10A/300V JBS整流管设计

闫丽红，王永顺，刘缤璐

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)

结势垒肖特基整流管[1-3]是在功率肖特基二极管的基础上，在漂移区集成了多个梳状的p-n结栅，且结栅间的导电沟道保证在零偏时不被夹断，正向电流通过栅间导电沟道时从阳极流向阴极。当反偏电压超过几伏时，结栅p-n结空间电荷区展宽并相互交迭，引起耗尽层穿通，导电沟道被夹断。结势垒肖特基整流管(Junction Barrier Schottky Rectifier，JBS)具有大电流、高电压、低功耗等优点[4]，在电子、通信、计算机、自动化、仪器仪表等领域具有广泛的应用。为此，本文设计并制造了10 A/300 V JBS整流管。

1 有源区参数设计

有源区是JBS整流管的核心部分，它的材料和结构在很大程度上决定着JBS整流管的正向导通特性及反向击穿特性。本次设计的目标是正向电流为10 A、泄漏电流小于20 μA、击穿电压为300 V的JBS整流管。要实现300 V的击穿电压，需要对器件进行终端造型设计，拟在器件中设置两道场限环。对于半导体平面器件，单个场限环能使平面p-n结的实际击穿电压达到理想值的60%以上[5-6]。

1.1 材料参数的确定

有源区采用金属铝作为器件阳极，确定主结和场限环p+区的掺杂浓度为NA= 1 × 1019cm-3，铝n-型漂移区的势垒高度φB=0.81 eV。外延层(即n-型漂移区)的厚度由器件的击穿电压决定，加场限环之后，器件的击穿电压大约是理想值的60%以上。因此，要实现实际300 V的击穿电压，设计的反向击穿电压要取到VB= 300 V/0.6 = 500 V。漂移区的掺杂浓度[7]为

(1)

将VB=500 V代入上式，得到ND=5×1014cm-3。

1.2 结构参数的确定

根据式(2)可以得到临界击穿漂移区[8-15]的厚度tepi为

图1 JBS单胞结构图

(2)

当tepi=89 μm时，耗尽层已达到n+区边缘，但考虑到柱面结情况，击穿最先发生在曲率半径最大处，p-n结栅的耗尽层实际并未达到最大耗尽层宽度89 μm，所以选取tepi=89 μm是可行的。

JBS整流管的正向压降

(3)

式中，k为玻尔兹曼常数；T为温度；q为元电荷电量；m为扩散掩膜尺寸；s是扩散结栅时的窗口宽度；xj为p+n结结深；tepi为漂移区厚度；A*为有效理查逊常数；JF为流过每一单胞的电流密度；2d表示导电沟道宽度，如图1所示。ρ表示电阻率

(4)

式中，μn表示电子迁移率。

设横向扩散结深是纵向结深的85%，则导电沟道宽度

2d=m-2W0-2xj×85%,0≤d≤dmax

(5)

式中，W0为p+n结零偏时的耗尽层宽度，dmax为d的最大值。由式(3)可知，JBS的正向压降VF不仅与势垒高度φB、温度T有关，还与结构参数m、s、tepi及ND有关。在正向压降的表达式中p+n结内建电势

(6)

零偏时p+n结耗尽层宽度

(7)

反偏时p+n结耗尽层宽度

(8)

式中，VR为反偏电压，εs为半导体介电常数。d的最大值

dmax=WR(VR=VR0)-W0

(9)

式中，VR0表示导电沟道预夹断时的反偏电压。

JBS整流管的反向电流密度

(10)

式中，JLS表示金属-半导体结反向电流密度；JLD表示p+n结反向电流密度；D表示载流子扩散系数；τ表示少子寿命；k表示肖特基势垒区的电场强度[8]

(11)

在结构参数中，首先确定m和s的取值。取φB=0.81 eV，JF=20 A/cm2，ND=5×1014cm-3，NA=1×1019cm-3，tepi= 89 μm，T=300 K，A*=252 A/cm2·K2，ni=1.5×1010cm-3，xj分别取2 μm、3 μm和4 μm。本次设计要求JBS整流管在反偏电压VR0=15 V时必须夹断，根据式(5)～式(9)可计算得到器件结构参数m的取值范围，如表1所示。取s=4 μm，随着m的增大，VF减小，JL增大。这是由于随着m的增大肖特基势垒所占的比例增加。另外，随着m的增大沟道宽度2d亦增大，导致沟道串联电阻减小，所以m的取值需综合考虑其对VF和JL的影响[8]。

