具有多场限环终端的PiN 二极管反向击穿的研究

刘晓忠,汪再兴,孙霞霞,郑丽君,高金辉

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070)

现代功率半导体器件具有工作频率高、开关速度快、击穿电压高、功耗低等优点,因此在航空航天、工业控制、汽车电子等领域中得到广泛的应用。PiN二极管是目前市面上运用最广泛的功率器件之一,而击穿电压(VB)(或耐压)是衡量PiN功率二极管可靠性的最重要参数,同时也是器件结构设计的重要依据[1]。为了提高其耐压能力,通常引入结终端保护结构[2],主要有场限环、场板、终端结、半绝缘多晶硅等[3-4],其中场限环工艺简单,生产成本低,是目前应用最广泛的终端结构。具有场限环终端结构的PiN功率器件,在反向偏置下,场限环相当于一个分压器,其分压能力与环宽、环间距等诸多结构参数有关。其中,在主结击穿电压不变的前提条件下,环间距线性变化的场限环相比等间距场限环,芯片面积节省了37%[5-6]。为了进一步提升场限环的分压能力,研究者们提出了各种优化的场限环结构,主要有槽型场限环、主结和第一场环之间设计波型P型掺杂电阻区域的场限环、阳极和阴极表面分别设计场环的双层场限环结构、结构参数满足黄金分割值(金属电极长度/保护环宽度,保护环宽度/窗口宽度等)的场限环结构,明显提高了主结的击穿电压[7-11]。文献[12]理论推导了场限环的结构参数与击穿电压的关系,认为在相同掺杂浓度条件下,主结的击穿电压与场环个数成正相关。文献[13]分析了结终端扩散区结深与主结反向击穿电压的关系,表明终端扩散区结深的改变会引起PN 结边缘电场分布的变化,进而改变了主结的击穿电压。上述研究都是基于场限环的结构、环数、结终端扩散区结深与主结反向击穿电压的研究,但是场限环结深和漂移区掺杂浓度也是影响主结击穿电压的重要因素。

本文利用Silvaco软件对具有多场限环终端的PiN二极管进行模拟仿真,得到器件的反向击穿特性。在文中,首先依据场限环结深和漂移区掺杂浓度与主结击穿电压的关系对器件结构进行初步设计。随后,通过器件仿真,分析不同场限环结深和漂移区掺杂浓度对主结击穿电压的影响,并将理论推导与仿真值进行对比,得出场限环结深和漂移区掺杂浓度与主结击穿电压之间的关系。最后,进一步分析击穿时器件的电场分布和峰值电场,给出SiC PiN 提升击穿电压的优化方法。

1 场限环结构与仿真模型

图1给出了场限环终端结构的示意图,第一个P+区与外延层形成主结,有源区采用金属铝作电极,主结外围悬空的P+区为终端场限环,主结P+区和P+环的表面杂质浓度相同(NA=5×1019cm-3),杂质为Gauss分布。漂移区(即N-缓冲层)掺杂浓度数量级为1014cm-3,杂质为均匀分布。衬底掺杂为Gauss分布,浓度峰值为8×1019cm-3。

拟设计10道场限环,主结P+区和环P+区宽均为8μm,环间距为2μm。理想P+N 单边突变结雪崩击穿时临界漂移区厚度与掺杂浓度间的关系如式(1)[14]所示,当漂移区掺杂浓度取设计的最小值1×1014cm-3时,根据式(1)可计算主结发生雪崩击穿时临界漂移区厚度tepi为150μm。

理论上,当tepi=150μm时P+N结发生击穿,耗尽层将扩展到N+区边缘,但P+N结曲率效应使击穿提前发生,故实际击穿时耗尽层未扩展到N+区边缘。为研究场限环结深对击穿电压的影响,设计PiN二极管为非穿通型结构,当rj-max=5μm,器件厚为180μ m,衬底为20μm 时tepi-max=155μm(大于临界漂移区厚度),设计合理。

图1 PiN二极管场限环终端结构示意图Fig.1 Schematic structure of the field limiting ring termination of a PiN diode

具有场限环终端结构的PiN 二极管,在工艺上主结与环结同时扩散形成,环结具有与主结相同的扩散结深与掺杂浓度,若纵向扩散结深为rj,则功率PiN的击穿电压表达式为[15]:

式中:VB为击穿电压;ε0为真空介电常数;ε为材料介电常数;q 为电荷量;ND为漂移区掺杂浓度;k 为扩散系数;rd0为耗尽层宽度;l为环间距。从式(2)可知,PiN的击穿电压不仅受结深的影响,还与漂移区掺杂浓度有关,文献[16]给出了单边突变结的击穿电压与漂移区掺杂浓度的关系为:

