JBS結構肖特基整流器

唐 冬，劉 旸，徐 衡

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

JBS結構肖特基整流器

唐 冬，劉 旸，徐 衡

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

介紹了結勢壘控制肖特基整流管（Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier，JBS）的結構原理，論述了JBS結構肖特基整流器的正向特性和反向特性，通過對擴散掩膜尺寸m和擴散P＋區時窗口寬度S的工藝模擬，歸納出m、s變化對器件參數正向壓降和反向漏電流密度的影響。并通過實際產品進行驗證，得出JBS結構肖特基整流器漏電流小的特點，利于功率肖特基二極管得到更廣泛的應用。

結勢壘控制肖特基整流管；正向壓降；反向漏電流密度

1 引 言

功率肖持基二極管（PowerSBD）由于正向壓降低、功耗小、開關速度高，在直流低壓大電流領域得到了廣泛應用。但是，PowerSBD的低壓降、小功耗是以低勢壘為前提的。較低的勢壘高度會使器件反向漏電流增加，最高工作溫度降低。為了解決Power SBD正反向特性之間的矛盾，使其既具有低壓降，又有較小的反向電流，必須對PowerSBD的器件結構加以改進，結勢壘控制肖特基整流管（Junction-Barrier-controlledSchottky-Rectifier，JBS）就是為解決這一問題提出的一種新型肖特基勢壘整流器件。

2 JBS結構原理

JBS是在普通PowerSBD的漂移區集成多個梳狀的p-n結柵，見圖1。結柵相鄰P區之間的電流通道設計成在零偏和正偏時，保證不被夾斷，允許正向電流通過柵間電流通道從器件的陽極流到陰極；在反偏時，當反偏壓超過幾伏時，p-n結柵相鄰的結耗盡區交迭，引起耗盡層穿通。耗盡層穿通后將在溝道中形成勢壘，并使耗盡層向n-襯底擴展。因此勢壘層屏蔽了外加電壓對肖特基勢壘的影響，防止了肖特基勢壘降低現象的發生。

圖1 JBS結構示意圖

3 JBS結構關鍵參數

3.1 正向特性

正向特性可根據熱電子發射理論并結合器件結構的幾何尺寸進行解析分析。為討論方便，采用JBS單胞結構如圖2所示。s是擴散p＋區時的窗口寬度，m是擴散掩膜尺寸，xj為P＋-n結的結深，t為外延層厚度。

圖2 JBS單胞結構圖

JBS的正向壓降為肖特基勢壘部份和外延層上壓降之總和。定義肖特基勢壘壓降為VFS，外延層上壓降為VFP，經計算得：

即JBS的正向壓降：

式中：φB為肖特基勢壘高度，JFC為正向電流密度，A*為有效理查遜常數，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，q為電子電荷。2d是VF的函數，故（3）式不是正向壓降的解析解。然而，JBS實際工作在較低的正向壓降下，2d隨VF的變化很小，故可近似認為2d是一常數。因此，由（3）式可求解JBS的正向J-V特性。

3.2 反向特性

JBS的反向阻斷模式如圖3所示。

圖3 JBS反向阻斷模式

經計算得出JBS的反向電流為：

可以看到JBS的反向電流由兩部分組成，第一個分量漏電流JLS是穿過肖特基勢壘的載流子注入，主要發生在低電壓下，與勢壘高度φB和場強有密切關系。第二個分量是P-n結耗盡區產生電流與擴散電流分量JLD，它們與少子壽命τ有密切關系。上式說明，JBS的反向電流除了與勢壘高度φB有密切關系以外，還與器件的結構參數、材料特性有關。

當JBS反向偏置時，在反向電壓Vr小于夾斷電壓VP時，反向漏電流的大小主要決定于（4）式的前半部分。可以看出，當金屬和半導體材料選定之后，金半接觸的勢壘高度φB為一定值。調節擴散P＋區時的窗口寬度s和擴散掩膜尺寸m，可以得到不同的反向漏電流。

