一種終端結(jié)構(gòu)設(shè)計的高壓大功率快恢復(fù)二極管

  1. 引言
  擊穿電壓是電力電子器件最重要的參數(shù)之一，它和最大電流容量一起決定了電力電子器件的額定功率。其中，硅基功率FRD通常是通過一個大面積pn結(jié)，以保證實現(xiàn)大電流工作。但是，對于高壓工作的FRD來說，平面工藝中不可避免地存在著結(jié)面彎曲效應(yīng)，而影響器件擊穿電壓的主要因素正是pn結(jié)擴散窗口區(qū)的結(jié)面彎曲引起的電場集中和界面電荷引起的表面電場集中，因為這些因素的影響使器件實際擊穿電壓僅為理想情況的10%~30%。因此，為了保證硅基FRD能夠在高壓下正常工作，通常需要在器件主結(jié)外邊緣處采取措施即結(jié)終端保護技術(shù)，來消除結(jié)面彎曲效應(yīng)的影響，削弱表面電場強度，提高功率FRD器件pn結(jié)擊穿電壓。
  目前結(jié)終端技術(shù)主要有以下幾種基本結(jié)構(gòu)：場板終端結(jié)構(gòu)(EP)、場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)(FLR)、結(jié)終端擴展(JTE)、橫向變摻雜技術(shù)LD(V)、半絕緣多晶硅(SIPOS)。由于平面結(jié)終端技術(shù)與平面工藝幾乎完全兼容，因此成為提高電力電子器件擊穿電壓最有利的方法，而在平面結(jié)終端技術(shù)中場限環(huán)和場板技術(shù)是目前功率器件最普遍采用的終端技術(shù)。其中，場板技術(shù)可以有效地抑制表面電荷引起的低擊穿，場限環(huán)技術(shù)則對主結(jié)的分壓作用具有明顯的效果，同時對減緩平面結(jié)曲率效應(yīng)造成的pn結(jié)擊穿也非常顯著。
  為了能夠獲得性能良好、擊穿穩(wěn)定的高壓功率FRD，本文對場板和場限環(huán)兩種終端保護結(jié)構(gòu)進行了理論分析，然后組合采用這兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款耐壓超過1200V的功率器件終端結(jié)構(gòu)，通過實際流片證明具有該終端結(jié)構(gòu)的FRD具有良好的電壓重復(fù)性及一致性特點。
 
  1. 場板技術(shù)和場限環(huán)技術(shù)原理分析
  1.1場板的工作原理
  場板是提高平面結(jié)擊穿電壓的一種很有效的辦法，場板結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖1所示，場板、絕緣層和半導(dǎo)體構(gòu)成了MIS結(jié)構(gòu)，當(dāng)給p⁺n加反偏壓時，場板上的電勢相對于n型半導(dǎo)體為負，使場板、絕緣層和半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)處于耗盡狀態(tài)，這部分耗盡區(qū)與反偏p⁺n結(jié)的耗盡區(qū)連成一體，從而減小了pn結(jié)終端彎曲處的電場強度，達到提高pn結(jié)擊穿電壓的目的。

