斜面終端結構對二極管反向雪崩電流耐量影響的研究

王志忠，關艷霞

（沈陽工業大學信息科學與工程學院, 沈陽110870）

1 引 言

為了提高二極管的雪崩功率，一般可以從兩個方面考慮，一是避免出現負微分電阻效應，二是增大承擔雪崩電流的面積。對于避免負微分電阻的出現，現已經提出很多種方法，有采用擴展正微分電阻來補償負微分電阻的非穿通結構方法[1]；有在滿足擊穿電壓時盡可能提高襯底摻雜濃度的方法，摻雜濃度高，通過PN 結發生雪崩產生的移到NN+結的電子不易高于施主離子濃度，在NN+結處的電場分布不會發生明顯變化，從而峰值電場強度不會太高，不易在NN+處發生雪崩，二極管也就不易損壞[2-4]；有在襯底且靠近N+區添加緩沖層的方法，利用緩沖層來降低NN+結處的電場強度，抑制雙雪崩的發生，緩解負微分電阻的出現[5-6]。

對于增大承擔雪崩電流的面積，也就是使雪崩電流盡可能發生在體內，一般中小型功率二極管都采用了P 面腐蝕的斜面終端結構。為了提高雪崩功率所采用的P+PNN+結構，其他文獻已有闡述[7-8]，故此主要從斜角終端結構對雪崩電流的影響入手，分析其對雪崩電流的影響。

2 傳統斜角終端雪崩特性分析

2.1 傳統工藝形成的器件結構

傳統二極管器件，考慮經濟因素以及有效面積的情況，一般都是從P 型面腐蝕，形成負斜角終端結構。對于普通二極管來說，負斜角終端對其影響不大，但對于功率二極管，必須考慮邊緣終端對其造成的影響。

在傳統工藝的簡要形成過程中，須在清洗好的晶圓的一側涂上含磷的雜質溶劑，經過高溫擴散形成N+區；采用吹沙和清洗結合的方法，清理晶圓另一面的污染物，在該清潔面涂上含有硼、鋁的雜質溶劑，進行二次高溫擴散。因鋁的擴散系數高于硼的擴散系數，即形成較深的鋁結，最終形成P+PNN+的結構。隨后從P 型面進行曝光、顯影，并以濕法刻蝕的方法形成負斜角終端結構，如圖1 所示。最后進行鈍化保護、鍍鎳金、劃片、檢驗等步驟，形成二極管芯片。

圖1 負斜角斜面終端結構實物圖

2.2 雪崩特性的仿真分析(傳統斜角)

用Silvaco TCAD 仿真軟件來模擬仿真傳統結構二極管的雪崩特性，根據實際結構，建立P+PNN+層以及負斜角終端的二極管結構，選用SRH 復合、俄歇復合、禁帶變窄、載流子-載流子散射、碰撞電離模型進行反向擊穿的仿真。

當二極管發生雪崩擊穿時，在空間電荷區中，取不同位置即體內與邊緣終端處的電場強度作對比，對比情況如圖2 所示。從圖中可以看出，體內最大電場強度大約為1.9×105V/cm，而邊緣終端表面處的最大電場強度約為2.25×105V/cm，很明顯體內最大電場強度小于邊緣終端處的電場強度，從而邊緣終端表面處先發生雪崩。雪崩擊穿時的電流分布如圖3 所示，從圖中可以看出，雪崩擊穿時的電流密度主要發生在邊緣終端表面處。

圖2 體內與邊緣電場強度對比圖(傳統斜角)

圖3 電流密度分布圖(傳統斜角)

由上述分析可知，采用負斜角終端結構的二極管，在反向擊穿時，邊緣終端處的電場強度最大，導致電流主要發生在邊緣處，而邊緣承受電流的面積較小，從而通過邊緣處的電流密度較大，預計其雪崩電流耐量較弱。故此為提高雪崩電流耐量，應采用正斜角終端結構二極管。

3 正斜角雪崩特性分析

3.1 正斜角結構二極管工藝

形成正斜角終端的工藝，主要是在刻蝕工序進行的。其他工藝步驟與傳統二極管相同。在刻蝕工藝步驟中，先在N 面涂抹光刻膠，并進行曝光、顯影，形成所需要刻蝕的圖形，然后在溫度為-10℃～1℃的混合硅酸溶液中進行第一次刻蝕，其深度為目標深度的十分之一；其后，在溫度為-8℃～0℃的混合硅酸溶液中進行第二次刻蝕，此次直接刻蝕到目標深度。最終所形成的邊緣終端結構如圖4 所示。

圖4 正斜角斜面終端結構實物圖

3.2 雪崩特性的仿真分析(正斜角)

用Silvaco TCAD 仿真軟件來模擬仿真二極管的雪崩特性，根據實際結構，建立P+PNN+層以及正斜角邊緣終端的二極管結構，選用SRH 復合、俄歇復合、禁帶變窄、載流子-載流子散射、碰撞電離模型進行反向擊穿的仿真。

仿真結果如圖5 所示。可以看出，體內最大電場強度大約為1.93×105V/cm，而邊緣終端表面處的最大電場強度約為1.45×105V/cm。很明顯體內最大電場強度大于邊緣終端處的電場強度，從而體內先發生雪崩。此種情況下的電流分布如圖6 所示。

圖5 體內與邊緣電場強度對比圖(正斜角)

圖6 電流密度分布圖(正斜角)

從圖中可以看出，雪崩擊穿時的電流密度主要發生體內。從而可知，邊緣終端采用正斜角時，反向擊穿發生在體內，由體內承擔主要的電流；電流發生在較大的面積處，所以電流密度較小，二極管能承受較大的雪崩電流。從仿真結果來看，正斜角終端結構的二極管有利于提高雪崩電流耐量。

4 測試結果與分析

為了對比正、負斜角工藝下雪崩電流能力的不同，對兩種不同結構下發生的雪崩擊穿電流的耐量進行測試。在正、負斜角良品中各隨機抽取7 支二極管，測試雪崩電流。測得到數據如表1 所示。

表1 雪崩電流抽樣測量值

從實驗數據中可明顯看出，正斜角終端結構的雪崩電流值普遍明顯大于負斜角終端結構的雪崩電流值。實驗數據與上述理論分析相吻合。如仿真分析所預測的，具有正斜角終端結構的二極管的擊穿發生在體內，雪崩電流集中在體內。由于承擔雪崩電流的面積較大，電流密度較小，相應的正向壓降也有所減小，因此雪崩電流耐量大。而具有負斜角終端結構二極管的擊穿發生在斜角終端，承擔雪崩電流的面積小，相應的電流密度和正向壓降較大，因此雪崩電流耐量較差。

實測結果表明，采用正斜角結構制造二極管的方法，可以很好地提高雪崩電流耐量，克服了傳統結構的弱點。

5 結束語

通過此項研究，對負斜角和正斜角終端結構二極管雪崩擊穿電流分布做出了仿真分析，從結果可以看到，正斜角終端結構更有利于二極管雪崩電流耐量的提高。對兩種結構二極管雪崩耐量的實際測試也驗證了仿真分析的正確性，同時說明將負斜角終端結構改為正斜角終端結構是提高雪崩功率二極管雪崩耐量行之有效的工藝措施。正斜角腐蝕目前還存在腐蝕深度深、終端所占面積偏大的問題，有待在下一步工作中作出更為深入的研究。