栅条状和蜂窝状结构结势垒肖特基整流器（JBSR）性能对比*

高桦，柴彦科，刘肃

（兰州大学物理科学与技术学院微电子所，兰州730000）

栅条状和蜂窝状结构结势垒肖特基整流器（JBSR）性能对比*

高桦，柴彦科，刘肃*

（兰州大学物理科学与技术学院微电子所，兰州730000）

栅条状和蜂窝状平面结构的结势垒肖特基整流管（JBSR）的不同之处在于其沟道有效面积的大小不同。从这两种平面结构的结势垒肖特基整流管（JBSR）的工艺和电学特性来看，适当的增大JBSR器件的沟道有效面积，可使JBSR器件的击穿电压得到提高。蜂窝状平面结构JBSR器件的沟道有效面积较栅条状器件的小，开启电压低，但反向耐压不如栅条状平面结构JBSR器件，这可能是因为蜂窝状器件的P+区的缺陷较于栅条状结构器件的多，同样器件的I-V特性也与结构参数密切相关。

结势垒肖特基整流器（JBSR）；沟道有效面积；电学特性；栅条形；蜂窝状

肖特基二极管SBD（Schottky Barrier Diode）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、功耗小等优点在较高耐压的高频电子电路等领域广泛应用。但由于其能产生较大的饱和漏电和低的反向击穿电压，而p-n结二极管具有较高的反向击穿和低漏电，所以Wiliamovski［1］和Baliga［2］首先使用了JBS（Junction Barrier Schottky）概念［3，4］。为了更好地改善高压硅基整流器的正反向特性，Baliga［5］等提出了混合PIN/肖特基的MPS（Merged PIN/Schottky diode）二极管结构。这两种新型结构器件的提出，有利地扩展了肖特基二极管的应用领域，尤其在移动通信、电源及高频大功率电子电路中的应用。JBS和MPS基本结构相同，随着器件工艺的发展和性能的进一步提高，它们的区分也逐渐模糊，本文也将不做明显区分。因平面型器件［6］具有易封装、可靠性高和成本低等优点而被广泛应用，在本文中所提到的器件均为平面型器件。平面结构的结势垒肖特基整流器（JBSR）的剖面图如图1所示。

图1　结势垒肖特基二极管（JBS/MPS）剖面图

平面结构的JBSR（Junction Barrier Schottky Rectifier）常用到的结构是MOS（Metal Oxide Semi⁃conductor）器件和IGBT（Insulated Gate Bipolar Tran⁃sistor）器件等都有采用栅条形的结构，这种结构能够控制Si/SiO2界面下的导电沟道，使器件的耗尽层很平滑的延展到终端结。近年来又提出蜂窝状［7］、环形状［8］、叠置p+-p纵向型［9］、双外延［10］、沟槽式［11］等新结构。这些新结构主要是通过增大器件的沟道有效面积来提高反向耐压，也在不同程度上屏蔽肖特基结、减小漏电流、提高反向击穿电压。

由于电子比空穴的迁移率大，所以JBSR器件通常采用N型半导体材料作为衬底。又因高电阻率可以降低结电容和体电阻从而提高反向击穿电压，故在N+衬底上外延一高阻N-层作为JBSR器件的有源区。本实验采用的是栅条形和蜂窝状结构的平面结构的N型Si衬底的JBSR器件作为研究对象，并比较这些结构的正反向I-V特性以及理想因子等，得出并验证了适当增大JBSR器件的沟道有效面积，可在不改变器件漏电流的前提下，提高JBSR器件的击穿电压，也可以相应的降低JBSR器件的开启电压，同样JBSR器件的正反向I-V特性与结构参数密切相关。

1　JBSR器件相关理论

当在JBSR器件上施加正向压降较小时，PN结空间电荷区（即耗尽区）宽度变窄，由于肖特基结的开启电压比PN结低，因此先于PN结导通，电流主要流经肖特基势垒下的导电沟道，此时JBSR器件主要表现为肖特基二极管的特性［12，13］，如图2中a段所示；当在JBSR器件上施加正向压降较大时，PN结导通，正向电流不仅含有从肖特基势垒下的导电沟道通过的电流，还有PN结势垒区产生的复合电流，且随着正向电压的增大，势垒区的复合电流也越来越大，则此时JBSR器件主要表现为PN结二极管的特性，如图2中b段所示［12-13］。

图2　JBS、SBD、PIN I-V特性曲线图

当在JBSR器件上施加反向压降时，PN结的耗尽区将会向N型区扩展，随着反偏电压的增加，相邻PN结的耗尽区就会连通，并从纵向向N+衬底扩展，导致夹断肖特基导通沟道，此时JBSR器件主要表现为PN结二极管的特性［14］。