 
  場板結(jié)構(gòu)的雪崩擊穿通常出現(xiàn)在兩個地方：一個是結(jié)面彎曲處，一個是場板邊緣硅表面處，所以帶有場板結(jié)構(gòu)的平面結(jié)有兩個峰值電場，如圖2所示。要實現(xiàn)平面pn結(jié)的最大擊穿電壓，應(yīng)充分優(yōu)化場板長度和場板下氧化層厚度，使平面結(jié)曲率部分和場板邊緣處同時擊穿，從而實現(xiàn)場板結(jié)構(gòu)的最高耐壓值。  
   當(dāng)襯底摻雜濃度較高、氧化層較厚時，場板下面的半導(dǎo)體不易反型。這種情況下，場板區(qū)域絕緣層所承受的壓降遠大于半導(dǎo)體上的壓降，因此擊穿發(fā)生在體內(nèi)結(jié)面彎曲處。當(dāng)襯底濃度較低、場板下氧化層較薄時，場板下面的硅襯底在pn結(jié)上的電壓較高時很容易反型，此時襯底表面的反型層與襯底形成感應(yīng)pn結(jié)，擊穿首先發(fā)生在場板邊緣的場感應(yīng)結(jié)上，并且其擊穿電壓隨絕緣層厚度的增加而增大。因為絕緣層厚度的增加具有削弱場板邊緣電場集中的效應(yīng)，與通常采用的增加pn結(jié)結(jié)深來提高擊穿電壓情況相似。
  因此，場板作用的大小與場板的長度及場板下氧化層厚度密切相關(guān)。場板長度增加時，電場集中區(qū)逐漸移向場板邊緣。場板愈長，結(jié)處電場愈小。場板下氧化層愈薄，電場向場板方向轉(zhuǎn)移愈明顯。但厚度太小，又會造成場板邊緣介質(zhì)擊穿。
  1.2 場限環(huán)的工作原理
  場限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中主結(jié)與環(huán)結(jié)是同時擴散形成的。場限環(huán)的電位浮空，不與主結(jié)相聯(lián)，也不與器件其他電極相聯(lián)。當(dāng)主結(jié)加上反向電壓時，耗盡層隨著反向電壓的升高由主結(jié)向環(huán)結(jié)擴展，使主結(jié)和環(huán)結(jié)之間的耗盡層穿通，并進一步向環(huán)結(jié)的另一側(cè)擴展。從而在一定的電壓下，將因耗盡層的展寬而使電場降低，擊穿電壓得以提高。  
  由于主結(jié)空間電荷區(qū)的最大電場強度決定于穿通電壓，只要穿通電壓低于主結(jié)的雪崩擊穿電壓，則其最大電場強度就低于雪崩擊穿的臨近電場強度。這樣就可以消除結(jié)曲面部分導(dǎo)致電場升高的現(xiàn)象，使主結(jié)的擊穿電壓由平面部分決定。因此，主結(jié)與場限環(huán)的間距、結(jié)深、環(huán)的寬度以及環(huán)的個數(shù)都會影響到擊穿電壓的大小，其中主結(jié)與場限環(huán)以及環(huán)與環(huán)(多個場限環(huán)時)的間距對擊穿電壓的高低起著主要作用。
 
  2. 場板和場限環(huán)組合設(shè)計及分析
2.1場板和場限環(huán)組合設(shè)計
  場限環(huán)結(jié)構(gòu)中環(huán)間距對擊穿性能影響最大，而環(huán)間電位及表面電場分布受氧化層表面電荷影響很大，提高了場限環(huán)結(jié)構(gòu)對表面鈍化工藝的要求，因此增加了工藝的復(fù)雜性；而場板結(jié)構(gòu)對氧化層厚度均勻性比較敏感，為了獲得最佳效果，同樣增加了工藝的復(fù)雜性。
  鑒于上述原因，本文采用場限環(huán)場板復(fù)合終端結(jié)構(gòu)，具體地，場限環(huán)主要起分壓作用，場板主要用來屏蔽氧化層中正電荷對結(jié)表面的影響，使場環(huán)的作用得到充分發(fā)揮。此種結(jié)構(gòu)發(fā)揮了場限環(huán)和場板各自優(yōu)點，使得擊穿電壓對環(huán)間距、氧化層厚度及氧化層電荷的敏感程度大大降低，與常規(guī)工藝完全兼容。大大降低了工藝的復(fù)雜性。復(fù)合終端結(jié)構(gòu)截面如圖4所示。  
  場限環(huán)優(yōu)化設(shè)計采取方法是充分優(yōu)化環(huán)間距，如果間距取得合適，使得主結(jié)與環(huán)結(jié)的電場強度同時達到臨界擊穿場強，此時對應(yīng)的反偏電壓為最大擊穿電壓，對應(yīng)的環(huán)間距為最佳環(huán)間距。一般地，擊穿電壓隨環(huán)個數(shù)增加而增加，但并非線性增加，環(huán)的個數(shù)越多，占用芯片面積越大，因此設(shè)計時要折衷考慮環(huán)的個數(shù)與擊穿電壓大小，使擊穿電壓滿足的前提下芯片面積占用率最低，也就是說電勢從陽極到器件末端上升得盡可能快。對于高壓器件必須設(shè)計多個場限環(huán)，讓每個環(huán)分擔(dān)外加電壓的一部分，場限環(huán)環(huán)間距離d及第i個環(huán)到i+1個環(huán)間的電壓V_i+1，i的計算公式：   式中ε為硅的介電常數(shù)為擊穿臨界電場結(jié)可以認為是單邊突變平面結(jié)其擊穿臨界電場   d為i環(huán)邊緣曲率中心到下一環(huán)邊緣的距離由上式計算的d是場限環(huán)最大允許間距，V_i+1，i為環(huán)間最大電壓。環(huán)間距離d愈小，環(huán)間電壓最大電場愈小。式中N_epi為外延層摻雜濃度。
  場板優(yōu)化設(shè)計的目的：加上場板以后的擊穿電壓(定義界面電荷值為1×10¹¹cm²)應(yīng)該達到相同結(jié)構(gòu)沒有場板時(定義界面電荷值為缺省值)的擊穿電壓。其中場板下氧化層厚度的確定是在滿足氧化層臨界擊穿的前提下近可能薄，使場板充分發(fā)揮電荷耦合作用。但氧化層厚度最小值受到氧化層擊穿電壓的限制，，其中t_ox為氧化層厚度，BV_pp為理想平等平面結(jié)的擊穿電壓，E_ox為SiO₂的臨界擊穿場強。場板的主要作用是屏蔽氧化層電荷、使場限環(huán)的作用得到充分發(fā)揮，同時降低自己對氧化層厚度的依賴性，從而和常規(guī)工藝兼容。所以，場板的優(yōu)化設(shè)計是要充分優(yōu)化氧化層厚度和場板長度，使場板邊緣與環(huán)間的電位差大于或等于相鄰環(huán)間電位差，達到使場限環(huán)承擔(dān)電壓的目的。
 
