功率肖特基二极管结构类型与制作工艺

  功率肖特基二极管包括普通功率肖特基势垒二极管(Power Schottky Barrier Diode,SBD)、结势垒控制的肖特基(Junction Barrier Controlled Shottky，JBS)二极管，以及肖特基与pin的复合二极管，如pin与肖特基并联结构(Merged Pin and Schottky，MPS)二极管、沟槽氧化物的pin-肖特基复合结构(Trench Oxide pin Schottky，TOPS)二极管及软快恢复二极管(Soft and Fast Diode,SFD)等，此外，还有肖特基-超结(SJ-SBD)复合二极管。
 
  1. 结构类型
  肖特基二极管的整流作用是由金属与半导体硅之间形成的接触势垒来实现的。由于肖特基的势垒高度低于pn结的势垒高度，使其在小电流下正向压降低，击穿电压低，反向漏电流大。功率肖特基二极管旨在提高其功率特性，有以下三类结构。
  (1)普通功率肖特基势垒二极管(SBD)结构如图1a所示，它是在肖特基二极管中增加了一个低掺杂浓度的n-漂移区，由肖特基结和n-漂移区及n +阴极区组成。结势垒控制的肖特基二极管(JBS)结构如图1b所示，在形成肖特基结之前，先通过离子注入或扩散在n-漂移区上形成p区，使p区与肖特基结形成网状平面结构。于是由p区、n-漂移区及n+衬底形成了一个pin结构，所以，JBS二极管相当于一个功率肖特基势垒二极管与pin二极管的并联。在反偏电压下，pn结空间电荷区扩展，通过JFET的作用将肖特基结屏蔽起来，使其不受外加电压的影响。

 
  (2)肖特基-pin复合二极管结构为了提高功率肖特基二极管的耐压，降低正向压降，并增加反向恢复软度，在JBS二极管结构的基础上发展了图2所示的肖特基-pin复合二极管结构。
  如图2a所示，MPS二极管结构与JBS二极管结构很相似。其反向击穿与JBS二极管的相同，只是在低电流密度下，pin二极管不导通，但在较高的电流密度下，p区向n-漂移区注入空穴，会产生电导调制效应，所以能降低正向压降，并允许很大的电流流过金属-半导体接触。   如图2b所示，TOPS二极管结构是在n外延层上先选择性刻蚀出深沟槽，然后在沟槽底部通过离子注入形成p区，最后用二氧化硅和多晶硅依次填充沟槽。与MPS二极管结构相比，该结构可以使靠近阳极侧的空穴浓度进一步降低。目前，采用TOPS二极管结构制作的二极管反向击穿电压已达到1.2kV，可作为IGBT的续流二极管，显著减小IGBT的开通功耗，并抑制开关噪声。
  如图2c所示，SFD结构是通过用A1-Si替代A1电极在p区之间的n-漂移区表面形成一个极薄的p-区，以控制浅p-n结注入效率，并保护肖特基结。A1-Si/Si接触在500～550℃退火后形成的势垒高度为0.89～0.79eV，这与Pt/Si的势垒高度相近，比纯A1势垒高度更高，从而实现高耐压和低漏电流，并获得比普通pin二极管更快、更软的反向恢复特性。目前，采用SFD和超软快恢复(U-SFD)结构已使二极管的反向电压分别达到4kV和6.5kV。
  (3)超结-肖特基(SJ-SBD)二极管结构如图3a所示，SJ-SBD二极管结构是利用自对准工艺在轻掺杂上的p或n区上形成硅化物肖特基结，在重掺杂的p+或n+区形成欧姆接触。由于超结能提高二极管的反向击穿能力，肖特基可降低其正向压降。所以，采用SJ-SBD结构，可以实现高击穿电压和低漏电流，并提高通流能力，克服功率肖特基二极管的不足。图3b所示为半超结-肖特基二极管结构，其中增加了n缓冲层与p缓冲层，可进一步增强JBS电场屏蔽作用，减小漏电流，并改善反向恢复特性。  
  2. 制作工艺
  功率肖特基二极管制作的关键是肖特基结的形成。通过在轻掺杂的n-型硅外延层上蒸发或溅射相应的金属或硅化物(Silicide)，然后经过适当退火便可形成。硅化物有很稳定的功函数WF，故形成的肖特基二极管有较好的稳定性和重复性。功率肖特基二极管也能用p型硅来做，但因其正向偏置电压非常低，使得漏电流很大，所以很少使用。
  制作肖特基结的金属有很多种，如镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)、钨(W)或钼(Mo)等。为了降低功耗，可采用低势垒高度的金属。当环境温度较高时，为了抑制漏电流，需采用高势垒的金属。肖特基势垒高度Ubi取决于金属的功函数。表1给出了n型硅表面形成肖特基的金属功函数及势垒高度。可见，势垒高度Ubi随金属功函数的增加而增加。当退火温度提高时，金属与硅界面会发生反应而生成金属硅化物。表2给出了n型硅与硅化物形成的肖特基势垒高度。可见，采用Mosi2，形成的势垒高度最低，采用PtSi2形成的势垒高度最高，故在高温环境下工作的功率肖特基二极管可用PtSi2来制作。


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