高阻断电压碳化硅肖特基二极管技术研究

  1. 引言
  SiC材料禁带宽度大、击穿电场高、饱和漂移速度和热导率大, 这些材料优越性能使其成为制作高功率、高频、耐高温、抗辐射器件的理想材料。SiC肖特基二极管作为一种单极器件具有较低的开关损耗和较高的恢复速度，但是普通的肖特基二极管反向漏电流较大, 阻断状态下功率损耗严重。PiN二极管具有较小的漏电流, 比较适合5000V以上的大电流应用, 但是开启电压在2.8 V以上, 因此其开关损耗大, 恢复速度慢。JBS二极管在SBD二极管基础上增加了P+离子注入区, 阻断状态下由于PN结的耗尽作用, 漏电流较小。当正向电压较高时PN结导通, 正向压降降低, 从而使JBS具有较大的抗浪涌电流能力。国外肖特基二极管发展迅猛。目前Cree、Rohm、Infineon 等公司已经推出了600V、1200V和1700V的产品。国内的海飞乐技术也推出了600V~1200V的碳化硅二极管。更高阻断电压的器件还处于研究阶段, 目前SiC PiN二极管在阻断能力上日本和美国最高已经达到20000 V左右, 而且由于高击穿电压, 需要将管壳封装制作得较大, 以保证两管腿之间有足够的距离防止空气击穿。一般高阻断电压情况下导通电流往往较大。但是双极性器件受晶体位错的影响较大, 正向电压会发生漂移, 这制约了双极性器件的市场化。国内在这方面目前多集中于仿真计算方面, 成功制作的器件阻断电压普遍较低。文中介绍了耐压为4500V以上的JBS二极管的设计仿真、制作以及测试。在保证正向电流密度的前提下, 器件的阻断电压超过了4500 V。

 
  2. 设计仿真
  由于SBD二极管在高压反偏条件下漏电流非常大, 会造成巨大的漏电损耗, 高压肖特基二极管一般采用JBS结构。通过在有源区引入P型掺杂区来降低漏电流, 提高反向性能。为了减小阻断状态下的漏电流, 有源区部分进行P型离子注入。如图2(a)所示, 当器件处于反偏状态下, 耗尽区增大, 导通通道被夹断。如图2(b)所示, 当加正向电压时, 耗尽区缩小, 肖特基接触面导电。这种结构的肖特基二极管反向电压由PN结承担, 正向性能近似于普通肖特基二极管, 兼有PiN二极管的高阻断电压、较小的漏电流以及SBD二极管的低开关损耗和高开关速度。并且在正向电流突然增大时, PN结两端电压提高, PN将会导通, 正向压降降低, 所以JBS具有较强的抗浪涌能力。这种结构是5000V以下二极管普遍采用的结构。
  如图3所示为JBS二极管的基本结构。有源区肖特基接触面和P⁺宽度分别为2 μm和6μm。结终端采用保护环结构。总宽300 μm宽度空间内制作了60个3μm的保护环。有源区的P⁺ 区和保护环由相同离子注入形成。  
  离子注入的浓度曲线由SILVACO A TLAS进行蒙特卡洛分析得到。如图4所示, 六次不同能量和剂量的A1离子注入后, 得到浓度约为4E18, 深度约为0.6 μm的P型区。浓度曲线带入接下来的有限元仿真中。   有源区和终端的结构通过有限元仿真进行优化, 以便达到更高的保护效率。器件结构使用
SILVACO A TLAS进行有限元仿真。
  反偏压下电场最强点在P⁺注入区下端, 并且肖特基接触面的电场强度被大幅度降低, 从而可以降低了漏电流。图5为外延浓度1.2E15cm^-3, 外延厚度53 μm条件下仿真结果。在4500V反向电压下,P⁺区下方最大电场为1.92MV/cm。而表面为1.23MV/cm。在不考虑终端保护效率的情况下, 阻断电压理论上可达到7300V。考虑到终端保护效率和材料缺陷以及工艺过程中存在的问题, 需要留有足够的冗余。  
  接下来是终端保护结构的优化仿真。目前采用的主要的几种终端保护结构为Guard-ring、Mesa和JTE几种。Mesa和JTE通常应用在5000 V以上的器件中, 工艺较为复杂。这里采用Guard-ring保护。仿真采用3μm 宽的保护环, 环间距采用2μm。靠近有源区的环间距较小, 因为靠近主环位置的电场最强, 缩小环间距可以降低电场, 防止主环被击穿。
  仿真结果证明(见图6) , 在考虑结终端的情况下击穿电压可以超过6800V , 终端保护效率理论上达到93% , 足以满足4500V阻断电压的需要。从仿真结果来看, 靠近主环处环间距越小, 电场越弱, 更多的电场将会累计到后边的保护环上。当环间距较小时, 末端的环将被击穿, 相反主环部分被击穿。  
  3. 实验
  SiC材料采用n型4H-SiC衬底, 外延厚度为53 μm, 掺杂浓度为1.2E15cm^-3。终端保护和有源区由6次高能铝离子注入形成。离子注入后在1650℃退火30min。背面蒸发1000A金属Ni,并进行欧姆退火。正面蒸发1000A金属Ni, 600℃退火10min。表面生长SiO₂作为钝化保护。
 
  4. 结果与讨论
  4.1反向性能
  考虑到工艺过程中的误差对环间距的影响, 在制作版图时采用了三种不同的环间距, 分别为T1(1.9 μm)、T2 (2.1μm) 和T3 (2.3μm)。器件的反向测试结果如图7所示。结果证明器件加反向电压4500 V, 漏电流密度为10 μA时视为击穿的情况下, T3并未击穿并且对应漏电流小于5μA , T2的击穿电压约4200V, 而T1的击穿电压约为3300V。以上结果证明T3终端保护结构有效地避免了由边缘效应引起的击穿。其中原应主要是T3的环间距较为合适, 有效地分散了边缘到主节之间的强电场, 避免了由于局部电场过强引起的击穿。当环间距过小的时候各个环所承受的电压较小, 电场较弱, 强电场会累积在终端保护的末端。这种情况下就需要增加环的数量, 但浪费了晶圆面积。当环间距较大时, 靠近有源区附近的几个保护环的电场较强, 这样会造成末端的保护环电场很弱或没有电场, 起不到分压的作用, 所以需要找到合适的环间距来平衡各部分电场。本器件预计击穿电压可超过7000 V ,目前由于材料质量和器件结构等原因终端保护效率尚未达到满意水平, 可以以T3为基础逐步增大环间距进而寻找到最佳的环间距。  
  4.2 正向性能
  使用Tektronix 370进行正向测试并与SILVACO A TLA S正向仿真结果进行对比(图8)。正向电压4V下导通电流密度约80A /cm², 开启电压约为1.2V。仿真与实测结果非常一致。  
  5. 结论
  采用有限元分析的方法对4500V碳化硅二极管结构进行了分析。根据仿真的结果设计并实现了高阻断电压碳化硅二极管, 阻断电压超过了4500V , 导通电流密度达到80A /cm²。



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