n，p柱寬度對超結SiGe功率二極管電學特性的影響*

高 勇 馬 麗 張如亮 王冬芳

1)(西安理工大學電子工程系，西安 710048)2)(西安理工大學應用物理系，西安 710048)(2010年6月7日收到;2010年7月29日收到修改稿)

n，p柱寬度對超結SiGe功率二極管電學特性的影響*

高 勇1)馬 麗2)張如亮1)王冬芳1)

1)(西安理工大學電子工程系，西安 710048)2)(西安理工大學應用物理系，西安 710048)(2010年6月7日收到;2010年7月29日收到修改稿)

結合SiGe材料的優異性能與超結結構在功率器件方面的優勢，提出了一種超結SiGe功率二極管.該器件有兩個重要特點:一是由輕摻雜的p型柱和n型柱相互交替形成超結結構，取代傳統功率二極管的n－基區;二是陽極p+區采用很薄的應變SiGe材料.該二極管可以克服常規Si p+n－n+功率二極管存在的一些缺陷，如阻斷電壓增大的同時，正向導通壓降隨之增大，反向恢復時間也變長.利用二維器件模擬軟件MEDICI仿真分析得到以下結論:與相同結構尺寸的常規Si功率二極管相比較，20%Ge含量的超結SiGe功率二極管，反向阻斷電壓提高了1.6倍，正向壓降減小了約60 mV(正向電流密度為10 A/cm2時).雖然反向恢復時間沒有明顯減少，但反向峰值電流密度降低了17%，軟恢復特性也顯著提高，后者的軟度因子是前者的2倍多.超結部分的p型柱和n型柱寬度是器件設計中的重要結構參數，本文重點討論了該參數對器件電學特性的影響:柱區寬度越小，阻斷電壓越高，漏電流越小，但同時正向壓降有所增加.柱區寬度對反向恢復特性的影響沒有明顯的單調性，柱區寬度過小時會出現硬恢復現象.通過對該結構參數進行優化設計可以同時獲得低通態壓降、高阻斷電壓、快速恢復的特性.

超結，鍺硅二極管，n，p柱寬度，電學特性

PACS:73.40.Lq，85.30.Kr，85.30.De

1.引 言

在現代電力電子裝置中，作為其核心部分的電力電子器件(功率器件)雖然只占整機總價值的20%—30%，但它對提高整個裝置的各項技術性能指標起著十分重要的作用.對功率器件性能的要求一般有如下幾條:1)耐壓高;2)導通時電流密度大;3)導通時器件上壓降低;4)開關速度高;5)驅動功率小.功率器件中常用的開關二極管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都有重要作用.因此，設計性能優良的功率二極管顯得非常必要.SiGe材料由于具有許多優于Si材料的性能，如其載流子遷移率高［1］、能帶可調，其制作工藝又與成熟的Si工藝兼容等優點而成為備受矚目的硅基半導體材料.在異質結雙極晶體管(HBT)，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)、光電子器件等領域都取得了巨大的成就.SiGe器件在數字通信、單芯片射頻、全球定位、信號處理等領域都有重要應用.另外，SiGe材料在功率器件方面也有了越來越深入的研究［2—5］.SiGe Bi CMOS功率放大器已達到手機中功率放大器的要求，向傳統的GaAs基功率放大器的“一統天下”提出了挑戰.

為了降低功耗，要求功率半導體器件在阻斷狀態時能承受較高的電壓，在導通狀態時有較低的通態電阻.功率VDMOS為了滿足高耐壓，需要降低漂移區濃度或增大漂移區厚度，但導通電阻也隨之增大，其導通電阻與擊穿電壓呈2.5次方關系［6］.將傳統VDMOS中的n型漂移區替換為p柱和n柱相互交替形成的超結漂移區，很好地解決了導通電阻和擊穿電壓之間的矛盾，使其導通電阻與擊穿電壓呈1.32次方關系［7］.由此可見超結結構在提高擊穿電壓的同時可以減小導通電阻，有利于降低通態功耗，超結結構目前還主要是應用于功率 MOS器件中［8，9］.我們首次將 SiGe 材料與超結結構同時引入到功率開關二極管中，可顯著提高器件的各種電學特性.本文重點討論影響超結SiGe功率二極管各種特性的關鍵結構參數超結部分n，p柱的寬度.

