10 A/600 V大功率硅基JBS肖特基二極管的制備*

陳菩祥,高 樺,李海蓉,劉 肅

(蘭州大學(xué)微電子所,蘭州 730000)

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10 A/600 V大功率硅基JBS肖特基二極管的制備*

陳菩祥,高 樺,李海蓉,劉 肅*

(蘭州大學(xué)微電子所,蘭州 730000)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)肖特基二極管漏電流大和反向耐壓低的不足,采用柵條P+-N結(jié)和肖特基結(jié)嵌套形成結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(JBS),終端結(jié)構(gòu)由7道場(chǎng)限環(huán)和1道切斷環(huán)構(gòu)成。通過模擬確定最優(yōu)參數(shù)后流片試驗(yàn),同步制備肖特基二極管(SBD)和PiN二極管作為對(duì)比。結(jié)果表明:制備的JBS二極管兼?zhèn)銼BD二極管正偏和PiN二極管反偏的優(yōu)點(diǎn)。在漏電流密度小于1×10-5A/cm2時(shí),反向耐壓達(dá)到600 V;正向電流10 A(80.6 A/cm2)時(shí),導(dǎo)通壓降僅為1.1V。

肖特基二極管;結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管;柵條結(jié)構(gòu);場(chǎng)限環(huán);反向耐壓600 V

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展,電子消費(fèi)在我們生活中占有比例越來越高,對(duì)應(yīng)的電力能源損耗則成了亟待解決的問題。在功率電子系統(tǒng)中功率損耗尤為突出,例如在高頻高壓電力傳輸、電源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器以及開關(guān)整流等領(lǐng)域。肖特基二極管(SBD)因接觸勢(shì)壘低且不存在少子注入和過剩載流子的抽取和復(fù)合等物理過程,具有閾值電壓低、功耗小、開關(guān)速度快(10 ns以內(nèi))以及頻率高等優(yōu)點(diǎn),在上述領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但其較大的飽和漏電流密度和低的反向擊穿電壓(VR<150 V),致使其應(yīng)用范圍受到很大的限制。為了克服以上不足,1984年Baliga B J等人提出了結(jié)勢(shì)壘肖特基結(jié)二極管(JBS)[1]和PiN/肖特基組合二極管(MPS)[2],結(jié)構(gòu)截面示意圖類似如圖1所示。兩者正向工作在肖特基二極管模式,且在較大正偏壓時(shí),通過P+-N結(jié)向漂移區(qū)注入少數(shù)載流子調(diào)制電導(dǎo),保持低的正向壓降。具有開關(guān)速度快、閾值電壓低、功耗小的優(yōu)點(diǎn);在反偏狀態(tài)下,借鑒JFET導(dǎo)電溝道夾斷原理,將肖特基接觸完全屏蔽,提高了反向耐壓,減小了反向漏電流。此兩種新型結(jié)構(gòu)器件的提出,拓展了肖特基二極管在高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

近年來,多種新型結(jié)構(gòu)的高壓大功率肖特基二極管見諸報(bào)道[3-8]。諸多研究都著眼于新型材料(SiC/GaN/金剛石)寬禁帶、高載流子遷移率、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)上,著力開發(fā)研究大功率高壓器件。而在中低壓應(yīng)用領(lǐng)域,硅材料器件低廉的材料成本、成熟的制造工藝等因素,性價(jià)比明顯優(yōu)于相應(yīng)的新型材料器件,但有關(guān)硅材料高壓器件的研究報(bào)道鮮見。

基于此,本文在蘭州大學(xué)微電子研究所劉肅、王朝林、王一凡等[9-10]成功研發(fā)10 A(300 V～400 V)硅基JBS二極管的基礎(chǔ)上,優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),有源區(qū)用柵條結(jié)構(gòu)取代蜂窩結(jié)構(gòu),場(chǎng)限環(huán)由2道增加至7道。通過仿真模擬,確定了最佳參數(shù)和工藝流程,流片制備的器件在保持大導(dǎo)通電流的同時(shí)降低了正向壓降,而且反向耐壓大幅度提升,達(dá)到理想PN平面結(jié)的75%。

圖2 JBS二極管反向耐壓755 V時(shí),器件右半邊對(duì)應(yīng)(a)電勢(shì)、(b)電勢(shì)差以及(c)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

1 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬

器件結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。幾何參數(shù):有源區(qū)面積A為3 450 μm×3 450 μm,其中肖特基結(jié)寬m,P+擴(kuò)散結(jié)寬s,沿用文獻(xiàn)[9-10]的取值,分別為36 μm和6 μm。為削弱結(jié)終端曲率效應(yīng)和切斷表面反型溝道,附加了7道P+場(chǎng)限環(huán)和一道N+切斷環(huán)[11-13],硅外延總厚度t,P+擴(kuò)散結(jié)深Xj。