表1 不同xj值时m的取值范围 /μm

2 JBS终端造型设计

对于功率半导体器件，曲面弯曲效应严重影响着器件的击穿电压。为了减小p+n结的曲面弯曲效应，在器件中设计了两道场限环，如图2所示。分析时可将第一道场限环和主掺杂结当作一个整体，环二的浮空电场方向与环一相反，对主结的电场具有削弱作用，由此可以提高器件的击穿电压。用场限环技术可使器件的实际击穿电压达到理想值的60%，此时器件承受的实际电压等于主结电压和各个场限环电压之和[9-12]。影响击穿电压的最主要因素是场限环的间距。若取值合适，主结与环结电场将同时达到雪崩击穿的临界点，从而可获得最大的反向击穿电压。

图2 场限环示意图

在理想情况下，可以假设每个p+n结为单边突变结，结边界可使用圆柱形对称解作近似，忽略半导体到空气的电场损耗，环间距(l1和l2)略小于结深(rj)，两道场限环在雪崩击穿临界点时均发生穿通，忽略环间的内边界势垒。图2中n-漂移区的泊松方程为

(12)

各场限环耗尽层分担的电压[8]

(13)

(14)

(15)

(16)

主结右侧的电场强度

(17)

环一右侧的电场强度

(18)

环二右侧的电场强度

(19)

环间距的最优条件[8]为

ED=EF1=EF2=ECC

(20)

式中，ECC=[6/Arj]1/7；A=1.8×10-35cm-1；rj=xj。当VB=500 V且xj=2，3，4 μm时，主结和各环结上的电压和最佳环间距如表2所示[13]。

表2 不同结深下场限环的设计参数 /μm

3 JBS工艺流片及测试结果分析

3.1 JBS工艺流片设计

根据前面设计的材料参数、结构参数，经过外延片材料准备、初始氧化等40多道工艺制造，对JBS整流管从圆片制作成管芯并封装成成品[13]进行一系列的工艺流程，如图3所示。在具体生产过程中，厂房温度24±3 ℃，相对湿度25%～50%；光刻间温度22±2 ℃，相对湿度35%～50%。图4是封装后的JBS整流管正面外形图。

图3 JBS整流器工艺流程图

图4 封装后的10 A/300 V JBS整流管

3.2 JBS产品测试结果分析

为保证产品流片后VBR可满足大于300 V的要求，对生产过程进行测试。

(1)引线孔腐蚀去胶后测试。根据实验设计基本原则，确定外延片参数不变，对硼退火的流片温度进行实验，实验数据结果如表3所示。

表3 不同硼退火工艺温度VBR数据值

根据实验结果可确认退火工艺温度对VBR数据的影响很大，最终确定选择硼退火工艺温度 1 180 ℃进行生产流片。探针测试主结区域VBR值在340～450 V范围内，测试电参数VBR曲线如图5所示，已满足设计要求300 V[14]。

图5 JBS 10A/300V产品引线孔腐蚀去胶后反向VR曲线：400 V

(2)背面金属化后测试。背面金属蒸发后，产品已定型，测试的数据是准确的。VR为320～380 V，IR<20 μA，VF@10 A:0.8～0.84 V，均满足设计标准要求，具体电参数曲线如图6和图7所示。

图6 JBS产品背面金属化后主结反向曲线VR=380 V,IR=20 μA

图7 JBS产品背面金属化后主结正向曲线VF=0.81 V@10 A

(3)JBS产品可靠性试验。JBS产品封装完成后的可靠性试验，主要进行了产品电参数测量、抗静电试验(ESD)、直流老化，经试验，该产品ESD水平高，可达15 kV水平，经高温直流老化后，产品电参数测试合格，可靠性水平满足预期要求[15]。

4 结束语

本文设计并制造了具有场限环结构的10 A/300 VJBS整流管。经测试结果表明，电参数水平正向电压VF=0.85～0.856 V，反向电流IR=4～50.5 μA，反向电压VR=307.5～465.2 V，产品由于硼退火温度的提升，增加了结深，ESD水平从低温退火的6～12 kV提高到15 kV，经高温直流老化后，可靠性电参数水平满足预期的设计要求，符合行业标准。