柵條狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)結(jié)勢壘肖特基整流器（JBSR）性能對比*

高樺，柴彥科，劉肅

（蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子所，蘭州730000）

柵條狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)結(jié)勢壘肖特基整流器（JBSR）性能對比*

高樺，柴彥科，劉肅*

（蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子所，蘭州730000）

柵條狀和蜂窩狀平面結(jié)構(gòu)的結(jié)勢壘肖特基整流管（JBSR）的不同之處在于其溝道有效面積的大小不同。從這兩種平面結(jié)構(gòu)的結(jié)勢壘肖特基整流管（JBSR）的工藝和電學(xué)特性來看，適當?shù)脑龃驤BSR器件的溝道有效面積，可使JBSR器件的擊穿電壓得到提高。蜂窩狀平面結(jié)構(gòu)JBSR器件的溝道有效面積較柵條狀器件的小，開啟電壓低，但反向耐壓不如柵條狀平面結(jié)構(gòu)JBSR器件，這可能是因為蜂窩狀器件的P+區(qū)的缺陷較于柵條狀結(jié)構(gòu)器件的多，同樣器件的I-V特性也與結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。

結(jié)勢壘肖特基整流器（JBSR）；溝道有效面積；電學(xué)特性；柵條形；蜂窩狀

肖特基二極管SBD（Schottky Barrier Diode）因接觸勢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、功耗小等優(yōu)點在較高耐壓的高頻電子電路等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但由于其能產(chǎn)生較大的飽和漏電和低的反向擊穿電壓，而p-n結(jié)二極管具有較高的反向擊穿和低漏電，所以Wiliamovski［1］和Baliga［2］首先使用了JBS（Junction Barrier Schottky）概念［3，4］。為了更好地改善高壓硅基整流器的正反向特性，Baliga［5］等提出了混合PIN/肖特基的MPS（Merged PIN/Schottky diode）二極管結(jié)構(gòu)。這兩種新型結(jié)構(gòu)器件的提出，有利地擴展了肖特基二極管的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在移動通信、電源及高頻大功率電子電路中的應(yīng)用。JBS和MPS基本結(jié)構(gòu)相同，隨著器件工藝的發(fā)展和性能的進一步提高，它們的區(qū)分也逐漸模糊，本文也將不做明顯區(qū)分。因平面型器件［6］具有易封裝、可靠性高和成本低等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，在本文中所提到的器件均為平面型器件。平面結(jié)構(gòu)的結(jié)勢壘肖特基整流器（JBSR）的剖面圖如圖1所示。

圖1　結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS/MPS）剖面圖

平面結(jié)構(gòu)的JBSR（Junction Barrier Schottky Rectifier）常用到的結(jié)構(gòu)是MOS（Metal Oxide Semi?conductor）器件和IGBT（Insulated Gate Bipolar Tran?sistor）器件等都有采用柵條形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠控制Si/SiO2界面下的導(dǎo)電溝道，使器件的耗盡層很平滑的延展到終端結(jié)。近年來又提出蜂窩狀［7］、環(huán)形狀［8］、疊置p+-p縱向型［9］、雙外延［10］、溝槽式［11］等新結(jié)構(gòu)。這些新結(jié)構(gòu)主要是通過增大器件的溝道有效面積來提高反向耐壓，也在不同程度上屏蔽肖特基結(jié)、減小漏電流、提高反向擊穿電壓。

由于電子比空穴的遷移率大，所以JBSR器件通常采用N型半導(dǎo)體材料作為襯底。又因高電阻率可以降低結(jié)電容和體電阻從而提高反向擊穿電壓，故在N+襯底上外延一高阻N-層作為JBSR器件的有源區(qū)。本實驗采用的是柵條形和蜂窩狀結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)的N型Si襯底的JBSR器件作為研究對象，并比較這些結(jié)構(gòu)的正反向I-V特性以及理想因子等，得出并驗證了適當增大JBSR器件的溝道有效面積，可在不改變器件漏電流的前提下，提高JBSR器件的擊穿電壓，也可以相應(yīng)的降低JBSR器件的開啟電壓，同樣JBSR器件的正反向I-V特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。

