一種新型低開啟電壓快恢復二極管技術

  在電子領域中，二極管是最常用的基礎電子元器件之一。PN結(jié)二極管和肖特基二極管是主要的兩類傳統(tǒng)整流二極管，其中PN結(jié)二極管開啟電壓較大，但穩(wěn)定性好，能工作于高電壓，是少數(shù)載流子器件且漏電流較小，但是由于少子存儲效應使得器件關斷時間較長，關斷損耗較大。
  肖特基二極管不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬半導體結(jié)原理制作的，所以正向開啟電壓較小。由于是多數(shù)載流子導電，所以正向電流較大，但反向漏電流也較大。同時肖特基二極管沒有少子存儲效應，所以關斷損耗極小，可以應用于高頻情況。
  目前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了各種性能更好的二極管，如槽柵MOS勢壘二極管TMBS,超勢壘整流器SBR，結(jié)勢壘控制整流器JBS，混合PIN/Schottky整流器MPS，發(fā)射極短路二極管ESD等器件。
  本文提出了一種新型的低開啟電壓快恢復二極管，如圖1所示，由于金半接觸以及PN結(jié)都存在耗盡區(qū)，導致該器件在不加任何偏置時，Pdeep之間的溝道是有可能完全被耗盡的。這樣，當二極管陽極相對于陰極加上正偏電壓時，P埋溝之間的耗盡區(qū)縮小為多子電子提供了一個通道，如圖2所示。在陽極主要通過歐姆接觸流過電流，同時陽極中間的肖特基接觸區(qū)也會流過一部分電流。而當二極管陰極相對陽極加上正偏電壓時，P埋層和N-漂移區(qū)形成的耗盡區(qū)向N-漂移區(qū)擴展進行耐壓，二極管泄漏電流只比PN結(jié)二極管大兩個量級。
  本文首先分析了這種新型的低開啟電壓快恢復二極管的工作原理，推導出了正向開啟電壓VF的表達式；然后采用仿真軟件對器件進行了仿真分析，將該器件與常規(guī)PN結(jié)二極管進行了對比，并給出了實驗結(jié)果。
 
  1. 器件結(jié)構(gòu)及工作原理
  低開啟電壓快恢復二極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，二極管的陽極將N-漂移區(qū)、漏極N+、體區(qū)引出極P+連接在一起所構(gòu)成；陰極連接N-漂移區(qū)。Pdeep與N-epi是PN結(jié)。在陽極中間區(qū)域，金屬和半導體的接觸為肖特基接觸，在陽極兩邊的區(qū)域，金屬與N+區(qū)域和P+區(qū)域形成歐姆接觸。由于Pdeep濃度遠遠大于N-epi的濃度，所以這兩者組成的PN結(jié)的耗盡區(qū)將會向N-epi區(qū)展開，定義埋溝處的pdeep/N-epi結(jié)耗盡區(qū)的寬度為WDN,Pdeep之間的間距為WJFET。當WnJFET>2WDN時，埋溝中N-epi沒有全部被耗盡，兩個耗盡層之間存在一個中性區(qū)通道讓電流流過，電流的路徑為從表面的N+區(qū)域流入橫向的N-epi區(qū)域，然后從Pdecp之間的通道流出，最后到達陰極；當陽極電壓增大到一定程度時，電流可以直接從肖特基接觸區(qū)流出，從而增大器件的電流密度；進一步增大陽極電壓，電流還可以從Pdeep與N-epi之間的PN結(jié)流出，進一步增大電流密度，然而這會導致器件的開關特性變壞，影響器件在高頻領域的應用，因而通常該二極管只工作在單極性的情況下。當WJFET≤2WDN時，埋溝是完全被耗盡的，則器件關斷。也就是說，WJFET的大小決定了器件是否開啟。

  當陽極加正偏電壓并逐漸增大時，埋溝中的耗盡區(qū)則逐漸減薄，最后使得WJFET=2WDN，二極管開啟，此時的陽極電壓即為二極管的閾值電壓，其表達式為：   其中Nepi為外延層濃度，Npdeep為體區(qū)pdeep的濃度，ni是本征載流子濃度，εs為硅的介電常數(shù)。
 
  2. 仿真分析
  使用二維仿真軟件tsuprem4和Medici對低開啟電壓快恢復二極管進行了仿真及優(yōu)化設計，優(yōu)化后各參數(shù)為W1=0.5um,W2= 1.15um,Wepi=7um,L1 =0. 3um, L2=0. 8W， L=2um, N_pdeep=3.0×10¹⁷cm^-3，N_epi=3.4×10¹⁵cm^-3如圖3所示。
  圖4(a)為反向擊穿時，低開啟電壓快恢復二極管的電流流向及耗盡線分布，從圖中可知，擊穿發(fā)生在Pdeep/N-epi結(jié)處。圖4(b)為正向?qū)〞r，二極管的電流流向，由圖可知，載流子經(jīng)Pdeep之間的埋溝處流過，寄生PN結(jié)并未開啟，驗證了上述理論分析。   圖5(a)、(b)、(c)分別為低開啟電壓快恢復二極管與常規(guī)PN結(jié)二極管(其N型摻雜與厚度與低開啟電壓快恢復二極管的N-外延層相同，P型摻雜和厚度與低開啟電壓快恢復二極管的Pdeep相同，耐壓為110V)的阻斷特性、正向?qū)ㄌ匦约胺聪蚧謴吞匦缘谋容^。
  由圖5(a)可知，低開啟電壓快恢復二極管和PN結(jié)二極管的擊穿電壓為110V。在反向電壓為100V時，低開啟電壓快恢復二極管和PN結(jié)二極管的泄漏電流分別為1.0×10^-18A/um和1.0×10^-12A/um，低開啟電壓快恢復二極管的泄漏電流只比PN結(jié)二極管大了兩個量級。由圖5(b)可知低開啟電壓快恢復二極管和PN結(jié)二極管的導通壓降分別為0.15V和0.7V，正向?qū)ü南鄬N結(jié)二極管減小了78%。由圖5(c)可知，低開啟電壓快恢復二極管的反向恢復時間(8ns)比常規(guī)PN結(jié)二極管(28ns)小72%，反向峰值電流(0.8A)比常規(guī)PN結(jié)二極管(1.1A)小28%。此仿真結(jié)果進一步驗證了上述的理論所分析的導通和關斷原理。
  對于PN結(jié)二極管，由于泄漏電流非常小，所以在低壓工作時，功耗主要為正向?qū)ü暮烷_關功耗。雖然低開啟電壓快恢復二極管泄漏電流相對PN結(jié)二極管大了兩個量級，但其反向阻斷功耗仍然只占整個器件功耗的很小一部分。在這種情況下，低開啟電壓快恢復二極管對正向?qū)▔航岛烷_關時間進行了顯著的優(yōu)化，使得低開啟電壓快恢復二極管非常適合應用于低壓高頻領域。
 
  3. 結(jié)論
  本文提出了一種新型低開啟電壓快恢復二極管理論分析了新型二極管的原理，推導出了正向開啟電壓VF的表達式對新型二極管的反向擊穿特性、反向恢復特性、正向?qū)ㄌ匦赃M行了模擬仿真和分析。仿真結(jié)果表明在相同耐壓110V下，新型二極管的正向壓降(0.15V)比常規(guī)PN結(jié)二極管(0.7V)小78%，反向恢復時間(8ns)比常規(guī)PN結(jié)二極管(28ns)小72%，反向峰值電流(0.8A)比常規(guī)PN結(jié)二極管(1.1A)小28%。



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