从式(3)可知漂移区掺杂浓度增大,击穿电压VB减小。仿真时,漂移区浓度变化范围为1×1014/cm3～3×1015/cm3。

在数值仿真过程中,考虑到载流子散射和电场影响,迁移率模型选择浓度依赖迁移率和平行电场模型,默认温度为300 K;复合模型为Shockley-Read-Hall复合和俄歇复合模型;击穿模型为碰撞电离Crowell-Sze模型;载流子统计为能带变窄模型。

2 仿真结果与讨论

2.1 PiN二极管的正向I-V 曲线

图2为PiN二极管的I-V 特性曲线图,图中横轴为正向偏置电压,纵轴为电流密度。插图为阳极电流密度的指数型。从图2中可知,当外加电压大于2.65 V时(即A 点),P+N 结导通,P+区开始逐渐向漂移区注入大量的少数载流子,且随外加偏压的增大,注入少数载流子越多,电流密度指数式增长。

图2 PiN二极管的正向I-V 特性Fig.2 Forward I-V characteristic of PiN diode

2.2 P+N结结深对击穿电压的影响

图3给出了不同结深对PiN二极管的反向I-V 特性的影响。在模拟中,保持漂移区掺杂浓度ND为2×1014/cm3,其他参数不变,仅改变P+N 结结深。主结的击穿电压随rj的增大而增大。结深rj=1μm时,击穿电压为666 V,rj=5μm 时,击穿电压为1005 V,增加率为50.9%。

根据反向I-V 特性曲线,提取数据,绘制结深rj与击穿电压VB的关系(VB-rj曲线)如图4所示,图中VB为击穿电压,击穿电压VB随rj的增大而增大。根据理论公式(3),当漂移区掺杂浓度ND为2×1014/cm3时,主结的理想雪崩击穿电压为1007.5 V,从仿真结果可知,实际击穿电压小于理论计算的理想击穿电压值。当rj=1μm时主结的击穿电压666 V,仅约为理想雪崩击穿电压的66.1%,而rj=5μm 时约为理想雪崩击穿电压的99.7%,因此,结深rj的增大,提高了主结的耐压能力,主结击穿近似为雪崩击穿。

图3 PIN二极管的反向I-V 特性,横轴为反偏电压,纵轴为反向电流Fig.3 Reverse I-V characteristic of PIN diode.The horizontal axis is the reverse bias voltage,the vertical axis is the reverse current

图4 场限环结深与击穿电压关系图,横轴为结深,纵轴为反偏电压Fig.4 Relation diagram of field limiting ring junction depth and breakdown voltage.The horizontal axis is the junction depth.The vertical axis is the reverse bias voltage

为进一步分析rj改变击穿电压的机理,须分析rj与电场分布的关系。图5为发生击穿时主结和场限环上的电场分布,从图5可知,主结和场限环都承担了部分电场,并随着环结级数的增加,场限环上的电场逐渐减小。为了确定峰值电场的位置,取主结和第一、二级环结的电场分布如图5插图所示,从插图可以看到,主结上的峰值电场出现在a点(表面峰值电场)和b点(结曲面峰值电场),a点和b点的电场容易达到发生雪崩击穿时的电场强度,因此是最易发生击穿的位置,换言之,若降低a或b点的电场,便可提高主结击穿能力。

图5 发生击穿时的电场分布Fig.5 Electric field distribution at the time of breakdown

因为主结和环结为同一工艺流程形成,故环结曲率和主结一致。由图5插图可知,第一级环结上的峰值电场出现在与点a和点b在同一水平线上的a’点和b’点,环结处出现峰值电场的点与主结峰值点在同一水平位置。在图5的电场分布图中分别过点a和点a’与点b和点b’作直线,主结和环结的表面峰值电场和结曲面峰值电场将分布在直线aa’和bb’上,过直线aa’和bb’上的电场与结深rj的关系如图6(a)和(b)所示。

图6(a)为发生击穿时的表面(直线aa’上)电场分布。从图6(a)可知,主结和场限环上的表面峰值电场都随rj的增大而减小,主结的表面峰值电场从rj=1 μm的4.34×105V/cm 降到rj=5 μm 的1.308×105V/cm,减小了近70%,因此较大的结深可以降低主结在表面击穿的概率。同时,rj改变了表面电场分布的均匀度,从主结到第10道环结,rj=1μm 时峰值电场均匀减小了3.27×105V/cm,rj=5μm 时峰值电场均匀减小了9.28×104V/cm,所以较大的rj提高了表面电场分布的均匀度,更有利于对主结表面的保护。

图6(b)为发生击穿时结曲面(直线bb’上)的电场分布。主结的结曲面峰值电场随rj的增大而减小,从rj=1μm的3.84×105V/cm减小到rj=5μm 的3.11×105V/cm,因此结深rj的增大提高了结曲面的击穿电压。且rj为5μm 时场限环上电场分布最均匀,第一道环结上的峰值电场大于主结上的,率先发生击穿的点从主结转移到场限环上,不易发生边缘击穿,主结被保护,因此rj为5μm 时主结的击穿电压非常接近P+N结的理想雪崩击穿电压。

