碳化硅PiN二極管的外延層和終端設(shè)計(jì)

  SIC PiN二極管的制造應(yīng)用了具有n^-外延層(低摻雜而且厚)的n⁺晶片,n^-外延層生長在n⁺外延緩沖層上。p⁺陽極區(qū)的形成可以通過應(yīng)用高摻雜的外延層或離子注入鋁、硼雜質(zhì)。一般情況下，如圖1所示,與離子注入PiN二極管相比,具有p⁺外延層陽極的PiN二極管有更低的開態(tài)壓降,這是因?yàn)楦叩膒型雜質(zhì)的活性決定了向厚的低摻雜外延層注入載流子的效率。這種二極管的阻斷電壓由兩點(diǎn)決定:①提供阻擋電壓的外延層(本征區(qū)域)的摻雜濃度和厚度;②器件制造中的終端技術(shù)?？傊?載流子的輸運(yùn)能力取決于器件的本征層區(qū)域和少數(shù)載流子壽命。由于器件反偏工作時(shí)保持高電場(chǎng),所以減少襯底缺陷十分重要(如微管和外延工藝導(dǎo)致的缺陷)。

 
  1. 高擊穿電壓外延層設(shè)計(jì)
  為了實(shí)現(xiàn)PiN二極管高的擊穿電壓,重要的是n-外延層摻雜和厚度的設(shè)計(jì)。當(dāng)器件處于反偏時(shí),最大電場(chǎng)出現(xiàn)在p⁺/n^-結(jié)處,而且n^-外延層中的電場(chǎng)梯度由摻雜決定,電場(chǎng)延伸的區(qū)域由厚度決定。n^-外延層的摻雜濃度和厚度決定了器件的阻斷電壓。為了設(shè)計(jì)一定的關(guān)斷電壓,n^-外延層/n⁺緩沖層之間的結(jié)如果存在有限電場(chǎng),則n^-外延層設(shè)計(jì)為穿通情況。另一方面,非穿通設(shè)計(jì)相當(dāng)于本征層厚度等于或大于平行平面雪崩擊穿寬度。在典型的超高壓設(shè)計(jì)中,穿通設(shè)計(jì)用于保持外延層厚度在一個(gè)合理范圍。對(duì)于這種情況,本征層的厚度可由基本的耗盡公式得到,即   式中,V_B是器件的關(guān)斷電壓;W是外延層厚度;N_D是外延層摻雜濃度;q是基本電荷;ε是SiC的介電常數(shù),面E_C(N_D)是本征層摻雜濃度表示的臨界電場(chǎng)。常用的經(jīng)驗(yàn)公式表示了臨界電場(chǎng)對(duì)本征層摻雜濃度的依賴關(guān)系,即   通過應(yīng)用式(1)和式(2),圖2顯示了由本征層摻雜濃度和厚度決定的理想擊穿電壓。擊穿電壓隨摻雜濃度減少是因?yàn)榧僭O(shè)E_C近似不變,但這并不準(zhǔn)確。邊緣終端設(shè)計(jì)和材料缺陷影響了超高電壓器件的擊穿電壓,非常高的擊穿電壓一般通過超高電壓PiN二極管實(shí)現(xiàn)。  
  2. SiC PiN二極管終端設(shè)計(jì)
  從器件設(shè)計(jì)的角看,獲得高壓PiN二極管中最大的技術(shù)挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)有效的邊緣終端。這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵是使電場(chǎng)在器件邊緣分布均勻,達(dá)到外延層理想的擊穿電壓。傳統(tǒng)上的許多技術(shù),如保護(hù)環(huán)、場(chǎng)限環(huán)和槽保護(hù)環(huán)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,另外一個(gè)較常使用的邊緣終端設(shè)計(jì)就是通過注入適量的p型電荷,來逐漸減少器件邊緣的電場(chǎng)。這種技術(shù)稱為結(jié)終端擴(kuò)展( Junction Termination Extension,JTE)。利用近似臨界擊穿電場(chǎng),設(shè)計(jì)的JTE電荷取決于低摻雜n型區(qū)的摻雜濃度。圖3顯示了理想單位面積上注入JTE區(qū)域的全部電荷。利用JTE設(shè)計(jì)高壓硅器件時(shí),一般使用比理論預(yù)測(cè)分析的電荷少25%的JTE電荷,這是因?yàn)槌^理想值的JTE電荷將導(dǎo)致?lián)舸╇妷貉杆傧陆?而略小于優(yōu)化值的電荷不會(huì)強(qiáng)烈影響器件的擊穿電壓。用于SiC中相對(duì)應(yīng)的75% JTE電荷也顯示在圖3中。  



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