混合PIN/Schottky 二極管特性簡析

蔡 震，馬洪江

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

眾所周知，電力整流管是電力半導體器件中結構最簡單、用途最廣泛的一種器件。通常應用的有普通整流二極管、肖特基二極管、PIN 二極管、MPS二極管。它們相互比較各有特點:普通整流管具有較小的漏電流，較高的通態電壓降(1.0－1.8)和幾十微秒的反向恢復時間;肖特基整流管具有較低的通態壓降(0.3～0.6)，較大的漏電流，反向恢復時間幾乎為零;而PIN 快恢復整流管具有較快的反向恢復時間(幾百ns～2μs)，但其通態壓降很高(1.6～4.0)。為了滿足快速開關器件應用配套需要，人們利用大規模集成電路工藝和精細的鑲嵌結構，將肖特基整流管和PIN 整流管的優點集于一體，研制出MPS(Merged PIN/Schottky diode)結構的電力整流管，它不僅具有較高的反向阻斷電壓，而且其通態壓降很低，反向恢復時間很短，反向恢復峰值電流很小，具有軟的反向恢復特性。

1 基本原理

在高壓、大電流的電路中，為提高其開關速度，可以采用摻雜重金屬雜質和通過電子輻照的辦法減小少子壽命，但這又會不同程度的造成二極管的硬恢復特性，在電路中引起較高的感應電壓，對整個電路的正常工作產生重要影響。

為了改善高壓硅開關管的正向和反向特性，Baliga 提出了MPS 結構，其基本結構示意圖如圖1 所示。

MPS 器件是深注入的交叉指狀P+柵格與肖特基結相間隔的網狀結構器件。MPS 開關管的主要結是PIN 二極管區，PN 結通過其耗盡層的寬度和兩PN 結之間的間隙來影響肖特基的導電溝道。當MPS 反偏時，PN 結形成的耗盡區將會向溝道區擴散，在一定反偏電壓下，耗盡區就會連通，從而在溝道區形成一個勢壘，使耗盡層隨著反向偏壓的增加向N+襯底方向擴展。這個耗盡區將肖特基界面屏蔽于高場之外，避免了肖特基勢壘降低效應，使反向漏電流大大減小，此時，MPS 反向特性接近PN 結。當MPS 正偏時，PN 結的耗盡層寬度比兩PN 結之間的距離小得多，在肖特基區保留了一個n 型導電溝道，肖特基處于正向導通狀態，特性與SBD的正向電學特性相似，只是電流密度由于P 型區的原因而略小。P+陽極區注入空穴到漂移區，通過導電調制也會引起體電阻的大大減少。另外，采用MPS 結構，可以靈活地選擇勢壘低的金屬作為肖特基接觸，而不用擔心反向漏電流會增加。所以，MPS 結構綜合了PN 結結構和肖特基結構的優點，具有很好的正向和反向特性。還可以通過調整肖特基和PN 結的面積比來調整其性能。而軟度因子反應二極管在反向恢復的過程中基區少子復合而消失的時間長短(其實現低正向壓降和長有效載流子壽命的同時很難獲得很短的恢復時間［1］)。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區時間長短和擴散濃度分布、元件結構及結構參數等有密切關系。在空間電荷區擴展后的剩余基區內駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。

圖1 MPS 二極管結構示意圖

3 MPS 二極管特性簡析

3.1 P 區的分析

當PN 結反偏時，由于是突變結，向P 區擴展的長度遠小于1μm。表面電場和PN 結深有關，最大電場出現在冶金結處，所以為了使屏蔽效應充分發揮作用，應使PN 結盡可能的深。然而，由于結一般是由離子注入形成的，要制作較深的結就需要用較高的注入能量，這會損壞襯底且使PN 結性能變壞，導致漏電流增大。減少注入劑量可以最大限度地減少襯底晶格損傷。PN 結區在器件正向傳導下不需要注入載流子，P 區也不需要好的歐姆接觸，所以，相對于PIN 二極管，MPS的P+區載流子濃度可以降低。另一方面，為了使PN 結的耗盡層主要在N－區，P+區應有盡可能高的摻雜濃度。

3.2 N 基區的分析

N 區的設計主是要考慮到穿通電壓和正向壓降，滿足擊穿電壓后應盡量減少電阻以降低正向壓降。當基區厚度一定時，穿通結構的擊穿電壓VPT在電阻率ρn不太高的情況下，隨電阻率ρn的增加而增加，但并不是單調遞增的關系，當電阻率達到一定程度時，電阻率的增加反而會使擊穿電壓下降。產生的原因是隨著電阻率的增加，電場強度變化更緩慢，N 區高低結處的場強有所增加，會使擊穿電壓增加，同時由于整個I 區的高場強區增寬，雪崩電離容易發生，又會使發生擊穿時的最大場強有所降低。當后一種情況占主導地位時，就會導致穿通結構的擊穿電壓下降。

3.3 其余縱向參數設計分析

其余縱向參數主要為N+區的濃度和長度，以及表面造型以達到或接近理論擊穿電壓。對于N+區的濃度，由于它要與金屬發生歐姆接觸(表面高摻雜型［2］)，需要較大的雜質濃度，主要考慮雜質擴散的速度與時間，以利于降低成本。由于P－N 結要延伸到表面，實踐證明，高壓器件的P－N 結擊穿往往不是發生在體內，而是發生在表面。為了獲得穩定的體內雪崩擊穿特性，必須降低表面最大電場強度，使表面擊穿電壓高于體內雪崩擊穿電壓。對于大面積的電力器件，通常采用表面斜角造型的技術以降低表面電場。對于大面積、深結的電力半導體器件，結的末段常常延伸至表面，通常采用斜角結構以降低表面電場。用平面工藝制造的P－N 結，雜質是通過掩模窗口擴散進去的，在邊、角之處結的邊緣呈圓柱及球面，因而存在曲率，導致表面電場比體內高。一般可采用保護環、場板、耗盡層腐蝕及結延伸等給予改善。

選擇實現肖特基接觸的金屬中，為了降低其正向壓降，應盡量選擇勢壘低的金屬。這種材料是比較容易獲得的，通過各種金屬參數的比較，一般使用肖特基接觸金屬為鎳(Ni)。

4 結束語

通過以上對MPS 二極管的特性簡析，使相關人員對MPS 二極管有了更深的認識，也為實際MPS二極管的設計人員提供了一些理論支持和基本構想，使他們對MPS 二極管的結構和原理有了進一步的理解，減少了工藝技術人員在制作MPS 二極管過程中遇到問題時的分析時間。

［1］吳郁，張萬榮，劉興明，譯.功率半導體器件—理論及應用［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［2］吳鼎芬.電子工業生產技術手冊(8)［M］.北京:國防工業出版社，1992