图6 击穿时结深与电场分布的关系,纵轴E 表示电场,横轴Distance表示从主结到最后一级环结的距离Fig.6 Relationship between junction depth and electric field distribution during breakdown.The vertical axis E represents the electric field,and the horizontal axis Distance represents the distance from the main junction to the last ring

综上,当rj较小时,主结的表面峰值电场和结曲面峰值电场都较大,较容易达到发生雪崩击穿时的临界击穿电场,并且场限环上的电场分布极不均匀,对主结的保护能力较弱,易发生表面击穿或者结边缘击穿。随着rj的增大,主结的表面峰值电场和结曲面峰值电场都减小,不易发生表面和结边缘击穿,部分环结上的结曲面峰值电场大于主结上的,且场限环上的电场分布均匀度提高,对主结的保护能力增强。当结深从1μm增大到5μm时,主结的击穿电压从理想雪崩击穿值的66.1%增大到99.7%,在误差允许的范围内,近似等于理想击穿电压。

2.3 漂移区掺杂对击穿电压的影响

漂移区的掺杂浓度对主结的击穿电压有较大的影响。根据经典理论,随着漂移区掺杂浓度的增大,耗尽层宽度减小,电场增大,当电场达到临界电场时,主结发生击穿。图7为漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系曲线,图中ND为漂移区掺杂浓度,插图为部分曲线放大图。从图7可知,主结的击穿电压都随漂移区掺杂浓度的增大而减小。在ND从1×1014/cm3增大到3×1015/cm3的情况下,rj=1μm 时,击穿电压从1084 V降到76 V(减小了93%),rj=5 μm 时,击穿电压从1726 V减小到143 V(减小了91.7%)。因此当漂移区掺杂浓度增大时,结深的增大减缓了击穿电压的降低。

图7 漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系Fig.7 Relationship between doping concentration and breakdown voltage in the drift region

为进一步分析漂移区掺杂浓度改变击穿电压的机理,分别取rj为1μm和5μm,ND分别为1×1014/cm3和3×1015/cm3时的表面(直线aa’上)电场和结曲面(直线bb’上)电场,分别如图8(a)和(b)所示。

从图8(a)所示的表面电场分布可知,表面电场分布随漂移区掺杂浓度的变化而变化。当ND增大到3×1015/cm3后,rj=1μm 时的第三道及更高一道的场限环表面峰值电场非常小,基本不分担电场,第三道及更高一道的场限环失效,rj=5μm 时,最后一道场限环失效。因此在同一rj条件下,ND的增大使耗尽层无法扩展到更高一道场限环,部分场限环失效,主结上的表面峰值电场较大,易发生表面击穿。

从图8(b)所示结曲面电场可知,与表面电场分布类似,结曲面的电场分布也随漂移区掺杂浓度变化而变化。在漂移区高掺杂浓度的影响下,当rj=1 μm时,只有第一、第二道环结分担了电场,当rj=5μm时,只有最后一道场限环失效。漂移区掺杂浓度的增大,使场限环失效,场限环对主结的保护作用减小,因此击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而降低。

综上所述,在一定结深条件下,漂移区的高掺杂浓度抑制了主结耗尽层向场限环扩展,使部分场限环因无法分担电场而失效,从而降低了击穿电压。在一定结深条件下,有效场限环个数与漂移区的掺杂浓度有关,漂移区掺杂浓度越大,有效场限环个数越少,击穿电压也越小。

图8 击穿时漂移区掺杂浓度与电场分布的关系Fig.8 Relationship between doping concentration and electric field distribution in drift region during breakdown

3 结论

本文对具有十道场限环结构的PiN二极管的反向击穿特性进行仿真,从结构参数出发,探究场限环结深和漂移区掺杂浓度与主结的击穿电压的关系,分别得到rj-I-VB和ND-I-VB曲线,并从表面和结曲面的峰值电场和电场分布均匀度两方面分析了原理。仿真结果表明:主结的击穿电压随场限环结深的增大而增大,随漂移区掺杂浓度的增大而减小。在同一漂移区掺杂浓度条件下,当结深从rj=1μm增大到rj=5μm时,击穿电压升高了50.9%。在同一结深条件下,当漂移区掺杂浓度增大30倍后,击穿电压减小91.7% ～93%。另外,由于高掺杂漂移区限制了耗尽层的扩展,使远离主结的场限环失效,并且结深越小,失效的场限环个数越多。因此,通过对场限环的结深及漂移区掺杂浓度等结构参数进行综合考虑,从而更有效地提高PiN二极管的击穿电压,以便更好地满足需求。