當反向電壓大于夾斷電壓時，肖特基下的耗盡層發生交疊，引起耗盡層穿通。耗盡層穿通后將在溝道中形成勢壘。如果所加電壓繼續增加，則增加的壓降都將落在勢壘層上，并使耗盡層向n＋襯底區擴展。當穿通條件建立時，隨反偏壓的增加，漏電流將在雪崩擊穿點的出現前基本保持不變，此時的反向漏電流只由（4）式后半部分決定。此時JBS整流管的反向漏電流與器件所選材料的特性有關。

3.3 m、s的變化對器件正向壓降和反向漏電流密度的影響

為了控制芯片面積，S值不宜取的過大，就本工藝線條件來說，s最小只能取到2μm，所以在本器件的設計過程中我們將s的值取為2μm。對JBS來說，其在正偏和零偏條件下必須有導電溝道，以使電流能夠從陽極流到陰極，零偏條件下溝道自然耗盡層寬度w0＝1.14μm。由此，可以確定出不同結深下m的取值范圍。

從上面的分析可以看出，JBS整流管的正向壓降和反向漏電流密度與m和s有直接關系。以xj＝2μm為例，來討論m、s的變化對器件正向壓降VF和VR＝1V時反向漏電流密度JL的影響。以s為參變量，通過工藝軟件Silvaco模擬得出下表1，給出了m、s變化對VF和JL的影響。

從表1可以看出，在s不變的情況下，隨m值增大，VF減小，JL明顯上升，這是因為隨m值增大肖特基勢壘所占的比例隨之加大；另外，由于m增大，溝道寬度2d亦隨之增大，使溝道部份的串聯電阻減小，正向壓降降低。在反向偏壓未夾斷溝道的情況下，由于串聯電阻上壓降減小，肖特基勢壘上的反向偏壓增加，使漏電流上升。在m不變的情況下，隨著s減小，VF減小，JL增大，但它們減小和增大的幅度都很小。可見，m的大小是導電溝道夾斷之前影響VF和JL的關鍵因素。

表1 m、s的變化對VF和JL的影響

4 產品驗證

根據JBS結構特點，進行了8A，45V的產品研制。整體采用溝槽結構，如圖4布局。

圖4 JBS結構布局

工藝中采用NiCr做為勢壘金屬，工藝過程得到的產品參數滿足下面的測試條件。

正向導通電壓VF≤0.55V＠8A，25℃；

反向擊穿電壓VB≥45V；

反向漏電流IR≤10μA；

對于反向漏電流一項，實測IR＝6μA，如果不采用JBS結構，8A的產品采用同樣的工藝條件，IR＝80μA，可以看到JBS結構對反向漏電流的控制小近10倍，進而滿足肖特基功率二極管在高結溫環境下使用。

5 結束語

通過理論分析和實驗驗證，證明JBS結構肖特基整流器的優點，使肖特基功率二極管在高結溫環境中得到應用。

衷心感謝研究所芯片加工中心所有工作人員對工藝研發和生產流片的大力支持。

［1］B.J.Baliga.Schottky Barrier Rectifiers and Methods of Forming the Same［J］.U.S.Patent 5，612，567，March 18，1997.

［2］［美］巴利加（Baliga，B.J.）.功率半導體器件基礎［M］.韓鄭生，等譯.北京：電子工業出版社，2013.

［3］Hower P L，Weaber L E.The APIN Rectifier，a New Fast-Recovery Diode［J］.IEEE PESC’88 Record.709-17（1988）.

Study on JBS Structure Schottky Rectifier

TANG Dong，LIU Yang，XU Heng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

This paper introduces the structure principle of Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier（JBS）and discusses the forward and reverse characteristics of schottky rectifier in JBSstructure.By process simulation for diffusion mask size（m）and p＋zone window width（s），the effects on the forward voltage drop and reverse leakage current density，performed by the change of m and s device parameter，are described.The product is verified that the characteristics of schottky rectifier in JBS structure with low current leakage are concluded，so the power SBD can be used widely.

Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier；Forward voltage drop；Reverse leakage current density

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.004

TN4

：A

：1002-2279（2014）05-0011-03

唐冬（1981-），男，遼寧凌海人，學士學位，工程師，主研方向：肖特基二極管。

2014-01-08