1　JBSR器件相關(guān)理論

當在JBSR器件上施加正向壓降較小時，PN結(jié)空間電荷區(qū)（即耗盡區(qū)）寬度變窄，由于肖特基結(jié)的開啟電壓比PN結(jié)低，因此先于PN結(jié)導(dǎo)通，電流主要流經(jīng)肖特基勢壘下的導(dǎo)電溝道，此時JBSR器件主要表現(xiàn)為肖特基二極管的特性［12，13］，如圖2中a段所示；當在JBSR器件上施加正向壓降較大時，PN結(jié)導(dǎo)通，正向電流不僅含有從肖特基勢壘下的導(dǎo)電溝道通過的電流，還有PN結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生的復(fù)合電流，且隨著正向電壓的增大，勢壘區(qū)的復(fù)合電流也越來越大，則此時JBSR器件主要表現(xiàn)為PN結(jié)二極管的特性，如圖2中b段所示［12-13］。

圖2　JBS、SBD、PIN I-V特性曲線圖

當在JBSR器件上施加反向壓降時，PN結(jié)的耗盡區(qū)將會向N型區(qū)擴展，隨著反偏電壓的增加，相鄰PN結(jié)的耗盡區(qū)就會連通，并從縱向向N+襯底擴展，導(dǎo)致夾斷肖特基導(dǎo)通溝道，此時JBSR器件主要表現(xiàn)為PN結(jié)二極管的特性［14］。

對于特定材料，JBSR器件的正向壓降除了與肖特基勢壘高度ФB有關(guān)外，還與肖特基寬度m、p+窗口寬度s、結(jié)深xj，橫向擴散以后的肖特基區(qū)域?qū)挾萪以及外延層的厚度t等有關(guān)。JBSR的反向漏電［15］是由肖特基勢壘區(qū)漏電流JLS和流經(jīng)P+-N結(jié)區(qū)的漏電流JLD。反向漏電流也與JBSR器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)緊密相連，因此通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到近似于PIN型整流器的反向漏電特性。JBSR器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖3中的JBSR元胞。

圖3　JBSR元胞剖面示意圖

2　實驗設(shè)計

2.1JBSR器件結(jié)構(gòu)及制備流程

圖4是柵條狀、蜂窩狀結(jié)構(gòu)的JBSR器件部分的正面圖和主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，器件分別記做M1（柵條狀，柵條為p+區(qū)，柵條外為N-襯底層，m= 42 μm，s=6 μm），M2（柵條狀，柵條為p+區(qū)，柵條外為N-襯底層，m=36 μm，s=6 μm），L1（蜂窩狀，圓內(nèi)為p+區(qū)，圓外為N-襯底層，m=36 μm，s=6 μm），L2（蜂窩狀，圓外為p+區(qū)，圓內(nèi)為N-襯底層，m=36 μm，s=6 μm），圖中虛線表示光刻時所刻的范圍，實現(xiàn)則表示的是注入并擴散后形成的結(jié)的范圍。柵條狀的元胞為兩個p+柵條以及柵條之間的外延襯底層，而蜂窩狀的元胞則為圖4d中的3個圓環(huán)組成的結(jié)構(gòu)及其之間的外延襯底層，這4種器件的有源區(qū)的面積是相同的。則M1，M2，L1，L2結(jié)構(gòu)的JBSR器件的肖特基接觸在整個有源區(qū)所占面積分別為67.8%，63.3%，，47.1%，36.6%。

圖4　幾種JBSR器件的正面圖及結(jié)構(gòu)參數(shù)

上述器件的版圖均采用L-edit11.0軟件繪制，再進行制版。這4種結(jié)構(gòu)均采用相同工藝，主要流程如下：①標準RCA清洗；②初始氧化；③第1次光刻形成N+注入窗口，并在該窗口進行離子注入，在1180℃環(huán)境退火3 h形成N+切斷環(huán)；④第2次光刻形成P+離子注入窗口，注入B+，1180℃退火5 h，同步形成的P+結(jié)和終端P+場限環(huán)；⑤第3次光刻形成肖特基接觸窗口，濺射NiPt合金，并經(jīng)硅化物熱處理后形成良好的肖特基接觸；⑥正面金屬Ti/Ti-W/Al濺射和蒸發(fā)，形成陽極；⑦減薄，背面金屬蒸發(fā)Ti/Ni/Ag以形成良好的歐姆接觸，并作為陰極；⑧采用直列式塑封TO-220封裝。