对于特定材料，JBSR器件的正向压降除了与肖特基势垒高度ФB有关外，还与肖特基宽度m、p+窗口宽度s、结深xj，横向扩散以后的肖特基区域宽度d以及外延层的厚度t等有关。JBSR的反向漏电［15］是由肖特基势垒区漏电流JLS和流经P+-N结区的漏电流JLD。反向漏电流也与JBSR器件的结构参数紧密相连，因此通过改变结构参数，可以得到近似于PIN型整流器的反向漏电特性。JBSR器件的结构参数见图3中的JBSR元胞。

图3　JBSR元胞剖面示意图

2　实验设计

2.1JBSR器件结构及制备流程

图4是栅条状、蜂窝状结构的JBSR器件部分的正面图和主要结构设计参数，器件分别记做M1（栅条状，栅条为p+区，栅条外为N-衬底层，m= 42 μm，s=6 μm），M2（栅条状，栅条为p+区，栅条外为N-衬底层，m=36 μm，s=6 μm），L1（蜂窝状，圆内为p+区，圆外为N-衬底层，m=36 μm，s=6 μm），L2（蜂窝状，圆外为p+区，圆内为N-衬底层，m=36 μm，s=6 μm），图中虚线表示光刻时所刻的范围，实现则表示的是注入并扩散后形成的结的范围。栅条状的元胞为两个p+栅条以及栅条之间的外延衬底层，而蜂窝状的元胞则为图4d中的3个圆环组成的结构及其之间的外延衬底层，这4种器件的有源区的面积是相同的。则M1，M2，L1，L2结构的JBSR器件的肖特基接触在整个有源区所占面积分别为67.8%，63.3%，，47.1%，36.6%。

图4　几种JBSR器件的正面图及结构参数

上述器件的版图均采用L-edit11.0软件绘制，再进行制版。这4种结构均采用相同工艺，主要流程如下：①标准RCA清洗；②初始氧化；③第1次光刻形成N+注入窗口，并在该窗口进行离子注入，在1180℃环境退火3 h形成N+切断环；④第2次光刻形成P+离子注入窗口，注入B+，1180℃退火5 h，同步形成的P+结和终端P+场限环；⑤第3次光刻形成肖特基接触窗口，溅射NiPt合金，并经硅化物热处理后形成良好的肖特基接触；⑥正面金属Ti/Ti-W/Al溅射和蒸发，形成阳极；⑦减薄，背面金属蒸发Ti/Ni/Ag以形成良好的欧姆接触，并作为阴极；⑧采用直列式塑封TO-220封装。

图5为JBSR器件的4吋硅片制备图和封装样片图。

图5　JBSR的制备和封装样片图

2.2JBSR器件的正向I-V

特性器件的正向特性使用Tektronix TYPE576半导体特性图示仪来测试，由2.1节知，M1，M2，L1，L2这4种结构的JBSR器件的有源区面积均相同。当在JBSR器件上施加正向压降较小时，主要表现为肖特基二极管的特性，即器件的正向电压主要是肖特基势垒压降，即

其中2d=m-2W-2xj×85%，2d为电流通道宽度，可近似认为是一常数。

因此由式1知，在正向电流一定的前提下，若使结构参数m增加，则VF也会相应的减小。M2和L1，L2的JBSR器件的结构参数m，s均为36 μm，而栅条状M1的结构参数m，为42 μm，也就是M1的参数相对于M2，L1，L2器件的较大，则M1器件的开启电压应比M2器件的小。从2.1节M1，M2结构的JBSR器件的肖特基接触在整个有源区所占面积大小相近，且远大于L1，L2器件的，因此M1，M2的正向特性应相似，且M2器件的开启电压应大于M1器件的，具体如图6中的M1、M2器件的开启电压与电流的I-V特性曲线。

图6　JBSR器件正向I-V的特性

从图6可知，L1，L2器件的开启电压小于M1器件的，这是因为这两类蜂窝状和栅条状器件的实际肖特接触的有效面积不同，导致其开启电压的不同。而当正向电流增大时，JBSR器件的正向压降VF［16］实际上是由肖特基势垒压降和通态电阻上的欧姆压降两部分组成，即

又根据热电子发射理论，JBSR器件的正向电流与正向电压的关系式［17］为：

其中A为整流管的面积，A*为理查德森常数，ФB为肖特基势垒高度，n为理想因子。因此，在JBSR器件上继续施加正向电流时，正向电压也会相应的增加，而JBSR器件的正向压降由主要是肖特基势垒压降部分逐渐变为两部分（肖特基势垒压降和通态电阻上的欧姆压降），随着正向电流的增大，则通态电阻上的欧姆压降可能成为正向电压的主要影响因素，因此器件的沟道有效面积不能与器件电压近似成比例，如表1数据显示L2蜂窝状结构器件在10 A的正向电流下的正向压降高于M2栅条状结构器件的正向压降。

