具有場限環(huán)終端的6500V 4H-SiC結(jié)勢壘肖特基二極管

  隨著電力系統(tǒng)對電力電子器件性能提高的需求不斷增加，亟需提升器件的耐壓、通流能力和開關(guān)速度，并降低損耗，但是硅功率器件的性能已慢慢接近其理論極限，如由其材料本身特性所決定的雪崩擊穿臨界電場強(qiáng)度以及工作溫度等，然而SiC具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場強(qiáng)度、高飽和載流子速度以及其他優(yōu)良的物理特性，故碳化硅是一種制作功率器件的理想的半導(dǎo)體材料。
  同硅基pn二極管相比，SiC肖特基二極管（SBD）有很大優(yōu)勢，其中包含結(jié)勢壘的碳化硅肖特基二極管（即SiC JBS器件）既存在pn結(jié)又存在金屬半導(dǎo)體接觸，具有開啟電壓小、耐壓高及漏電流較小的優(yōu)勢，兼具了pin二極管和肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)，適用于制作1.2~10kV中高壓器件，在電源轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)汽車、電力電子產(chǎn)品和遠(yuǎn)距離高壓輸電等電力供應(yīng)設(shè)備中應(yīng)用廣泛。
  本文報(bào)道了一種具有場限環(huán)終端的6500V 4H-SiC JBS二極管器件，介紹了設(shè)計(jì)、仿真的過程和結(jié)果，并對其進(jìn)行流片和測試，器件測試結(jié)果表明；在器件電流為2A時(shí)，正向?qū)▔航禐?V，器件反向阻斷電壓可達(dá)8kV。
 
1. 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
1.1材料參數(shù)確定
  對于高壓碳化硅器件，漂移層是器件承受反向耐壓的部位，其參數(shù)直接決定器件的反向耐壓能力的大小，漂移層摻雜濃度越低、厚度越大，器件反向耐壓越高，但同時(shí)器件的通態(tài)電阻越大，為得出合適的漂移層參數(shù)，分別對其漂移層摻雜濃度和厚度的正反向特性進(jìn)行仿真，采用SentaurusTCAD軟件，仿真時(shí)溫度設(shè)為25℃、固定JBS有源區(qū)p+型區(qū)寬度W=2µm、p+型區(qū)間距S=2.5µm。
  為研究漂移層厚度對器件反向特性的影響，對不同漂移層厚度進(jìn)行正反向特性仿真，n-漂移區(qū)的摻雜濃度選擇為1.1×10¹⁵cm^-3，仿真中電壓設(shè)為0~12000V，圖1位器件反向特性仿真結(jié)果。當(dāng)n-漂移區(qū)厚度分別為55、60、65、70、75和80µm時(shí)，耐壓能力逐漸增大，從8584V增大到10510V，由于實(shí)際材料存在缺陷或器件制備過程存在工藝誤差，故需要耐壓值留有裕量，故要達(dá)到6.5kV的耐壓，漂移層厚度選擇60µm以上。

