超级结JBS二极管特性的仿真分析

刘 勇，关艳霞，刘 亭，王卉如，邓 杰

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

1 引言

在各类常用电源电路中均需要使用开关器件来调节流向负载的功率流，例如通常会用到功率二极管来控制电流方向[1]。电源电路当前的发展趋势是日益高频化、集成化。众多高性能开关器件，如功率MOSFET 和IGBT 等[2]早已投入使用，然而传统功率二极管性能已经不足以匹配先进开关器件，在很大程度上限制了功率电路性能的发挥。传统的二极管主要可以分为单极型二极管和双极型二极管，其中，单极型器件高通态压降的特性不适用于高耐压应用；双极型器件从导通状态切换到截至状态，必须排出器件中所储存的载流子，这不仅使器件的开关速度降低，还导致器件的功耗较大。所以功率器件的使用中更倾向于使用单极型器件[3]。传统的单极型器件的功率较小，为进一步提高单极型二极管的功率，在此新设计一种超级结JBS 二极管，并对其特性进行仿真分析。

2 基本结构及工作原理

所设计的超级结JBS 二极管的基本结构如图1所示。该二极管的阳极由肖特基接触和周围的P 柱区组成；N 柱区域在肖特基接触的下方，并且与P 柱区域形成复合耐压层，底部N垣区域作为器件的衬底，并引出阴极。

图1 硅超级结JBS 二极管结构

当该超级结JBS 二极管工作在正向导通状态时，如果P 柱区的间距合理，在肖特基接触下方存在未耗尽的区域，此区域可以进行单极传导。因为硅器件的通态压降为0.45V，小于PN 结开启电压，所以二极管两端的压降不足以使PN 结导通，从而可以令器件依然保持肖特基二极管的正向特性；也正因为P 柱区的存在会牺牲一部分肖特基接触面积，增加器件的正向电流密度，超级结的应用有效降低了器件的导通电阻[4]。

在反向阻断情况下，P 柱区会在肖特基接触下产生势垒，屏蔽肖特基接触，降低半导体一侧的高电场，此时，PN 结反偏使耗尽层向P 柱区和N 柱区横向扩展，柱区完全被耗尽且N 柱区的电势高于P柱区，电子与空穴分别通过N 柱区和P 柱区流出漂移区域。由于P 柱区和N 柱区遵循电荷平衡条件，所以柱区的宽度与掺杂浓度有关。当实现良好的电荷耦合，P 柱区和N 柱区会完全耗尽[5]，此时，垂直方向的电场是均匀分布，水平方向的电场是锯齿分布。二维电场的引入大幅度提高了芯片的纵向利用率，P 柱区和N 柱区的掺杂浓度不受阻断电压的限制，因此与相同耐压等级JBS 二极管相比，导通电阻大幅下降。

超级结JBS 二极管将传统JBS 二极管的P垣区结深延伸至器件内部，利用大结深的P 柱区和N 漂移区共同构成超级结代替单一N 型杂质的漂移区，引入二维电场分布，大幅度减小了芯片厚度，将单位面积下漂移区的电阻Ron和击穿电压VB关系优化为:Ron∝VB1.3，突破了硅材料单极型二极管的功率极限[6]。

3 初始结构建模

超级结JBS 二极管同其他的超级结器件一样由PN 复合层承担反向阻断电压。当复合层结构满足电荷平衡条件才能保证器件能够承担更大的耐压，如果令P 柱区域的面积为a，N 柱区域面积为b，P 柱区域的掺杂浓度为Np，N 柱区域的掺杂浓度为Nn，那么，当a与Np的乘积等于b与Nn的乘积之时即可满足电荷平衡条件[7]，即：

依据公式(1)建立耐压为300V 的超级结JBS 二极管模型，其结构参数如表1。为了更好地分析超级结JBS 二极管的性能及工作机制，表1 还给出了耐压为300V 的普通JBS 二极管以及肖特基二极管的结构参数，以资对照。