2.器件結構及特性

2.1.器件結構

超結 SiGe功率二極管的結構(圖1(a)所示)與文獻［10］給出的超結雙極型晶體管相似，主要有兩個特點:一是p+層采用應變 SiGe材料，厚度很薄，30 nm左右;二是基區由p型柱和n型柱相互交替形成超結結構，如同多個pn結并聯在一起.超結結構中縱向存在p+n結和n+p結，橫向存在pn結，在縱向和橫向都建立了電場.為了提高耐壓，p柱和n柱中的電荷要完全平衡，并在擊穿之前p，n柱完全耗盡.為了更直觀地說明超結SiGe功率開關二極管的優異性能，本文還給出了相同結構尺寸的常規Si p+n－n+功率二極管(圖1(b)所示)的電學特性.

圖1 器件結構示意圖 (a)超結SiGe功率二極管;(b)常規Si功率二極管

超結SiGe功率二極管在數值模擬中遇到了很大的挑戰:一是超結部分由p型柱和n型柱相互交替形成，二是p+層采用很薄的應變SiGe材料，所以在數值模擬中不管是在垂直方向還是水平方向都需要更小的網格，網格數目是常規結構Si p+n－n+的數十倍，這為數值計算帶來了一定難度.為了準確反映實際情況，綜合已發表的文獻數據，采用了適用SiGe/Si異質結功率器件模擬的關鍵物理參數模型.以功能強大的二維器件模擬軟件Medici為基礎，對比分析了超結 SiGe功率二極管和Si功率二極管的電學特性優劣，重點討論了超結部分的p型柱和n型的寬度對超結SiGe功率二極管電學特性的影響規律.

2.2.器件特性

在反向阻斷特性模擬中，所加反向電壓的最大值為400 V，步長為10 V.正向導通特性模擬中所加最大正向電壓為1.6 V，步長為0.1 V.反向恢復特性模擬中，與二極管串聯的電阻為5 KΩ，電感為0.05 mH.首先使二極管正向導通，保持正向電流密度為100 A/cm2，然后關斷二極管，測試其反向恢復特性.圖2為相同結構尺寸的常規Si功率二極管與超結SiGe功率二極管的反向阻斷特性、正向導通特性以及反向恢復特性的比較曲線.兩種二極管的p+區厚度均為30 nm，摻雜濃度同為1×1019cm－3;n+區厚度均為2 μm，摻雜濃度同為1×1020cm－3.常規結構的Si二極管的基區厚度為14 μm，摻雜濃度為3 ×1015cm－3，寬度為 8 μm.超結 SiGe 二極管的超結區厚度為 14 μm，p，n柱的摻雜濃度均為 3×1015cm－3，兩柱的寬度 Wn和 Wp均為 4 μm，總寬度也為8 μm，SiGe材料中 Ge的含量為20%.

從圖2中可以看出，與Si功率二極管相比，超結SiGe二極管的各項電學性能指標均有明顯提高，尤其是反向阻斷電壓大幅度增加，從115 V增加到了303 V，提高了1.6倍(圖2(a)).超結中相互交替的p/n柱在垂直方向和水平方向上都建立了電場，總的電場分布是兩者共同作用下產生的，能夠大大增加器件的耐壓能力.這一點也可以從兩種二極管反向阻斷過程中電場線的分布看出(圖3，4所示)，超結SiGe二極管 p，n柱內的縱向電場線基本都為矩形，而Si二極管的電場線為三角形.也就是說，達到相同的耐壓容量，超結 SiGe二極管的厚度要遠小于Si功率二極管，而半導體器件的厚度是影響其總體損耗的最重要因素，厚度越小越有利于降低其功率損耗.

超結SiGe功率二極管在獲得高阻斷電壓的同時，正向導通壓降也降低了.如在正向電流密度為10 A/cm2的情況下，與Si二極管相比，正向壓降降低了約60 mV.p+(SiGe)/n－(Si)異質結主要特點是禁帶上移，即價帶帶階遠大于導帶帶階 ΔEV為 p+(SiGe)層中Ge的含量(本文中Ge的含量x=0.2).因而空穴的勢壘比電子的勢壘要高得多，通過勢壘的電流主要是電子電流，空穴電流可以忽略不計，導致SiGe二極管正向壓降降低.