  圖2為器件正向特性的仿真結(jié)果，仿真電壓設(shè)為0~5V，由圖可知漂移區(qū)厚度越大，通態(tài)電阻和通態(tài)壓降越大，其導(dǎo)通電流越小。綜合評估器件正反向特性，在耐壓達(dá)到目標(biāo)值后，漂移區(qū)厚度越小越好，故漂移區(qū)厚度取60~70µm較為合適。   為了研究漂移區(qū)摻雜濃度對器件反向特性的影響，對不同漂移區(qū)濃度進(jìn)行正向、反向特性仿真，n-漂移區(qū)厚度為60µm，仿真中將電壓設(shè)為0~12000V，圖3所示為器件反向特性仿真結(jié)果。當(dāng)n-漂移區(qū)濃度從0.8×10¹⁵cm^-3增大到2.0×10¹⁵cm^-3時(shí)，其耐壓能力從9705V減小到6807V，圖4為器件正向特性仿真結(jié)果。仿真中電壓設(shè)為0~5V，當(dāng)n-漂移區(qū)濃度從0.8×10¹⁵cm^-3增大到2×10¹⁵cm^-3時(shí)，其通態(tài)電阻逐漸減小，綜合其正反向特性，并考慮工藝誤差和材料缺陷，漂移層摻雜濃度取1.0×10¹⁵cm^-3左右。  
1.2 元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
  圖5為4H-SiC二極管元胞的剖面示意圖，二極管元胞的結(jié)構(gòu)由上向下分別為肖特基接觸、p-i-n區(qū)域、漂移層、襯底和歐姆接觸。襯底的摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，漂移層厚度H為60µm，摻雜濃度Nd為1.08×10¹⁵cm^-3，p+區(qū)間距為S，p+區(qū)的寬度為W，深度為d。   P+環(huán)寬W和間距S的比值會(huì)對JBS的正反向特性產(chǎn)生影響，因?yàn)槠鋾?huì)影響器件肖特基接觸區(qū)域的表面電場，進(jìn)而影響器件的反向漏電流，并會(huì)對陽極有效肖特基接觸面積產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響器件的正向?qū)娏?。采用SentaurusTCAD軟件，仿真溫度設(shè)為25℃、仿真電壓設(shè)為0~12000V、p+區(qū)的寬度W=2µm時(shí)，且p+區(qū)間距S取不同值，電壓設(shè)為0~5V，對器件正反向特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。   由圖6（a）中可以看出，有源區(qū)中p型區(qū)間距從1µm增大到3µm的過程中，耐壓在8950V~9200V內(nèi)變化。在p+區(qū)寬度固定的條件下，間距越小，耐壓越大；這是因?yàn)閜型區(qū)間距越小，在承受反向耐壓時(shí)，相鄰p型區(qū)產(chǎn)生的耗盡層能夠更有效地屏蔽來自肖特基接觸的電場，從而更有效地保護(hù)肖特基接觸面。從圖6（b）中可以看出，隨著p型區(qū)間距的減小，有源區(qū)的通態(tài)電阻逐漸增大，當(dāng)p型區(qū)間距減小到1.5µm時(shí)，有源區(qū)的開啟電壓顯著增大到2.5V，這是由于當(dāng)相鄰p型區(qū)的自然耗盡層過于接近時(shí)，堵塞了電流的通道。結(jié)合正反向特性綜合考慮，p型區(qū)的間距優(yōu)選值為1.5、2、2.5µm。
 
1.3 終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
  終端結(jié)構(gòu)是決定器件耐壓的重要因素，場限環(huán)結(jié)構(gòu)是平面型高壓器件主流終端保護(hù)結(jié)構(gòu)之一，用來降低終端結(jié)曲率效應(yīng)引起的表面電場集中，提高擊穿電壓。場限環(huán)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可以與主結(jié)p+注入同時(shí)形成，不必添加另外的工藝，同單區(qū)結(jié)構(gòu)終端擴(kuò)展（JTE）結(jié)構(gòu)相比，其耐壓能力對摻雜濃度相對不敏感。環(huán)的個(gè)數(shù)、場限環(huán)注入濃度、主結(jié)和環(huán)的間距、環(huán)與環(huán)之間的間距等參數(shù)都對其耐壓能力有顯著影響。采用SentaurusTCAD仿真工具在現(xiàn)有的外延材料基礎(chǔ)上進(jìn)行不同場限環(huán)結(jié)構(gòu)對耐壓特性的影響的仿真。圖7位場限環(huán)個(gè)數(shù)對器件耐壓特性影響的仿真結(jié)果，結(jié)果顯示，隨著環(huán)個(gè)數(shù)從30個(gè)增加到100個(gè)，耐壓能力先上升，后在小于等于70個(gè)環(huán)時(shí)達(dá)到飽和，對70個(gè)環(huán)時(shí)電場強(qiáng)度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8中可看出，電場在66個(gè)環(huán)左右耗盡，其有效場限環(huán)個(gè)數(shù)為66個(gè)，為留有裕量，器件采用場限環(huán)個(gè)數(shù)為70個(gè)。通過對70個(gè)場限環(huán)寬度、間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了11種不同結(jié)構(gòu)的場限環(huán)終端，編號為T1~T11，11種不同場限環(huán)仿真結(jié)果如圖9所示。仿真中電壓設(shè)為0~12000V，不同的場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)下，擊穿電壓在8220V~8450V內(nèi)變化。  
  根據(jù)圖9的結(jié)果并綜合考量終端的長度、最小線寬，評估后認(rèn)為T2、T9和T10結(jié)構(gòu)均可作為器件的終端結(jié)構(gòu)。
 