圖5為JBSR器件的4吋硅片制備圖和封裝樣片圖。

圖5　JBSR的制備和封裝樣片圖

2.2JBSR器件的正向I-V

特性器件的正向特性使用Tektronix TYPE576半導(dǎo)體特性圖示儀來測試，由2.1節(jié)知，M1，M2，L1，L2這4種結(jié)構(gòu)的JBSR器件的有源區(qū)面積均相同。當在JBSR器件上施加正向壓降較小時，主要表現(xiàn)為肖特基二極管的特性，即器件的正向電壓主要是肖特基勢壘壓降，即

其中2d=m-2W-2xj×85%，2d為電流通道寬度，可近似認為是一常數(shù)。

因此由式1知，在正向電流一定的前提下，若使結(jié)構(gòu)參數(shù)m增加，則VF也會相應(yīng)的減小。M2和L1，L2的JBSR器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)m，s均為36 μm，而柵條狀M1的結(jié)構(gòu)參數(shù)m，為42 μm，也就是M1的參數(shù)相對于M2，L1，L2器件的較大，則M1器件的開啟電壓應(yīng)比M2器件的小。從2.1節(jié)M1，M2結(jié)構(gòu)的JBSR器件的肖特基接觸在整個有源區(qū)所占面積大小相近，且遠大于L1，L2器件的，因此M1，M2的正向特性應(yīng)相似，且M2器件的開啟電壓應(yīng)大于M1器件的，具體如圖6中的M1、M2器件的開啟電壓與電流的I-V特性曲線。

圖6　JBSR器件正向I-V的特性

從圖6可知，L1，L2器件的開啟電壓小于M1器件的，這是因為這兩類蜂窩狀和柵條狀器件的實際肖特接觸的有效面積不同，導(dǎo)致其開啟電壓的不同。而當正向電流增大時，JBSR器件的正向壓降VF［16］實際上是由肖特基勢壘壓降和通態(tài)電阻上的歐姆壓降兩部分組成，即

又根據(jù)熱電子發(fā)射理論，JBSR器件的正向電流與正向電壓的關(guān)系式［17］為：

其中A為整流管的面積，A*為理查德森常數(shù)，ФB為肖特基勢壘高度，n為理想因子。因此，在JBSR器件上繼續(xù)施加正向電流時，正向電壓也會相應(yīng)的增加，而JBSR器件的正向壓降由主要是肖特基勢壘壓降部分逐漸變?yōu)閮刹糠郑ㄐぬ鼗鶆輭緣航岛屯☉B(tài)電阻上的歐姆壓降），隨著正向電流的增大，則通態(tài)電阻上的歐姆壓降可能成為正向電壓的主要影響因素，因此器件的溝道有效面積不能與器件電壓近似成比例，如表1數(shù)據(jù)顯示L2蜂窩狀結(jié)構(gòu)器件在10 A的正向電流下的正向壓降高于M2柵條狀結(jié)構(gòu)器件的正向壓降。

表1　柵條形和蜂窩狀JBSR器件的正向電流與正向電壓值對比表

圖7是在電壓為1 V下正向電流密度的對數(shù)值與電壓的關(guān)系圖，其中擬合曲線的斜率約為12，又在較低正向壓降時，理想因子n［18］可以由

得出，故這幾種結(jié)構(gòu)JBSR器件的理想因子均約為3.2。

圖7　正向電壓下的理想下的lnJ-V曲線

2.3JBSR器件的反向I-V特性

當JBSR器件處于反向偏壓狀態(tài)時，所呈現(xiàn)的是PN結(jié)二極管的特性，PN結(jié)的耗盡區(qū)將會向N型區(qū)域擴展，隨著反向偏壓的增加，相鄰的PN結(jié)的耗盡區(qū)就會相連通，并在縱向上向N+襯底擴展，導(dǎo)致夾斷肖特基導(dǎo)通溝道，而形成的連通耗盡層將承擔大部分偏壓，因此JBSR器件的反向耐壓主要取決于漂移區(qū)摻雜濃度和厚度，即

