快恢復(fù)二極管的結(jié)終端技術(shù)

  目前行業(yè)內(nèi)主要的結(jié)終端技術(shù)包括：場限環(huán)結(jié)構(gòu)、場板結(jié)構(gòu)、結(jié)終端擴(kuò)展、橫向變摻雜、半絕緣多晶硅薄膜表面鈍化技術(shù)等。
 
  1. 場限環(huán)(Floating Field Ring)技術(shù)
  場限環(huán)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散形成PN主結(jié)的同時，在其周圍做同樣摻雜的一個或多個環(huán)，場限環(huán)與主結(jié)及其它電極并無電接觸，因此又稱為浮空場限環(huán)。如圖1所示。場限環(huán)技術(shù)使目前功率器件中普遍采用的一種終端技術(shù)。它的工藝非常簡單，可以與主結(jié)一起擴(kuò)散形成，無須增加任何工藝步驟。

  當(dāng)主結(jié)上反向偏壓增加至導(dǎo)致第一環(huán)和主結(jié)間的穿通時，耗盡區(qū)從主結(jié)擴(kuò)展到第一環(huán)，于是主結(jié)上的最大電場受到限制。繼續(xù)增加主結(jié)上的反向偏壓，則耗盡區(qū)由第一環(huán)結(jié)向N區(qū)擴(kuò)展直至第二環(huán)為止，如此類推，最后在最外環(huán)的柱面結(jié)或球面結(jié)上出現(xiàn)雪崩擊穿。于是，我們就達(dá)到了利用浮空P+環(huán)來抑制主結(jié)的邊緣曲率效應(yīng)引起的電場集中，從而提高了器件的邊緣擊穿電壓。
  擴(kuò)散保護(hù)環(huán)的擊穿電壓的分析比較復(fù)雜，它與許多因素有關(guān)，例如環(huán)間距、環(huán)寬、摻雜濃度及梯度、結(jié)深和表面電荷等。
  場限環(huán)技術(shù)仿真試驗結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2(a)展示了場限環(huán)單環(huán)和三環(huán)在反向偏置時，耗盡區(qū)的分布情況圖2 (b)比較了兩種情況下最大電場強(qiáng)度的變化：圖2 (c)比較了兩種情況下?lián)舸╇妷旱淖兓Ｍㄟ^仿真實驗比較，可知多場限環(huán)多場板終端技術(shù)可以有效提高器件的耐壓性，同時降低最大電場強(qiáng)度，提高器件的可靠性。   2. 場板技術(shù)
  場板技術(shù)是把金屬條或者低阻多晶硅條擴(kuò)展到結(jié)外N區(qū)的上方，當(dāng)器件的主結(jié)上加反向偏壓時，由于場板相對于N區(qū)為負(fù)電位，抵消了SiO2層中的正電荷對N區(qū)表面的影響，并且排斥表面電子，使表面耗盡區(qū)擴(kuò)展得比體內(nèi)更寬，因而改善了表面擊穿特性，提高了邊緣擊穿電壓，如圖3所示。   在場板技術(shù)中，場板下的氧化層對擊穿電壓影響很大。研究表明，當(dāng)氧化層厚度較小時，擊穿發(fā)生在場板邊緣而當(dāng)氧化層較厚時，擊穿將發(fā)生在結(jié)附近。因此，在結(jié)附近，如果氧化層厚度越薄，場板降低電場強(qiáng)度和雪崩倍增的作用就越大，就能更有效的減小曲率電場，所以在結(jié)附近，氧化層的厚度應(yīng)盡可能薄一些；在場板邊緣，當(dāng)氧化層較博時，氧化層上的電壓降相對于總的擊穿電壓值可以忽略，由于場板邊緣的電場集中(類似于柱面結(jié))，擊穿先于平面結(jié)發(fā)生在場板邊緣當(dāng)場板邊緣的氧化層較厚時，電力線聚集在氧化層內(nèi)而不是N區(qū)內(nèi)，氧化層上壓降很大，減少了N區(qū)內(nèi)的壓降，因此在場板邊緣的氧化層厚度應(yīng)盡可能厚一些。  
  3. 結(jié)終端斜面化和腐蝕
  斜表面(Bevelled Sufface)分為正負(fù)兩種。如圖4所示。從P+重?fù)诫s到N輕摻雜半導(dǎo)體面積不斷減小，稱之為正斜表面，反之為負(fù)斜表面。正斜表面可使表面最大電場強(qiáng)度隨著正斜面角度的増大而減小。
  PN結(jié)兩邊的耗盡層在任何偏壓下都必然會自動調(diào)整滿足總體電中性要求。N+區(qū)耗盡層的正電荷產(chǎn)生的電力線將全部終止在P+區(qū)耗盡層的負(fù)電荷上，在正斜表面的情況下，電力線密度隨著穿進(jìn)P區(qū)的距離而下降的程度比正交情形慢，因為電力線除了不斷被終止于P區(qū)負(fù)電荷外，由于面積不斷增加，電力線同時不斷的發(fā)散，這就造成電場在P區(qū)衰減比正交時更為緩慢。
  由于電場下的面積代表了電壓，不會變化，現(xiàn)在電場既然變化慢了，電場終止的距高又增加，所以最大電場變小。同理，可以解釋負(fù)斜表面使最大電場強(qiáng)度增大的原因。
  現(xiàn)在可以知道采用結(jié)終端斜面化或腐蝕技術(shù)可以有效降低電場強(qiáng)度，提高擊穿電壓。如果再結(jié)合表面鈍化工藝，一般擊穿就不會發(fā)生在表面上了。
 