表1　栅条形和蜂窝状JBSR器件的正向电流与正向电压值对比表

图7是在电压为1 V下正向电流密度的对数值与电压的关系图，其中拟合曲线的斜率约为12，又在较低正向压降时，理想因子n［18］可以由

得出，故这几种结构JBSR器件的理想因子均约为3.2。

图7　正向电压下的理想下的lnJ-V曲线

2.3JBSR器件的反向I-V特性

当JBSR器件处于反向偏压状态时，所呈现的是PN结二极管的特性，PN结的耗尽区将会向N型区域扩展，随着反向偏压的增加，相邻的PN结的耗尽区就会相连通，并在纵向上向N+衬底扩展，导致夹断肖特基导通沟道，而形成的连通耗尽层将承担大部分偏压，因此JBSR器件的反向耐压主要取决于漂移区掺杂浓度和厚度，即

而其反向I-V特性的理论除了热电子发射理论，耗尽层近似理论，还有热离子场致发射、以及静电发射等理论［19-20］。

本次反向测试采用的是DW4822晶体管特性图示仪。图8为本次试验中栅条形和蜂窝状的JB⁃SR器件的反向I-V特性曲线。对于同一基片上的所有器件的击穿电压在理想情况下应均相同，但影响反向击穿电压不仅和掺杂浓度有关，也和表面态（比如缺陷等）［20］、金属化系统（比如Al电迁移等）等因素有关［21］，所以同一基片上的器件击穿电压不一定都相同。

图8　JBSR器件反向I-V特性

在本次同一批硅片的试验中，在漏电流均为50 μA以下时，在同一硅基片上的M1、M2、L1、L2结构器件的击穿电压最大值和最小值见表2。从表2中看出，栅条形结构JBSR器件的击穿电压的最大与最小值的差比蜂窝状结构的小一半，这说明栅条形结构JBSR器件的一致性比较好，且受工艺过程中的不良因素影响相对较小。

表2　栅条形和蜂窝状结构JBSR器件的反向电压的最大值和最小值以及其差值

3　结论

本文主要介绍了JBSR器件的栅条型和蜂窝状的平面结构的工艺以及电特性。在正向电流小于2 A时，器件沟道有效面积的大小与开启电压的大小成反比，因此开启电压最低的是L2蜂窝状结构器件；在正向电流大于2 A时，肖特基势垒压降与通态电阻上的欧姆压降所占比例有所不同，而且后者所占比例将随着正向电流的增大而增大，故出现L2蜂窝状结构JBSR器件在10 A的正向电流下的正向压降高于M2栅条状结构JBSR器件的正向压降。在反向电流下，由于击穿电压受表面态等其他因素较大，因此受表面态等其他因素较小的栅条状平面结构的击穿电压会比受表面态等其他因素较大的蜂窝状结构的JBSR器件的高，且不易受到工艺过程中不良因素的影响而导致一致性变差。

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高桦（1990-），女，在读硕士研究生，主要研究方向为半导体器件与集成电路及其相关研究，gaoh13@lzu.edu.cn；

刘肃（1953-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为半导体器件与集成电路，宽禁带半导体薄膜材料及器件，有机发光器件等。

Gridline and Honeycomb Structure of Junction Barrier Schottky Rectifier（JBSR）Performance Comparison*

GAO Hua，CHAI Yanke，LIU Su*
（Institute of Microelectronics，School of Physical Science&Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Gridline and honeycomb planar structure Junction Barrier Schottky Rectifier（JBSR）is different in the dif⁃ferent sizes of its channel effective area.From the two planar structure of Junction Barrier Schottky Rectifier of the process and electrical characteristics，the appropriate to increase the channel effective area of Junction Barrier Schottky Rectifier，the breakdown voltage of Junction Barrier Schottky Rectifier might be improved.The channel ef⁃fective area of the honeycomb planar structure of Junction Barrier Schottky Rectifier is smaller than the gridline structure，lower forward voltage，but not as better as the reverse breakdown voltage of the gridline planar structure Junction Barrier Schottky Rectifier，this may be because the P+region defects in the honeycomb structure of Junc⁃tion Barrier Schottky Rectifier are more than the gridline structure devices，likewise closely related to the I-V char⁃acteristic and structure parameters of the device.

Junction Barrier Schottky Rectifier（JBSR）；the channel effective area；electrical characteristics；grid⁃line；honeycomb

TN315.2；TN314.2

A

1005-9490（2016）02-0258-06

EEACC：2560H10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.005

项目来源：甘肃省科技支撑计划项目（1204GKCA062）；甘肃省功率半导体及光电器件工程实验室创新能力建设项目（甘发改投资［2014］813号）

2015-05-08修改日期：2015-06-10