  2.2 模擬仿真和結(jié)果分析
  本文以Synopsis公司的MEDICI4.0為器件仿真工具,采用厚度100μm左右、摻雜濃度10¹⁴cm^-2量級的n<111>Si外延材料，設(shè)計了一個10個場限環(huán)和10個場板的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)，通過對場板長度、環(huán)間距、氧化層厚度等參數(shù)的調(diào)整，做到在350μm寬度的較小終端設(shè)計面積中模擬得到擊穿電壓滿足1200V的結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果如圖5所示。  
  對于一個優(yōu)化的終端結(jié)構(gòu)，擊穿應(yīng)該同時發(fā)生在每個場限環(huán)的結(jié)面彎曲處，所以電場強度和電流的均勻性分布是終端優(yōu)化結(jié)構(gòu)的一個標(biāo)志。圖5(a)為擊穿時在p阱結(jié)面彎曲處的電場強度分布圖，可見在擊穿發(fā)生時主結(jié)和場限環(huán)的結(jié)面彎曲處電場強度均勻分布。圖5(b)為器件發(fā)生擊穿時的電流流向圖，可見電流的分布也比較均勻，所以各個擊穿點同時發(fā)生擊穿，而不是發(fā)生在某個薄弱環(huán)節(jié)。
  以MEDICI4.0為器件仿真工具，對確定的場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同界面電荷情況下分別進行了仿真計算，結(jié)果如表1所示。  
  由仿真計算結(jié)果看出，對場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)當(dāng)氧化層界面電荷為1×10¹¹cm^-2時的擊穿電壓為1197V，比預(yù)計的1350V低158V，而復(fù)合終端結(jié)構(gòu)僅低39V。當(dāng)界面電荷從零變化到1×10¹¹cm^-2時，場限環(huán)終端擊穿電壓下降了100V，而復(fù)合終端結(jié)構(gòu)僅下降了31V。由此可說明本文設(shè)計的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)不僅擊穿電壓比場限環(huán)終端提高了，而且受界面電荷的影響也沒有場限環(huán)終端那么明顯，即場板顯現(xiàn)出了良好的電荷屏蔽效應(yīng)。
 
  3. 實驗結(jié)果
  為了驗證本文所設(shè)計的終端結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，本文采用1200V外延材料進行了小批量流片試制。流片后管芯做TO-247塑封，成品經(jīng)大功率圖示儀測試，擊穿電壓的測試結(jié)果如圖6所示，由圖可以看出擊穿值達到1250V，且擊穿曲線陡直、拐點明確，屬良好硬擊穿。經(jīng)過多次實驗結(jié)果驗證：在BV≥1200V@IR=40μA和IR≤100μA@BV=1200V條件下，芯片反向擊穿電壓和漏電流篩選成品率大于97%，且擊穿電壓的重復(fù)性和一致性良好。  
  目前采用該終端結(jié)構(gòu)的擊穿電壓1200V、額定電流為100A的FRD產(chǎn)品已經(jīng)通過多家客戶驗證并在公司實現(xiàn)量產(chǎn)，圓片實物如圖7所示。  
  4. 結(jié)論
  采用本文所設(shè)計終端結(jié)構(gòu)的1200V FRD，經(jīng)實際流片證明，擊穿電壓和漏電流指標(biāo)試制一次性成功，說明本文設(shè)計的終端結(jié)構(gòu)效果良好。按照該終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，通過調(diào)整保護環(huán)的數(shù)量和環(huán)間隙及外延材料參數(shù)，同樣適用于其它擊穿電壓FRD終端保護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，尤其對于擊穿電壓千伏左右的FRD器件終端結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用，同時對高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定借鑒意義。



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