  4. 結(jié)終端擴(kuò)展(JTE)
  如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)最早由Temple提出，其通過控制表面電場，提高雪崩擊穿電壓。以后提出的P-π-N-N+結(jié)構(gòu)、RESURF結(jié)構(gòu)和橫向變化摻雜技術(shù)在原理和工藝上與結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)大同小異。
  這種技術(shù)最初是在PN結(jié)的一定區(qū)域內(nèi)注入薄層雜質(zhì)，這樣PN結(jié)就在器件表面擴(kuò)展，結(jié)終端擴(kuò)展的名字也由此而來。這種結(jié)構(gòu)對采用平面工藝制造的平面結(jié)終端器件作用不大，原因是注入?yún)^(qū)域太薄，無法有效改善結(jié)構(gòu)彎曲處的電場分布。
  如果結(jié)終端擴(kuò)散區(qū)的深度大于或等于主結(jié)的結(jié)深，會有效改善結(jié)構(gòu)彎曲處的電場分布，也會明顯地改善PN結(jié)的擊穿特性。   實踐證明，利用結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)可以用較小的終端面積(相對于場限環(huán))獲得較高的平面結(jié)擊穿電壓。但是，這項技術(shù)也有明顯的弱點不管是結(jié)終端擴(kuò)展，還是橫向變化摻雜技術(shù)，亦或是P-π-N-N+結(jié)構(gòu)和RESURF結(jié)構(gòu)，從實際結(jié)構(gòu)看它們都增加了PN結(jié)面積，所以反向漏電流和結(jié)電容會增大，與場限環(huán)技術(shù)一樣，它對于界面電荷也是非常敏感的，同時這一技術(shù)制造工藝比較復(fù)雜，這不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
 
  5. 表面鈍化
  若表面缺陷如位錯以及鈉離子和鉀離子的污染，就會引起表面的漏電流和最大電場強(qiáng)度的增大，最終導(dǎo)致器件擊穿電壓的下降。可以采用表面鈍化工藝改善這些不利的情況。半絕緣多晶硅薄膜(semi-insulating polycrystalline silicon簡稱SIPOS）和氮化硅(SiN)或氮化硅薄膜可以有效的控制雜質(zhì)離子的擴(kuò)散。
  討論了各種終端技術(shù)后，應(yīng)該知道除了擊穿電壓外，采用哪種終端技術(shù)決定于許多因素。首先，器件的尺寸，對于小尺寸的器件，斜表面的技術(shù)就不是適合的方法，最常用的是場限環(huán)，可以達(dá)到平行平面擊穿電壓的80%；其次，若在一片晶圓(wafer)上就是一個器件的大尺寸器件，則斜表面技術(shù)就可能最好，因為它幾乎可以達(dá)到理想的擊穿電壓，而且表面電場強(qiáng)度降低很多，對表面鈍化的要求也可放寬，對大多數(shù)整流器比較適合。



上一篇：高壓大功率快恢復(fù)二極管靜態(tài)特性及設(shè)計依據(jù)
下一篇：快恢復(fù)二極管的反向偏置技術(shù)