JBS結(jié)構(gòu)肖特基整流器

唐 冬，劉 旸，徐 衡

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

JBS結(jié)構(gòu)肖特基整流器

唐 冬，劉 旸，徐 衡

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

介紹了結(jié)勢壘控制肖特基整流管（Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier，JBS）的結(jié)構(gòu)原理，論述了JBS結(jié)構(gòu)肖特基整流器的正向特性和反向特性，通過對擴(kuò)散掩膜尺寸m和擴(kuò)散P＋區(qū)時(shí)窗口寬度S的工藝模擬，歸納出m、s變化對器件參數(shù)正向壓降和反向漏電流密度的影響。并通過實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，得出JBS結(jié)構(gòu)肖特基整流器漏電流小的特點(diǎn)，利于功率肖特基二極管得到更廣泛的應(yīng)用。

結(jié)勢壘控制肖特基整流管；正向壓降；反向漏電流密度

1 引 言

功率肖持基二極管（PowerSBD）由于正向壓降低、功耗小、開關(guān)速度高，在直流低壓大電流領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，PowerSBD的低壓降、小功耗是以低勢壘為前提的。較低的勢壘高度會使器件反向漏電流增加，最高工作溫度降低。為了解決Power SBD正反向特性之間的矛盾，使其既具有低壓降，又有較小的反向電流，必須對PowerSBD的器件結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，結(jié)勢壘控制肖特基整流管（Junction-Barrier-controlledSchottky-Rectifier，JBS）就是為解決這一問題提出的一種新型肖特基勢壘整流器件。

2 JBS結(jié)構(gòu)原理

JBS是在普通PowerSBD的漂移區(qū)集成多個(gè)梳狀的p-n結(jié)柵，見圖1。結(jié)柵相鄰P區(qū)之間的電流通道設(shè)計(jì)成在零偏和正偏時(shí)，保證不被夾斷，允許正向電流通過柵間電流通道從器件的陽極流到陰極；在反偏時(shí)，當(dāng)反偏壓超過幾伏時(shí)，p-n結(jié)柵相鄰的結(jié)耗盡區(qū)交迭，引起耗盡層穿通。耗盡層穿通后將在溝道中形成勢壘，并使耗盡層向n-襯底擴(kuò)展。因此勢壘層屏蔽了外加電壓對肖特基勢壘的影響，防止了肖特基勢壘降低現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 JBS結(jié)構(gòu)示意圖

3 JBS結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

3.1 正向特性

正向特性可根據(jù)熱電子發(fā)射理論并結(jié)合器件結(jié)構(gòu)的幾何尺寸進(jìn)行解析分析。為討論方便，采用JBS單胞結(jié)構(gòu)如圖2所示。s是擴(kuò)散p＋區(qū)時(shí)的窗口寬度，m是擴(kuò)散掩膜尺寸，xj為P＋-n結(jié)的結(jié)深，t為外延層厚度。

圖2 JBS單胞結(jié)構(gòu)圖

JBS的正向壓降為肖特基勢壘部份和外延層上壓降之總和。定義肖特基勢壘壓降為VFS，外延層上壓降為VFP，經(jīng)計(jì)算得：

即JBS的正向壓降：

式中：φB為肖特基勢壘高度，JFC為正向電流密度，A*為有效理查遜常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷。2d是VF的函數(shù)，故（3）式不是正向壓降的解析解。然而，JBS實(shí)際工作在較低的正向壓降下，2d隨VF的變化很小，故可近似認(rèn)為2d是一常數(shù)。因此，由（3）式可求解JBS的正向J-V特性。

3.2 反向特性

JBS的反向阻斷模式如圖3所示。

圖3 JBS反向阻斷模式

經(jīng)計(jì)算得出JBS的反向電流為：

可以看到JBS的反向電流由兩部分組成，第一個(gè)分量漏電流JLS是穿過肖特基勢壘的載流子注入，主要發(fā)生在低電壓下，與勢壘高度φB和場強(qiáng)有密切關(guān)系。第二個(gè)分量是P-n結(jié)耗盡區(qū)產(chǎn)生電流與擴(kuò)散電流分量JLD，它們與少子壽命τ有密切關(guān)系。上式說明，JBS的反向電流除了與勢壘高度φB有密切關(guān)系以外，還與器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性有關(guān)。

當(dāng)JBS反向偏置時(shí)，在反向電壓Vr小于夾斷電壓VP時(shí)，反向漏電流的大小主要決定于（4）式的前半部分?？梢钥闯?，當(dāng)金屬和半導(dǎo)體材料選定之后，金半接觸的勢壘高度φB為一定值。調(diào)節(jié)擴(kuò)散P＋區(qū)時(shí)的窗口寬度s和擴(kuò)散掩膜尺寸m，可以得到不同的反向漏電流。