表1 300 V 耐压不同器件参数比较

4 超级结JBS 特性仿真分析

为分析、验证上述建模的超级结JBS 二极管的各项特性，使用Slivaco TCAD 仿真软件分别进行正向导通、反向阻断、反向恢复等方面的模拟。讨论超级结JBS 二极管中不同参数对各个性能的影响。仿真过程中使用到的模型包括：浓度依赖性迁移模型、横向电场相关的模型、Shockley-Read-Hall 复合模型、俄歇复合模型、带隙变窄模型、Crowell-Sze 碰撞电离模型。

4.1 阻断特性仿真分析

300V 反向阻断电压下表1 中三种二极管会有不同的电场分布，在仿真中对不同结构二极管横向、纵向电场分布进行比较。仿真得到的对比结果如图2 所示。从图可以看出肖特基二极管水平方向没有电场的变化，器件在反向截止状态下仅具有一维电场分布；JBS 二极管仅改变器件表面电场分布，在器件表面引入横向电场分布，使得肖特基接触侧的电场峰值位于器件表面下方，此部位的大部分电场分布依旧为一维纵向分布；超级结JBS 二极管表面的电场分布和50%深度电场分布均引入了横向电场，而且竖直方向上从器件表面到50%深度的电场大小分布接近恒定，因此能够充分利用芯片厚度。传统JBS 二极管是利用PN 结的横向电场降低肖特基接触表面的高电场，进而减小肖特基接触处的势垒降低效应，其根本是通过改善器件表面的电场分布而实现对器件性质的优化。超级结JBS 二极管是将JBS 二极管中的P垣区结深加大至器件内部，从而达到进一步优化器件内部电场分布的目的。同时还可从表1 看出，相同阻断电压下的不同结构的二极管中，超级结JBS 二极管的芯片厚度最薄。

图2 300V 耐压不同二极管横向电场分布对比

同样，在300V 耐压等级下，对比三种二极管距左边界不同距离处的纵向电场分布，仿真得到的结果如图3。

图3 300 V 耐压不同二极管纵向电场分布对比

由图3 可以看出，JBS 二极管主要在肖特基二极管的表面引入二维电场分布，降低肖特基接触处电场强度，器件中大部分的纵向电场分布依然为三角形。超级结JBS 二极管同其他超级结器件一样，反向阻断状态下的工作原理是N/P 柱区的电荷平衡。在阻断状态下，P 区域和N 区域形成的横向PN结在横向方向耗尽展开承担较大的反向电压，使器件中非平衡载流子大部分都排出，让超级结JBS 二极管纵向电场分布近似于矩形。由此可知超级结JBS 二极管耗尽层中全部引入二维电场分布，矩形电场分布优于JBS 二极管和肖特基二极管的三角形分布，使得在相同耐压等级下超级结JBS 二极管纵向尺寸小于肖特基二极管和JBS 二极管。

给表1 中的3 种二极管加载相同反向偏置电压，在阴极上电压从280 V 增加到310 V，以5 V 作为步长，测量阳极漏电流，得到三种二极管的反向阻断特性，如图4 所示。

图4 三种类型二极管的反向阻断特性对比

从图中可以看出，肖特基二极管由于镜像势垒降低效应、热电子发射效应和隧穿效应，其反向漏电流较大；而且势垒降低效应和隧穿效应随表面电场强度的增加而增加，当反向电压接近击穿电压时会发生前雪崩击穿效应，通过肖特基接触的电流会增加Mn（倍增因子）倍[8]。

因为肖特基接触处的最大电场强度会影响Mn的大小，普通JBS 二极管通过引入PN 结，降低了肖特基处表面最大电场强度，降低了Mn，所以JBS 二极管的漏电流小于肖特基二极管。