2. 器件制備
  該SiC JBS采用n型外延材料，其厚度為60µm、摻雜濃度為1.08×10¹⁵cm^-3，元胞p+區(qū)間距選取2.5µm。首先對樣品進(jìn)行表面處理，采用美國無線電公司（RCA）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行器件清洗，通過在500℃的條件下進(jìn)行Al離子注入形成器件元胞區(qū)的p+摻雜及場限環(huán)終端，并采用濺射形成的碳膜保護(hù)進(jìn)行退火，在1800℃的氬氣氛圍下退火10min，實(shí)現(xiàn)了注入后的損傷修復(fù)和激活。隨后通過濺射金屬Ni，并在1000℃下退火3min實(shí)現(xiàn)歐姆接觸電極的制備。之后，通過蒸發(fā)金屬Ti，并進(jìn)行高溫退火，實(shí)現(xiàn)肖特基接觸電極的制備。然后采用SiO2、SiN層和聚酰亞胺制備表面鈍化層。制備出6.5kV 4H-SiC JBS二極管，如圖10所示。二極管芯片面積為4mm×4mm，有源區(qū)面積為2.38mm×2.38mm。  
3. 流片結(jié)果測試與分析
  為驗(yàn)證器件性能，本文采用1505A功率器件分析儀及N1268A高壓測試模塊對器件進(jìn)行測試。N1268A高壓測試模塊最高測試電壓可達(dá)10kV。
  對6500V 4H-SiC JBS二極管器件正反向特性進(jìn)行測試，測試溫度為25℃，測試脈沖寬度為1ms。測試結(jié)果如圖11所示，器件開啟電壓為1.3V，在器件電流為2A時(shí)，正向?qū)▔航禐?V，因?yàn)橛性磪^(qū)面積為2.38mm×2.38mm，故電流密度為3.53×10⁵A/m²，器件反向阻斷電壓為8kV左右，終端保護(hù)效率達(dá)到95%，滿足設(shè)計(jì)要求。   制備的器件開啟電壓1.3V，設(shè)計(jì)的正向開啟電壓0.7V，實(shí)際開啟電壓大于設(shè)計(jì)的開啟電壓，故對器件元胞區(qū)在掃描電鏡（SEM）下進(jìn)行觀察，分析SEM結(jié)果以及仿真結(jié)果，認(rèn)為其開啟電壓增大的原因是在工藝過程中由于工藝誤差，器件實(shí)際p型區(qū)寬度大于設(shè)計(jì)值，圖12為SEM測試結(jié)果。由圖12可知，有源區(qū)中p型區(qū)寬度為2.17µm，且存在橫向注入散射，散射后的條寬為3.237µm，與設(shè)計(jì)值2µm相比，產(chǎn)生了很大的誤差，p型區(qū)寬度增大會(huì)導(dǎo)致開啟電壓增大，故流片后器件開啟電壓偏大。  
4. 結(jié)論
  通過對器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化制備了具有場限環(huán)終端的6500V 4H-SiC結(jié)勢壘肖特基二極管，器件的開啟電壓為1.3V，在器件電流密度為3.53××10⁵A/m²時(shí)，正向?qū)▔航禐?V，器件反向阻斷電壓最高可達(dá)8kV，終端保護(hù)效率達(dá)到96%。該器件采用場限環(huán)結(jié)構(gòu)終端，有效避免了JTE終端結(jié)構(gòu)因工藝原因產(chǎn)生的有效空穴濃度變化較大而造成的終端耐壓能力下降的問題，提高了終端保護(hù)效率。



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