特基二极管;栅条结构;场限环;反向耐压600 V

随着现代电子信息技术的飞速发展,电子消费在我们生活中占有比例越来越高,对应的电力能源损耗则成了亟待解决的问题。在功率电子系统中功率损耗尤为突出,例如在高频高压电力传输、电源、马达驱动器以及开关整流等领域。肖特基二极管(SBD)因接触势垒低且不存在少子注入和过剩载流子的抽取和复合等物理过程,具有阈值电压低、功耗小、开关速度快(10 ns以内)以及频率高等优点,在上述领域广泛应用。但其较大的饱和漏电流密度和低的反向击穿电压(VR<150 V),致使其应用范围受到很大的限制。为了克服以上不足,1984年Baliga B J等人提出了结势垒肖特基结二极管(JBS)[1]和PiN/肖特基组合二极管(MPS)[2],结构截面示意图类似如图1所示。两者正向工作在肖特基二极管模式,且在较大正偏压时,通过P+-N结向漂移区注入少数载流子调制电导,保持低的正向压降。具有开关速度快、阈值电压低、功耗小的优点;在反偏状态下,借鉴JFET导电沟道夹断原理,将肖特基接触完全屏蔽,提高了反向耐压,减小了反向漏电流。此两种新型结构器件的提出,拓展了肖特基二极管在高压大功率领域的应用。

近年来,多种新型结构的高压大功率肖特基二极管见诸报道[3-8]。诸多研究都着眼于新型材料(SiC/GaN/金刚石)宽禁带、高载流子迁移率、耐高温的优点上,着力开发研究大功率高压器件。而在中低压应用领域,硅材料器件低廉的材料成本、成熟的制造工艺等因素,性价比明显优于相应的新型材料器件,但有关硅材料高压器件的研究报道鲜见。

基于此,本文在兰州大学微电子研究所刘肃、王朝林、王一凡等[9-10]成功研发10 A(300 V～400 V)硅基JBS二极管的基础上,优化器件结构,有源区用栅条结构取代蜂窝结构,场限环由2道增加至7道。通过仿真模拟,确定了最佳参数和工艺流程,流片制备的器件在保持大导通电流的同时降低了正向压降,而且反向耐压大幅度提升,达到理想PN平面结的75%。

图2 JBS二极管反向耐压755 V时,器件右半边对应(a)电势、(b)电势差以及(c)电场强度分布图

1 器件的结构设计与模拟

器件结构剖面如图1所示。几何参数:有源区面积A为3 450 μm×3 450 μm,其中肖特基结宽m,P+扩散结宽s,沿用文献[9-10]的取值,分别为36 μm和6 μm。为削弱结终端曲率效应和切断表面反型沟道,附加了7道P+场限环和一道N+切断环[11-13],硅外延总厚度t,P+扩散结深Xj。

图1 JBS二极管剖面图

为快速优化各设计参数达到设计指标,我们运用半导体工艺及器件模拟仿真工具Silvaco TCAD主要针对器件反向耐压特性进行仿真模拟。通过反复模拟实验,优化各个结构参数,最终得到表1所示的优化参数,对应器件最大反偏压达到755 V,此终端结构模拟结果达到了理想PN平面结的93%。对应电场和电势分布如图2所示:由电势图2(a)可知,引入多道场限环后,水平方向耗尽区被很好的拓宽,向理想平面结靠近;图2(b)显示各道环上电势降落情况,电势降从主结到各道场限环由最初的50 V递增到200 V,此模拟结果很好的验证了各理论模型[11-14];图2(c)为对应结构电场强度分布图,各道环靠主结内侧电场出现极小值,环外侧电场出现极大值,临界场强达到了2.8×105V/cm,此时主结与7道场限环几乎同时击穿;这是因为对于某道场限环而言,其靠近主结内侧自身场强与主结产生场强水平分量方向相反互相削弱,而外侧各场强水平分量同向叠加增强,所以击穿发生在各道环外侧扩散结拐角尖锐处。