圖1 JBS二極管剖面圖

為快速優(yōu)化各設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),我們運(yùn)用半導(dǎo)體工藝及器件模擬仿真工具Silvaco TCAD主要針對(duì)器件反向耐壓特性進(jìn)行仿真模擬。通過反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn),優(yōu)化各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),最終得到表1所示的優(yōu)化參數(shù),對(duì)應(yīng)器件最大反偏壓達(dá)到755 V,此終端結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果達(dá)到了理想PN平面結(jié)的93%。對(duì)應(yīng)電場(chǎng)和電勢(shì)分布如圖2所示:由電勢(shì)圖2(a)可知,引入多道場(chǎng)限環(huán)后,水平方向耗盡區(qū)被很好的拓寬,向理想平面結(jié)靠近;圖2(b)顯示各道環(huán)上電勢(shì)降落情況,電勢(shì)降從主結(jié)到各道場(chǎng)限環(huán)由最初的50 V遞增到200 V,此模擬結(jié)果很好的驗(yàn)證了各理論模型[11-14];圖2(c)為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖,各道環(huán)靠主結(jié)內(nèi)側(cè)電場(chǎng)出現(xiàn)極小值,環(huán)外側(cè)電場(chǎng)出現(xiàn)極大值,臨界場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了2.8×105V/cm,此時(shí)主結(jié)與7道場(chǎng)限環(huán)幾乎同時(shí)擊穿;這是因?yàn)閷?duì)于某道場(chǎng)限環(huán)而言,其靠近主結(jié)內(nèi)側(cè)自身場(chǎng)強(qiáng)與主結(jié)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)水平分量方向相反互相削弱,而外側(cè)各場(chǎng)強(qiáng)水平分量同向疊加增強(qiáng),所以擊穿發(fā)生在各道環(huán)外側(cè)擴(kuò)散結(jié)拐角尖銳處。

表1 場(chǎng)限環(huán)環(huán)間距Li和環(huán)寬Ri參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)

外延材料采用中電集團(tuán)46所生產(chǎn)的電阻率為0.001 Ω/cm～0.005 Ω/cm的n型Si片上,外延生長(zhǎng)As摻雜n型外延層,摻雜濃度為2.68×1014cm-3、厚度為64 μm。制備主要工藝流程如下:①標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗;②初始氧化;③第1次光刻形成磷(P)離子注入窗口,離子注入劑量為5×1015ion/cm2的磷(P)后,在1180 ℃環(huán)境中退火3 h形成N+切斷環(huán);④第2次光刻形成硼(B)離子注入窗口,離子注入劑量為3.5×1015ion/cm2的硼(B)后,在1180 ℃環(huán)境中分3批分別退火5 h,同步形成結(jié)深Xj=8 μm的P+條狀結(jié)構(gòu)和兩道P+場(chǎng)限環(huán);⑤第3次光刻形成肖特基接觸窗口,在真空度為5×10-5Pa,溫度120 ℃環(huán)境下濺射NiPt合金,經(jīng)硅化物熱處理后形成良好的肖特基接觸;⑥正面金屬TiW/Al(1 000 ?/3 000 ?)蒸發(fā),形成陽(yáng)極金屬;⑦減薄后,背面金屬蒸發(fā)Ti/Ni/Ag(1150 ?/3 000 ?/12 000 ?),以形成良好的歐姆接觸。

使用泰克370B半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和吉時(shí)利2410數(shù)字源表對(duì)器件電特性進(jìn)行測(cè)試分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 反向I-V特性

在反向偏置狀態(tài)下,隨著反偏壓的增加,圖1中條狀P+-N結(jié)耗盡區(qū)逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展。反偏壓較小時(shí),P+-N結(jié)耗盡區(qū)還不足以完全屏蔽肖特基接觸,漏電流主要由流經(jīng)肖特基勢(shì)壘的多數(shù)載流子形成,考慮到肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng)[14],反向漏電流可表示為(1)[15]:

(1)

隨著反偏壓的進(jìn)一步增大,P+-N結(jié)耗盡將導(dǎo)電溝道夾斷并出現(xiàn)重疊,形成有效的耗盡層,此耗盡層將承擔(dān)進(jìn)一步增加的電壓,且屏蔽了肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng),抑制漏電流進(jìn)一步增大,反向漏電流由流過P+-N結(jié)耗盡層的擴(kuò)散電流IRD和產(chǎn)生電流IRG兩部分組成,由下式給出:

IS=IRD+IRG

(2)