圖2 常規結構Si二極管與超結結構SiGe二極管電學特性比較曲線 (a)反向阻斷特性;(b)正向導通特性;(c)反向恢復特性

對于應變SiGe層中電子遷移率，Rosenfeld等人在Caughey-Thomas模型的基礎上給出了一個溫度為300 K下的擬合公式［13］，該擬合公式與 Kay等［14］的計算結果以及 Manku等［15］的經驗公式符合得非常好.

其中，μp，0=400+29x+400x2cm2/V·s;μp，min=44 －20x+850x2cm2/V·s;N0=2.35×1017cm－3;β=0.9，NA仍為摻雜濃度，x為Ge的摩爾含量.

其中，μn，max=1350 cm2/V·s;μn，min=175 cm2/V·s;NA摻雜濃度，a1=－3.02;a2=－7.08;a3=53.08;N0=1.1×1017(1+14.65x)cm－3;β=5/8;x為 Ge的摩爾含量.

對于應變SiGe材料的室溫空穴遷移率為［16］

圖3 反向阻斷過程中超結SiGe二極管內縱向電場線的分布(a)n柱內縱向電場線的分布;(b)p柱內縱向電場線的分布

在Si材料中引入Ge后，載流子的遷移率增加了，可提高器件的開關速度，如圖2(c)所示，超結SiGe功率二極管的反向恢復時間略小于Si二極管的，軟度因子提高了1倍多，同時反向峰值電流密度也下降了17%.另外，采用超結結構后，空穴和電子可以分別通過p柱、n柱排出，也會導致反向恢復時間縮短.但是從后文中可以看出，如果超結部分的結構參數選取不當，反向恢復后期電流會迅速截止，有可能出現硬恢復特性.

圖4 反向阻斷過程中Si功率二極管的縱向電場分布

3.影響超結 SiGe功率二極管電學特性的重要參數——n，p柱寬度

為考察超結區n柱、p柱的寬度對器件特性的影響，柱區的摻雜濃度固定為3×1015cm－3，厚度固定為 14 μm，柱區寬度取值分別為 2，4，6，8 和10 μm.圖5為超結SiGe功率二極管的反向阻斷特性、正向導通特性以及反向恢復特性隨柱區寬度變化的關系曲線.

圖5(a)所示柱區寬度對器件的反向阻斷特性影響非常顯著，隨著柱區寬度的增加，阻斷電壓迅速下降，漏電流也有所增加.當柱區寬度由2 μm增大到8 μm時，阻斷電壓由310 V減小到了120 V左右，同時漏電流增加了約1個數量級.因此柱區寬度越小越有利于反向阻斷特性.從電場線的分布可以看出(圖6，7所示)，2 μm柱區寬度的二極管無論是n柱內還是p柱內，縱向平均電場均遠高于8 μm柱區寬度的二極管，這使得兩者達到相同的耐壓水平時，前者的器件厚度要小于后者.為了達到最大的耐壓，p/n柱中的電荷要完全平衡，并且在擊穿之前p/n柱需要完全耗盡.在器件制造中要做好超結結構p型柱和n型柱的幾何尺寸和摻雜濃度的控制，若不能做到電荷平衡，會使擊穿電壓明顯下降，這點在文獻［17，18］中也有所體現.

圖5 超結區n，p柱寬度對器件特性的影響 (a)反向阻斷特性;(b)正向導通特性;(c)反向恢復特性

圖5(b)顯示，隨著柱區寬度的增加，正向壓降降低，在大電流密度下下降趨勢更明顯一些.在100 A/cm2的正向電流密度下，當柱區寬度由2 μm增加到10 μm時，超結SiGe二極管的正向壓降降低了0.14 V.

圖5(c)顯示反向恢復特性受柱區寬度的影響并沒有明顯的單調性，當柱區寬度較小時(不超過6 μm時)，反向恢復時間隨柱區寬度增加而縮短，同時軟恢復特性變差，即關斷后期出現比較陡的電流跌落;當柱區寬度較大時(大于6 μm)，反向恢復時間隨寬度增加而略有增加.如果柱區寬度設計的不合理，會使軟恢復特性變得很差，例如由2 μm變為6 μm時，雖然恢復時間縮短了三分之一，但軟度因子減少了50%，出現硬恢復特性.為了改善軟恢復特性，降低工藝難度及減少器件制造成本，可采用半超結結構［19，20］.