表1 场限环环间距Li和环宽Ri参数

2 实验

外延材料采用中电集团46所生产的电阻率为0.001 Ω/cm～0.005 Ω/cm的n型Si片上,外延生长As掺杂n型外延层,掺杂浓度为2.68×1014cm-3、厚度为64 μm。制备主要工艺流程如下:①标准RCA清洗;②初始氧化;③第1次光刻形成磷(P)离子注入窗口,离子注入剂量为5×1015ion/cm2的磷(P)后,在1180 ℃环境中退火3 h形成N+切断环;④第2次光刻形成硼(B)离子注入窗口,离子注入剂量为3.5×1015ion/cm2的硼(B)后,在1180 ℃环境中分3批分别退火5 h,同步形成结深Xj=8 μm的P+条状结构和两道P+场限环;⑤第3次光刻形成肖特基接触窗口,在真空度为5×10-5Pa,温度120 ℃环境下溅射NiPt合金,经硅化物热处理后形成良好的肖特基接触;⑥正面金属TiW/Al(1 000 Å/3 000 Å)蒸发,形成阳极金属;⑦减薄后,背面金属蒸发Ti/Ni/Ag(1150 Å/3 000 Å/12 000 Å),以形成良好的欧姆接触。

使用泰克370B半导体参数分析仪和吉时利2410数字源表对器件电特性进行测试分析。

3 实验结果与讨论

3.1 反向I-V特性

在反向偏置状态下,随着反偏压的增加,图1中条状P+-N结耗尽区逐渐向两侧扩展。反偏压较小时,P+-N结耗尽区还不足以完全屏蔽肖特基接触,漏电流主要由流经肖特基势垒的多数载流子形成,考虑到肖特基势垒降低效应[14],反向漏电流可表示为(1)[15]:

(1)

随着反偏压的进一步增大,P+-N结耗尽将导电沟道夹断并出现重叠,形成有效的耗尽层,此耗尽层将承担进一步增加的电压,且屏蔽了肖特基势垒降低效应,抑制漏电流进一步增大,反向漏电流由流过P+-N结耗尽层的扩散电流IRD和产生电流IRG两部分组成,由下式给出:

IS=IRD+IRG

(2)

式中:D是扩散系数,A为JBS有源区面积,τ为载流子寿命,ni为本征载流子浓度,ND为漂移区掺杂浓度,W为P+-N结耗尽区宽度。

从图3器件反向I-V特性可知:相比较传统肖特基SBD二极管,引入P+-N条状结构的JBS二极管反向特性类似PiN二极管,相比前者450V提高到了610V,达到理想平面结击穿电压800V的75%,且漏电流密度降低了一个数量级,小于1×10-5A/cm2。

图3 3种二极管反向特性图:JBS、SBD、PiN耐压分别为610 V、450 V和700 V

3.2 正向I-V特性

JBS二极管正向压降由肖特基接触势垒和N基区电阻压降两部分组成,由热电子发射理论[15]决定:

(3)

其中,φB为肖特基势垒高度,JFC为每个肖特基结正向导通电流密度,ρ为外延层电阻率,s为扩散窗口宽度,m为掩膜窗口宽度,t为外延层厚度,2d=m-2w-2×α×xj为零偏压肖特基节宽(w为零正偏电压下耗尽层宽度,α为横向扩散系数,xj为结深)。

图4 耐压610 V JBS以及对应Schottky、PiN 3种二极管正向I-V特性曲线图

图4为3种二极管实测正向I-V特性曲线。从图中我们可以看出:JBS二极管正向特性类似SBD二极管,开启电压0.4V明显小于PiN二极管。在正向电流10A(80.6A/cm2)时,导通压降为1.1V,小于理论计算值1.4 V,这是因为我们计算时并未考虑正向导通状态下,耗尽区变窄,肖特基结比例增加,以及P+-N极少数少子注入引起的导通串联电阻减小情况。但当通入较大电流(J>80 A/cm2)时,JBS和Schottky二极管对应压降增长明显快于PiN二极管,有超过PiN二极管压降的趋势,这是由于PiN二极管开启后,少数载流子注入N基区,调制效应降低了外延电阻率,从而降低了导通压降,而Schottky不存在少子注入,以及JBS极少数少子注入对电导调制效应甚微,所以二者压降随电流增速较快。

4 结论

本文给出了JBS整流二极管的结构设计模拟和制备工艺,并测试分析了所制备器件的静态I-V特性。结果表明:所制备的JBS二极管开启电压在0.4 V左右,在正向电流为10 A(80.6 A/cm2)时,压降仅为1.1 V;漏电流密度为1×10-5A/cm2时,反向耐压达到了600 V以上。

[1]Baliga Jayant B. The Pinch Rectifier:A Low Forward Drop High-Speed Power Diode[J]. IEEE Electron Device Letters,1984,6(6):194-196.