式中:D是擴(kuò)散系數(shù),A為JBS有源區(qū)面積,τ為載流子壽命,ni為本征載流子濃度,ND為漂移區(qū)摻雜濃度,W為P+-N結(jié)耗盡區(qū)寬度。

從圖3器件反向I-V特性可知:相比較傳統(tǒng)肖特基SBD二極管,引入P+-N條狀結(jié)構(gòu)的JBS二極管反向特性類似PiN二極管,相比前者450V提高到了610V,達(dá)到理想平面結(jié)擊穿電壓800V的75%,且漏電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),小于1×10-5A/cm2。

圖3 3種二極管反向特性圖:JBS、SBD、PiN耐壓分別為610 V、450 V和700 V

3.2 正向I-V特性

JBS二極管正向壓降由肖特基接觸勢(shì)壘和N基區(qū)電阻壓降兩部分組成,由熱電子發(fā)射理論[15]決定:

(3)

其中,φB為肖特基勢(shì)壘高度,JFC為每個(gè)肖特基結(jié)正向?qū)娏髅芏?ρ為外延層電阻率,s為擴(kuò)散窗口寬度,m為掩膜窗口寬度,t為外延層厚度,2d=m-2w-2×α×xj為零偏壓肖特基節(jié)寬(w為零正偏電壓下耗盡層寬度,α為橫向擴(kuò)散系數(shù),xj為結(jié)深)。

圖4 耐壓610 V JBS以及對(duì)應(yīng)Schottky、PiN 3種二極管正向I-V特性曲線圖

圖4為3種二極管實(shí)測(cè)正向I-V特性曲線。從圖中我們可以看出:JBS二極管正向特性類似SBD二極管,開啟電壓0.4V明顯小于PiN二極管。在正向電流10A(80.6A/cm2)時(shí),導(dǎo)通壓降為1.1V,小于理論計(jì)算值1.4 V,這是因?yàn)槲覀冇?jì)算時(shí)并未考慮正向?qū)顟B(tài)下,耗盡區(qū)變窄,肖特基結(jié)比例增加,以及P+-N極少數(shù)少子注入引起的導(dǎo)通串聯(lián)電阻減小情況。但當(dāng)通入較大電流(J>80 A/cm2)時(shí),JBS和Schottky二極管對(duì)應(yīng)壓降增長(zhǎng)明顯快于PiN二極管,有超過PiN二極管壓降的趨勢(shì),這是由于PiN二極管開啟后,少數(shù)載流子注入N基區(qū),調(diào)制效應(yīng)降低了外延電阻率,從而降低了導(dǎo)通壓降,而Schottky不存在少子注入,以及JBS極少數(shù)少子注入對(duì)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)甚微,所以二者壓降隨電流增速較快。

4 結(jié)論

本文給出了JBS整流二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬和制備工藝,并測(cè)試分析了所制備器件的靜態(tài)I-V特性。結(jié)果表明:所制備的JBS二極管開啟電壓在0.4 V左右,在正向電流為10 A(80.6 A/cm2)時(shí),壓降僅為1.1 V;漏電流密度為1×10-5A/cm2時(shí),反向耐壓達(dá)到了600 V以上。

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陳菩祥(1985-),男,漢族,甘肅隴南人,蘭州大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件與集成電路設(shè)計(jì);

劉肅(1953-),男,回族,河北,蘭州大學(xué),教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體器件與集成電路、電力電子器件、寬禁帶半導(dǎo)體薄膜材料及器件、有機(jī)發(fā)光器件及薄膜光伏電池等。

FabricationofHigh-Power10A/600VSi-BasedJunctionBarrierSchottky(JBS)Diode*

CHENPuxiang,GAOHua,LIHairong,LIUSu*

(Instituteof Microelectronics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

To compensate the high leakage current and low reverse breakdown voltage of conventional Schottky diode,a JBS diode structure was formed by combining strip P+-N junction grids and Schottky junction,which terminated by seven floating field limiting rings(FGRs)and one cutoff ring structure. Simulation was utilized to determine the optimized parameters in fabrication,SBD and PiN diode were fabricated as contrast. The results showed that JBS diodes behave similar to SBD diodes in the on-state while reverse characteristics similar to PiN diodes. The obtained JBS diodes were capable of blocking up to 600 V when the leakage current density was less than 1×10-5A/cm2,and the forward voltage drop at a current density of 80.6 A/cm2is 1.1 V

SBD diodes;JBS diodes;gridstructure;field guarding rings;breakdown voltage 600 V

項(xiàng)目來源:甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1204GKCA062)

2013-12-20修改日期:2014-01-19

TN315.2

:A

:1005-9490(2014)06-1026-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.003