而其反向I-V特性的理論除了熱電子發(fā)射理論，耗盡層近似理論，還有熱離子場致發(fā)射、以及靜電發(fā)射等理論［19-20］。

本次反向測試采用的是DW4822晶體管特性圖示儀。圖8為本次試驗中柵條形和蜂窩狀的JB?SR器件的反向I-V特性曲線。對于同一基片上的所有器件的擊穿電壓在理想情況下應(yīng)均相同，但影響反向擊穿電壓不僅和摻雜濃度有關(guān)，也和表面態(tài)（比如缺陷等）［20］、金屬化系統(tǒng)（比如Al電遷移等）等因素有關(guān)［21］，所以同一基片上的器件擊穿電壓不一定都相同。

圖8　JBSR器件反向I-V特性

在本次同一批硅片的試驗中，在漏電流均為50 μA以下時，在同一硅基片上的M1、M2、L1、L2結(jié)構(gòu)器件的擊穿電壓最大值和最小值見表2。從表2中看出，柵條形結(jié)構(gòu)JBSR器件的擊穿電壓的最大與最小值的差比蜂窩狀結(jié)構(gòu)的小一半，這說明柵條形結(jié)構(gòu)JBSR器件的一致性比較好，且受工藝過程中的不良因素影響相對較小。

表2　柵條形和蜂窩狀結(jié)構(gòu)JBSR器件的反向電壓的最大值和最小值以及其差值

3　結(jié)論

本文主要介紹了JBSR器件的柵條型和蜂窩狀的平面結(jié)構(gòu)的工藝以及電特性。在正向電流小于2 A時，器件溝道有效面積的大小與開啟電壓的大小成反比，因此開啟電壓最低的是L2蜂窩狀結(jié)構(gòu)器件；在正向電流大于2 A時，肖特基勢壘壓降與通態(tài)電阻上的歐姆壓降所占比例有所不同，而且后者所占比例將隨著正向電流的增大而增大，故出現(xiàn)L2蜂窩狀結(jié)構(gòu)JBSR器件在10 A的正向電流下的正向壓降高于M2柵條狀結(jié)構(gòu)JBSR器件的正向壓降。在反向電流下，由于擊穿電壓受表面態(tài)等其他因素較大，因此受表面態(tài)等其他因素較小的柵條狀平面結(jié)構(gòu)的擊穿電壓會比受表面態(tài)等其他因素較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的JBSR器件的高，且不易受到工藝過程中不良因素的影響而導(dǎo)致一致性變差。

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高樺（1990-），女，在讀碩士研究生，主要研究方向為半導(dǎo)體器件與集成電路及其相關(guān)研究，gaoh13@lzu.edu.cn；

劉肅（1953-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為半導(dǎo)體器件與集成電路，寬禁帶半導(dǎo)體薄膜材料及器件，有機發(fā)光器件等。

Gridline and Honeycomb Structure of Junction Barrier Schottky Rectifier（JBSR）Performance Comparison*

GAO Hua，CHAI Yanke，LIU Su*
（Institute of Microelectronics，School of Physical Science&Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Gridline and honeycomb planar structure Junction Barrier Schottky Rectifier（JBSR）is different in the dif?ferent sizes of its channel effective area.From the two planar structure of Junction Barrier Schottky Rectifier of the process and electrical characteristics，the appropriate to increase the channel effective area of Junction Barrier Schottky Rectifier，the breakdown voltage of Junction Barrier Schottky Rectifier might be improved.The channel ef?fective area of the honeycomb planar structure of Junction Barrier Schottky Rectifier is smaller than the gridline structure，lower forward voltage，but not as better as the reverse breakdown voltage of the gridline planar structure Junction Barrier Schottky Rectifier，this may be because the P+region defects in the honeycomb structure of Junc?tion Barrier Schottky Rectifier are more than the gridline structure devices，likewise closely related to the I-V char?acteristic and structure parameters of the device.

Junction Barrier Schottky Rectifier（JBSR）；the channel effective area；electrical characteristics；grid?line；honeycomb

TN315.2；TN314.2

A

1005-9490（2016）02-0258-06

EEACC：2560H10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.005

項目來源：甘肅省科技支撐計劃項目（1204GKCA062）；甘肅省功率半導(dǎo)體及光電器件工程實驗室創(chuàng)新能力建設(shè)項目（甘發(fā)改投資［2014］813號）

2015-05-08修改日期：2015-06-10