超级结JBS 二极管用超级结复合层代替单一导电类型的半导体，大浓度、大结深的P 柱形区域对肖特基接触处的屏蔽作用更加明显，使超级结JBS 二极管的肖特基接触处的最大电场强度小于JBS 二极管，漏电流进一步减小。综合看来，超级结JBS 二极管的阻断特性明显优于肖特基二极管和普通JBS 二极管。

4.2 正向导通特性仿真分析

在表1 中三种300V 耐压二极管的阳极加载正向电压，电压值从0 V 增加至0.1 V，得到不同结构二极管的正向导通特性，如图5 所示。

图5 300V 耐压不同二极管正向导通电流对比

由图可见，当同等级耐压的三种不同结构的二极管在阳极加载相同电压时，由于超级结JBS 二极管中超级结结构的引入，N 柱区域浓度大于JBS 二极管和肖特基二极管的耐压层浓度，使得超级结JBS 二极管的正向电流远大于JBS 二极管和肖特基二极管。

超级结JBS 二极管和JBS 二极管一样，当P 柱区之间距离合理时，正向导通状态下肖特基接触下方存在未耗尽的N 柱区域，所以当肖特基结开启时，超级结JBS 以N 柱区域为电流导通通道并保持单极传导；由于器件的正向导通压降小于PN 结的开启电压，纵向PN 结不导通。超级结JBS 二极管中复合耐压层的存在使其N 柱区域掺杂浓度较大，更利于电流的导通。另外由上述分析可知超级结JBS二极管和JBS 二极管的正向电流导通沟道都是肖特基接触处下方N 掺杂部分。仿真中三种二极管宽度相同，所以超级结JBS 二极管的单位面积电流密度大于JBS 二极管，更远大于肖特基二极管。这意味着超级结JBS 二极管的使用更利于器件的集成。

4.3 反向恢复特性仿真分析

为对比相同耐压等级不同结构二极管的反向恢复特性，搭建仿真电路环境，如图6 所示。

图6 反向恢复仿真电路环境

图中，电压源V1=100V，电流源I1=1A，电阻R1=5×10-3Ω、电感L1=3×10-9H，R2为可变电阻模拟电路开关。在反向恢复仿真电路中，通过改变可变电阻R2的阻值，模拟电路中主开关开通时二极管经历的反向恢复过程。在相同的电路环境下，分别使用不同结构的二极管对比反向恢复特性，对比结果如图7。

图7 300V 耐压不同二极管的反向恢复特性对比

从前面的讨论可以知道，超级结JBS 二极管、JBS 二极管和肖特基二极管均为单极型器件，但是由图7 可以看出超级结JBS 在同样的反向阻断及正向导通的机理之下，开关速度优于其他两种传统单极型。这是因为超级结JBS 二极管中P 柱区和N 柱区形成的超级结使管中的电子可以几乎全部以饱和速度流出，在未全部流出之前，关断器件的电流几乎保持不变。综上所述，超级结JBS 二极管更适用于各类对速度有高要求的电路。

5 结 束 语

通过延伸P 区结深将超级结引入传统JBS 二极管设计一种超级结JBS 二极管。超级结结构的引入使器件中电场分布更加合理，使器件横向也可以承担一部分电压，优化了器件中的二维电场分布。通过与普通肖特基二极管、JBS 二极管的不同特性分析、对比发现超级结JBS 二极管既包含超级结器件的特点又保持JBS 二极管的优势：提高了单极性器件承担反向耐压能力，在同等耐压条件下，也降低了器件的厚度；具有和JBS 二极管相同的正向导通特性，在导通过程中没有载流子注入，提高了器件单位面积下正向导通电流密度，有效改善了传统肖特基二极管中正向导通电阻随肖特基二极管阻断电压增加而迅速增加的问题。研究还发现超级结JBS 二极管的反向恢复速度甚至优于传统的单极型器件。超级结JBS 二极管增加了单极型器件的应用范围、进一步挖掘了材料潜能，更有利于器件集成化，为功率二极管的研发提供了新的设计思路。