二維電場(chǎng)分布對(duì)JBS二極管阻斷特性影響的仿真分析

廉宇盟，關(guān)艷霞

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng)110870）

1 引 言

現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了高頻化、集成化和智能化時(shí)代[1]。開(kāi)關(guān)器件作為現(xiàn)代電力電子的核心器件，仍在不斷地向前發(fā)展，對(duì)二極管提出了更高的要求[2]。為了使二極管器件能夠應(yīng)用于更多不同場(chǎng)合，要求其具有工作頻率高、開(kāi)關(guān)速度快、耐壓高等特點(diǎn)，一種名為結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（JBS 二極管）的結(jié)構(gòu)被提出[3-4]。該結(jié)構(gòu)是在肖特基接觸周圍設(shè)置高摻雜的P+區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相較于肖特基二極管，可以更有效地提高反向阻斷電壓且保留快速開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)[5]。但P+結(jié)的出現(xiàn)也犧牲了一部分肖特基接觸面積，使正向?qū)娏髅芏仍黾恿薣6]。P+區(qū)的引入，使器件的電場(chǎng)呈現(xiàn)二維分布，此時(shí)可通過(guò)P+區(qū)寬度和結(jié)深的改變來(lái)改變[7]。基于此，從二維電場(chǎng)分布入手，針對(duì)P+區(qū)寬度和結(jié)深對(duì)JBS 二極管反向阻斷特性的影響來(lái)展開(kāi)討論。

2 JBS 二極管工作原理

JBS 二極管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。當(dāng)施加正向電壓時(shí)，肖特基結(jié)和PN 結(jié)均為正偏，當(dāng)正向電壓小于PN 結(jié)的開(kāi)啟電壓、大于肖特基結(jié)的開(kāi)啟電壓，JBS 將呈現(xiàn)肖特基二極管的單極型特性[8]。因?yàn)镻N結(jié)的存在，增加了肖特基接觸處的電流密度。電流流過(guò)肖特接觸后，通過(guò)P+區(qū)之間的未耗盡間隙，再到達(dá)漂移區(qū)的其他部分，最后擴(kuò)散到N+襯底。

圖1 JBS 結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)施加反向電壓時(shí)，PN 結(jié)和肖特基結(jié)均反偏，器件處于阻斷狀態(tài)。純肖特基的反向阻斷特性較差，是因?yàn)殡S著反向電壓的增加，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大，肖特基結(jié)的鏡像勢(shì)壘降低效應(yīng)和隧穿效應(yīng)使得阻斷漏電流顯著增加。PN 結(jié)的引入在肖特基的半導(dǎo)體表面形成二維電場(chǎng)分布，由垂直P(pán)N 結(jié)所產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)能夠降低肖特基表面的電場(chǎng)，使肖特基鏡像勢(shì)壘降低效應(yīng)和隧穿效應(yīng)減弱，阻斷特性得到改善。仿真可通過(guò)改變肖特基臺(tái)面尺寸和PN 結(jié)的結(jié)深來(lái)分析二維電場(chǎng)分布對(duì)JBS 阻斷特性的改善效果。

3 SBD 二極管和JBS 二極管仿真

3.1 SBD 二極管仿真

用Silvaco TCAD 仿真軟件來(lái)模擬仿真SBD 二極管結(jié)構(gòu)及其橫向和縱向電場(chǎng)。仿真前，確定元胞間距為1.25μm，反向電壓為50V。根據(jù)如下公式：

計(jì)算出N-漂移區(qū)的濃度為8×1015cm-3，然后確定襯底的濃度為1×1020cm-3。利用仿真軟件中的atlas 模塊進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。其后，選用遷移率受雜質(zhì)濃度影響的模型、遷移率受電場(chǎng)影響的模型、SRH 復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型和能帶變窄模型進(jìn)行反向阻斷特性仿真，再使用工具欄中的cutline 工具確定橫縱向電場(chǎng)，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖2 仿真得到的SBD 二極管結(jié)構(gòu)