圖6 柱區寬度為2 μm的超結SiGe功率二極管在反向阻斷過程的縱向電場線分布 (a)n柱內縱向電場線的分布;(b)p柱內縱向電場線的分布

圖7 柱區寬度為8 μm的超結SiGe功率二極管在反向阻斷過程的縱向電場線分布 (a)n柱內縱向電場線的分布;(b)p柱內縱向電場線的分布

綜合以上的結果可以看出，柱區寬度越小越有利于反向阻斷特性，而越不利于正向通態特性，兼顧考慮反向恢復特性，柱區寬度設計為4 μm是比較合理的.

4.結 論

超結SiGe功率開關二極管結合SiGe材料和超結結構的優越性能，很好地解決了導通壓降和反向耐壓以及反向恢復時間之間的矛盾.與相同結構尺寸的常規Si功率二極管相比，該器件能夠同時獲得更低的通態壓降，更快的開關速度和更高的阻斷電壓.超結區n/p柱寬度是影響器件各種特性的重要參數.n/p柱寬度對器件的反向阻斷特性有很大影響，柱區寬度越大，反向阻斷電壓越小，漏電流越高.正向壓降隨著柱區寬度的增加反而減小.反向恢復特性受這一結構參數的影響比較復雜，在柱區的摻雜濃度為3×1015cm－3的情況下:當柱區寬度不超過6 μm時，反向恢復時間隨柱區寬度增加而減小，但同時軟恢復特性變差;柱區寬度超過6 μm時，反向恢復時間隨柱區寬度增加而略有增加.該器件最大的優點是能夠大幅度提高反向耐壓，因此在耐壓要求一定的情況下，這種超結SiGe功率二級管的器件厚度與Si二極管相比可以大大減小，超結區摻雜濃度也可適當提高，這不僅可以進一步減小反向恢復時間和正向通態壓降，同時又非常有利于降低工藝制造難度和成本.超結結構和SiGe材料的引入為超結SiGe功率二級管的設計提供了更大的自由度，設計良好的超結SiGe功率二極管在很大程度上打破了所謂的“硅極限”.

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Effects of p and n pillar widths on electrical characteristics of super junction SiGe power diodes*

Gao Yong1)Ma Li2)Zhang Ru-Liang1)Wang Dong-Fang1)
1)(Department of Electronics Engineering，Xi’an University of Technology，Xi'an 710048，China)2)(Department of Applied Physics，Xi’an University of Technology，Xi'an 710048，China)(Received 7 June 2010;revised manuscript received 29 July 2010)

By combining merits of both SJ structure and SiGe material，a novel super junction(SJ)SiGe power diode is presented.The two important characteristics of SJ SiGe diode are its columnar structure of alternating p/n pillars substituting n－base region of conventional Si p+n－n+diode and its far thinner strained SiGe p+layer，which can overcome the drawbacks of conventional Si power switching diodes，such as when the reverse blocking voltage is higher，the forward voltage drop is larger and the reverse recovery time becomes longer.For the SJ SiGe diode with 20% Ge content，the following conclusions can be obtained compared with comparable conventional Si power diodes:the breakdown voltages increase by 1.6 times，the forward voltage drop is reduced by 60 mV(at a current density of 10 A/cm2)and the softness factor S increases by 2 times.Though the reverse recovery time is shortened slightly，the peak reverse current density decreases by 17%and the soft recovery characteristics is improved notedly.The key parameters of the p and n pillar widths have imporant effects on the forward conduction characteristic，reverse blocking characteristic and reverse recovery characteristic of SJ SiGe power diode.The smaller the pillar width becomes，the higher the breakdown voltage is and the lower the reverse leakage current is，whereas the forward voltage drop increases slightly.The pillar width has no obviously monotonic effect on the reverse recovery characteristic.If the width is too small，the soft reverse recovery characteristic is degenerated.To optimize the parameter of pillar width，we can obtain excellent SJ SiGe diode with fast recovery speed，high breakdown voltage and low forward drop at the same time.

super junction，SiGe diode，n，p pillars width，electrical characteristics

.E-mail:mali@xaut.edu.cn

*陜西省教育廳專項科研項目(批準號:09JK640)資助的課題.

.E-mail:mali@xaut.edu.cn

*Project supported by the Special Scientific Research Program of the Education Bureau of Shaanxi(Grant No.09JK640).

PACS:73.40.Lq，85.30.Kr，85.30.De