[2]Baliga Jayant B. Analysis of a High-Voltage Merged p-i-n/Schottky(MPS)Rectifier[J]. IEEE Electron Device Letters,1987,EDL-8(9):407-409.

[3]Ranbir Singh,Craig Capell D,Allen R Hefner,et al. High-Power 4H-SiC JBS Rectifiers[J]. IEEE Trans on Electron Devices,2002,49(11):2054-2062.

[4]Lin Zhu,Paul Chow T. Advanced High-Voltage 4H-SiC Schottky Rectifiers IEEE[J]. IEEE Trans on Electron Devices,2008,55(8):1871-1874.

[5]Brett A H,Joseph J S,Michael J O,et al. Performance and Stability of Large-Area 4H-SiC10-kV Junction Barrier Schottky Rectifiers[J]. IEEE Trans on Electron Devices,2008,55(8):1864-1869.

[6]Brosselard P,Banu V,Camara N,et al. Recent Progress in 3. 3 kV SiC Diodes[J]. Materials Science and Engineering:B,2009,165(1-2):15-17.

[7]Ni Weijiang,Li Yuzhu,Li Zheyang,et al,1200 V,5 A 4H-SiC JBS Working at 250 ℃[J]. Research and Progress of SSE,2010,30(4):478-480,549.

[8]Wang Ying,Li Ting,ChenYuxian,et al. High-Performance Junction Barrier Schottky Rectifier with Optimized Structure[J]. IEEE Trans on Electron Devices,2012,59(1):114-120.

[9]王一帆,王朝林,刘肃,等. 300V以上硅基新型JBS肖特基二极管的制备[J]. 电子器件,2011,34(6):607-610.

[10]王朝林,王一帆,刘肃,等. Si基JBS整流二极管的设计与制备[J]. 半导体技术,2012,37(3):180-183.

[11]Bae Donggun,Chung Sangkoo. An Analytic Model of Planar Junctions with Multiple Floating Field Limiting Rings[J]. Solid State Electronics,1998,42(3):349-354.

[12]He Jin,Chan Mansun,Zhang Xing,et al. A New Analytic Method to Design Multiple Floating Field Limiting Ringsof Power Devices[J]. Solid State Electronics,2006,50:1375-1381.

[13]Ashutosh Bhardwaj,Kirti Ranjan,Namrata,et al. A New Approach to the Optimal Design of Multiple Field-Limiting Ring Structures[J]. Semicond Sci Technol,2001(16),349-354.

[14]施敏. 现代半导体器件物理[M]. 刘晓彦,贾霖,康晋锋,译. 北京:科学出版社,2001:141-142.

[15]Baliga Jayant B. Analysis of Junction-Barrier-Controlled Schottky(JBS)Rectifier Characteristics[J]. Solid-State Electronics,1985,28(11):1089-1093.

陈菩祥(1985-),男,汉族,甘肃陇南人,兰州大学硕士研究生,主要研究方向为功率半导体器件与集成电路设计;

刘肃(1953-),男,回族,河北,兰州大学,教授,博士生导师,主要研究方向为半导体器件与集成电路、电力电子器件、宽禁带半导体薄膜材料及器件、有机发光器件及薄膜光伏电池等。

FabricationofHigh-Power10A/600VSi-BasedJunctionBarrierSchottky(JBS)Diode*

CHENPuxiang,GAOHua,LIHairong,LIUSu*

(Instituteof Microelectronics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

To compensate the high leakage current and low reverse breakdown voltage of conventional Schottky diode,a JBS diode structure was formed by combining strip P+-N junction grids and Schottky junction,which terminated by seven floating field limiting rings(FGRs)and one cutoff ring structure. Simulation was utilized to determine the optimized parameters in fabrication,SBD and PiN diode were fabricated as contrast. The results showed that JBS diodes behave similar to SBD diodes in the on-state while reverse characteristics similar to PiN diodes. The obtained JBS diodes were capable of blocking up to 600 V when the leakage current density was less than 1×10-5A/cm2,and the forward voltage drop at a current density of 80.6 A/cm2is 1.1 V

SBD diodes;JBS diodes;gridstructure;field guarding rings;breakdown voltage 600 V

项目来源:甘肃省科技支撑计划项目(1204GKCA062)

2013-12-20修改日期:2014-01-19

TN315.2

:A

:1005-9490(2014)06-1026-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.003