當(dāng)反向電壓大于夾斷電壓時(shí)，肖特基下的耗盡層發(fā)生交疊，引起耗盡層穿通。耗盡層穿通后將在溝道中形成勢壘。如果所加電壓繼續(xù)增加，則增加的壓降都將落在勢壘層上，并使耗盡層向n＋襯底區(qū)擴(kuò)展。當(dāng)穿通條件建立時(shí)，隨反偏壓的增加，漏電流將在雪崩擊穿點(diǎn)的出現(xiàn)前基本保持不變，此時(shí)的反向漏電流只由（4）式后半部分決定。此時(shí)JBS整流管的反向漏電流與器件所選材料的特性有關(guān)。

3.3 m、s的變化對器件正向壓降和反向漏電流密度的影響

為了控制芯片面積，S值不宜取的過大，就本工藝線條件來說，s最小只能取到2μm，所以在本器件的設(shè)計(jì)過程中我們將s的值取為2μm。對JBS來說，其在正偏和零偏條件下必須有導(dǎo)電溝道，以使電流能夠從陽極流到陰極，零偏條件下溝道自然耗盡層寬度w0＝1.14μm。由此，可以確定出不同結(jié)深下m的取值范圍。

從上面的分析可以看出，JBS整流管的正向壓降和反向漏電流密度與m和s有直接關(guān)系。以xj＝2μm為例，來討論m、s的變化對器件正向壓降VF和VR＝1V時(shí)反向漏電流密度JL的影響。以s為參變量，通過工藝軟件Silvaco模擬得出下表1，給出了m、s變化對VF和JL的影響。

從表1可以看出，在s不變的情況下，隨m值增大，VF減小，JL明顯上升，這是因?yàn)殡Sm值增大肖特基勢壘所占的比例隨之加大；另外，由于m增大，溝道寬度2d亦隨之增大，使溝道部份的串聯(lián)電阻減小，正向壓降降低。在反向偏壓未夾斷溝道的情況下，由于串聯(lián)電阻上壓降減小，肖特基勢壘上的反向偏壓增加，使漏電流上升。在m不變的情況下，隨著s減小，VF減小，JL增大，但它們減小和增大的幅度都很小?？梢?，m的大小是導(dǎo)電溝道夾斷之前影響VF和JL的關(guān)鍵因素。

表1 m、s的變化對VF和JL的影響

4 產(chǎn)品驗(yàn)證

根據(jù)JBS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了8A，45V的產(chǎn)品研制。整體采用溝槽結(jié)構(gòu)，如圖4布局。

圖4 JBS結(jié)構(gòu)布局

工藝中采用NiCr做為勢壘金屬，工藝過程得到的產(chǎn)品參數(shù)滿足下面的測試條件。

正向?qū)妷篤F≤0.55V＠8A，25℃；

反向擊穿電壓VB≥45V；

反向漏電流IR≤10μA；

對于反向漏電流一項(xiàng)，實(shí)測IR＝6μA，如果不采用JBS結(jié)構(gòu)，8A的產(chǎn)品采用同樣的工藝條件，IR＝80μA，可以看到JBS結(jié)構(gòu)對反向漏電流的控制小近10倍，進(jìn)而滿足肖特基功率二極管在高結(jié)溫環(huán)境下使用。

5 結(jié)束語

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明JBS結(jié)構(gòu)肖特基整流器的優(yōu)點(diǎn)，使肖特基功率二極管在高結(jié)溫環(huán)境中得到應(yīng)用。

衷心感謝研究所芯片加工中心所有工作人員對工藝研發(fā)和生產(chǎn)流片的大力支持。

［1］B.J.Baliga.Schottky Barrier Rectifiers and Methods of Forming the Same［J］.U.S.Patent 5，612，567，March 18，1997.

［2］［美］巴利加（Baliga，B.J.）.功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)［M］.韓鄭生，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［3］Hower P L，Weaber L E.The APIN Rectifier，a New Fast-Recovery Diode［J］.IEEE PESC’88 Record.709-17（1988）.

Study on JBS Structure Schottky Rectifier

TANG Dong，LIU Yang，XU Heng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

This paper introduces the structure principle of Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier（JBS）and discusses the forward and reverse characteristics of schottky rectifier in JBSstructure.By process simulation for diffusion mask size（m）and p＋zone window width（s），the effects on the forward voltage drop and reverse leakage current density，performed by the change of m and s device parameter，are described.The product is verified that the characteristics of schottky rectifier in JBS structure with low current leakage are concluded，so the power SBD can be used widely.

Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier；Forward voltage drop；Reverse leakage current density

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.004

TN4

：A

：1002-2279（2014）05-0011-03

唐冬（1981-），男，遼寧凌海人，學(xué)士學(xué)位，工程師，主研方向：肖特基二極管。

2014-01-08