圖3 仿真得到的SBD 二極管電場(chǎng)分布

由圖中可以看出，SBD 二極管結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)和金屬電極完全接觸，橫向電場(chǎng)均勻地分布在肖特基接觸的表面且保持恒定，最大電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生在肖特基接觸表面且等于橫向電場(chǎng)，縱向電場(chǎng)從肖特基表面處的最大電場(chǎng)逐步減小。

3.2 JBS 二極管仿真

用Silvaco TCAD 仿真軟件來(lái)模擬仿真JBS 二極管結(jié)構(gòu)以及其橫向和縱向電場(chǎng)。確定元胞間距為1.25μm，漂移區(qū)濃度為8×1015cm-3，襯底濃度為1×1020cm-3。在JBS 二極管中，增加了高摻雜且為高斯分布的P+結(jié)，確定P+結(jié)結(jié)深為0.5μm，濃度為1×1019cm-3。利用仿真軟件中的atlas 模塊進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示。其后，選用遷移率受雜質(zhì)濃度影響的模型、遷移率受電場(chǎng)影響的模型、SRH復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型和能帶變窄模型進(jìn)行反向阻斷特性仿真，再使用工具欄中的cutline 工具確定橫縱向電場(chǎng)，結(jié)果如圖5 所示。

圖4 仿真得到的JBS 二極管結(jié)構(gòu)

圖5 仿真得到的JBS 二極管電場(chǎng)分布

由圖中可以看出，P+區(qū)的存在阻擋了一部分肖特基接觸，在肖特基接觸處減小了橫向電場(chǎng)，使得中心處縱向電場(chǎng)開(kāi)啟電壓減小；肖特基最大電場(chǎng)強(qiáng)度不發(fā)生在表面處。SBD 二極管和JBS 二極管的阻斷特性對(duì)比見(jiàn)圖6。結(jié)合圖中的對(duì)比情況與上述原理分析，可證明：添加了一個(gè)高摻雜的P+結(jié)后，可有效地抑制肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng)，增大阻斷電壓峰值，從而改善了器件的反向阻斷特性。

圖6 SBD 與JBS 二極管的阻斷特性對(duì)比

4 PN 結(jié)對(duì)JBS 阻斷特性的影響分析

4.1 PN 結(jié)寬度的影響

在JBS 中，PN 結(jié)的存在改變了肖特基臺(tái)面的垂直電場(chǎng)分布，進(jìn)而能夠改善其阻斷特性。在整個(gè)器件結(jié)構(gòu)中，PN 結(jié)所占面積的比例對(duì)阻斷特性有直接的影響。可在保證P+區(qū)的橫向?qū)挾群蛨A柱形弧度以及結(jié)深保持不變的前提下，通過(guò)改變?cè)麑挾葋?lái)調(diào)整PN 結(jié)所占面積的比例。在仿真中，P+區(qū)橫向?qū)挾葹?.765μm，結(jié)深為0.5μm，元胞寬度設(shè)定為1.0μm、1.25μm、1.5μm 和2.0μm，即PN 結(jié)相對(duì)寬度（PN 結(jié)寬度與元胞寬度的比值）分別為0.765、0.612、0.51、0.383。基于上述參數(shù)設(shè)定，對(duì)其構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場(chǎng)分布和阻斷特性的仿真。

圖7 為不同PN 結(jié)相對(duì)寬度下肖特基表面的橫向電場(chǎng)分布情況的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，PN結(jié)的引入使肖特基表面的電場(chǎng)不再恒定，而是越接近PN 結(jié)的肖特基表面電場(chǎng)強(qiáng)度越小，在肖特基中心處電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值；隨著PN 結(jié)相對(duì)寬度的增加，最大電場(chǎng)強(qiáng)度減小。圖8 為不同PN 結(jié)相對(duì)寬度下，肖特基結(jié)中心處的縱向電場(chǎng)分布。從中可以看出，PN 結(jié)的引入使肖特基最大電場(chǎng)強(qiáng)度不發(fā)生在表面，而且隨著PN 結(jié)相對(duì)寬度的增加，最大電場(chǎng)強(qiáng)度距表面的距離也要增加。

圖7 不同臺(tái)面寬度下的表面電場(chǎng)

圖8 不同臺(tái)面寬度下的中心處縱向電場(chǎng)

PN 結(jié)的存在使肖特基表面電場(chǎng)強(qiáng)度減小，這使得肖特基二極管的鏡像力勢(shì)壘降低效應(yīng)和隧穿效應(yīng)減弱，因此阻斷特性能夠得到改善。圖9 為不同PN結(jié)相對(duì)寬度下的阻斷特性的對(duì)比。從圖中可以看出，PN 結(jié)的引入改善了器件的阻斷特性，漏電流減小，阻斷電壓提高，而且隨著PN 結(jié)相對(duì)寬度的增加，改善效果更加明顯。在反向電壓為60V 時(shí)，PN 結(jié)相對(duì)寬度分別為0.383、0.51、0.612 和0.765 時(shí)的漏電流分別為0.58nA、0.24nA、0.15nA 和0.09nA。隨著PN相對(duì)寬度的增加，轉(zhuǎn)折電壓有所提高，最終接近PN結(jié)的雪崩擊穿電壓。

圖9 不同臺(tái)面寬度下的JBS 反向阻斷特性

4.2 結(jié)深的影響

PN 結(jié)的結(jié)深也對(duì)JBS 二極管的二維電場(chǎng)分布和反向特性有影響。為了進(jìn)行比較，確定該結(jié)構(gòu)的肖特基接觸面積相對(duì)于元胞寬度為1.25μm 的整流器的結(jié)構(gòu)尺寸。其中結(jié)深分別取0.5μm，1.0μm 和1.5μm。在此，還增加一個(gè)接近襯底的結(jié)深以作對(duì)比。圖10 為不同結(jié)深下的肖特基表面橫向電場(chǎng)的變化；圖11 為不同結(jié)深下肖特基臺(tái)面中心處縱向電場(chǎng)分布的變化，圖12 為不同結(jié)深下的JBS 的阻斷特性。

圖10 不同結(jié)深下的表面橫向電場(chǎng)

圖11 不同結(jié)深下的肖特基中心處縱向電場(chǎng)

從這些仿真結(jié)果中可以看出，隨著PN 結(jié)結(jié)深的增加，橫向電場(chǎng)作用使表面的電場(chǎng)減小，同時(shí)使最大電場(chǎng)不發(fā)生在肖特基表面位置。

由圖10 和11 還可知，結(jié)深越接近襯底，表面處的電場(chǎng)越小，最大電場(chǎng)位置越遠(yuǎn)離表面。當(dāng)結(jié)深接近襯底時(shí)，肖特基表面的電場(chǎng)強(qiáng)度與PN 結(jié)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度近似相等。這也意味著，其阻斷特性與PN 結(jié)的阻斷特性近似。圖12 也證明了這一點(diǎn)，隨著結(jié)深的增加，阻斷特性得到改善，漏電流減小，阻斷電壓增加。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

JBS 二極管中的PN 結(jié)使肖特基結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)呈二維分布，改變了純肖特基二極管的一維電場(chǎng)分布，進(jìn)而改善了肖特基二極管的阻斷特性。減小肖特基面積，增加PN 結(jié)的結(jié)深皆有利于JBS 阻斷特性的提高。PN 結(jié)的存在可以減小反向漏電流，提高擊穿電壓。適當(dāng)調(diào)整接觸面積和結(jié)深參數(shù)，可切實(shí)有效地提升和改善器件的特性，此方法可應(yīng)用在器件的實(shí)際生產(chǎn)中，也可為新品研發(fā)提供思路。