MPS快恢復(fù)二極管工作原理與仿真測(cè)試

摘要：
  介紹了混合pin/肖特基(MPS)二極管快恢復(fù)二極管的工作原理，基于人們對(duì)于主功率開關(guān)器件并聯(lián)起箝位或緩沖作用的快速二極管提出的高要求即在具有超快和超軟恢復(fù)特性的同時(shí)又兼具有低的正向?qū)ê模詼p少芯片的發(fā)熱損耗。采用Silvaco仿真軟件對(duì)MPS結(jié)構(gòu)的兩款較快恢復(fù)二極管的正向特性進(jìn)行了研究并實(shí)際制作了器件，發(fā)現(xiàn)正向壓降與襯底摻雜濃度及載流子遷移率關(guān)系極大。分析了正向壓降的溫度特性，結(jié)果表明固定摻雜濃度的FRED器件，由于晶格散射對(duì)載流子遷移率起主導(dǎo)作用，正向壓降至正溫度系數(shù)特性；而對(duì)FRED器件，由于雜質(zhì)散射起主導(dǎo)作用，正向壓降至負(fù)溫度系數(shù)特性。
 引言
  隨著功率半導(dǎo)體器件開關(guān)速度的提高，特別是Power MOSFET、高速IGBT的出現(xiàn)，對(duì)于主功率開關(guān)器件并聯(lián)起箝位或緩沖作用的快速二極管提出了較高的要求，要求二極管在具有超快和超軟恢復(fù)特性的同時(shí)，又要具有盡量低的正向?qū)〒p耗，以減少芯片的自身發(fā)熱量實(shí)現(xiàn)節(jié)能，也能有效提高芯片的高溫工作特性。因此，研究續(xù)流二極管的正向特性及其溫度特性對(duì)于開關(guān)器件的使用至關(guān)重要。
 
  1. MPS結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管工作原理
  B.J.Baliga等人提出來(lái)混合pin/Schottky（merged pin/Schottky diode，MPS）二極管結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)示意圖1所示。指狀P+柵格與肖特基結(jié)間隔形成MPS二極管。

  相鄰的pn結(jié)為肖特基區(qū)保留了一個(gè)n型導(dǎo)電溝道，當(dāng)MPS正偏時(shí)，肖特基處于正向?qū)顟B(tài)，隨著漂移區(qū)區(qū)壓降的升高，pn-結(jié)被正向偏置，漂移區(qū)將出現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，有效降低了正向壓降(VF)
  當(dāng)MPS反偏時(shí)，pn結(jié)形成的耗盡區(qū)向溝道區(qū)擴(kuò)散，間隔排列pn結(jié)耗盡層在較大的反向電壓下發(fā)生連通，這個(gè)耗盡區(qū)將肖特基界面屏蔽于高場(chǎng)之外，避免了肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng)，極大提高了器件的耐壓，最終器件的擊穿電壓將接近pin結(jié)構(gòu)的雪崩擊穿電壓。
 
  2. 元器件設(shè)計(jì)
  利用silvaco仿真軟件在器件結(jié)構(gòu)和工藝等方面進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和工藝方案，同時(shí)對(duì)工藝及器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄，便于新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，節(jié)約了實(shí)際投料研制時(shí)間和成本，為充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體生產(chǎn)線來(lái)滿足市場(chǎng)需求創(chuàng)造條件。
 
  2.1 設(shè)計(jì)方法與分析
  (1)由于表面電場(chǎng)和pn結(jié)深有關(guān)，為了能使屏蔽效應(yīng)充分發(fā)揮，應(yīng)使pn結(jié)盡可能深。然而采取高能離子深注入，會(huì)損壞襯底且使pn結(jié)性能變壞致使漏電流增大。同時(shí)，為承受反向耐壓，pn結(jié)的耗盡層主要在n-區(qū)，p+區(qū)的摻雜濃度應(yīng)盡可能高。對(duì)于注入效率，它隨著摻雜濃度的增加而提高。通過(guò)上述考慮，p區(qū)的深度設(shè)計(jì)為4µm，濃度。 
  (2)n區(qū)的設(shè)計(jì)考慮：擊穿電壓和正向壓降。為滿足1200V以上的擊穿電壓，并盡量減少導(dǎo)通電阻以降低正向壓降，最終折中選擇兩種硅襯底材料進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。選用電阻率為62Ω·cm的單晶硅片，與n⁺襯底上生長(zhǎng)電阻率為80 Ω·cm的外延硅片。對(duì)于背n⁺區(qū)的濃度，需要較大的雜質(zhì)濃度。因此器件設(shè)計(jì)采用濃度為的n⁺區(qū)以實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。選擇實(shí)現(xiàn)肖特基接觸的材料為常用金屬鋁。
  (3)同時(shí)，選擇電場(chǎng)限制環(huán)的方法，降低表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，獲得了穩(wěn)定的體內(nèi)雪崩擊穿
特性。
  (4)設(shè)計(jì)的MPS結(jié)構(gòu)中肖特基區(qū)域面積與pin區(qū)域各占元胞區(qū)的1/2，MPS快恢復(fù)二極管與肖特基二極管一樣，在較低的正向壓降下(小于0.5V)肖特基區(qū)域就出現(xiàn)電流。其開態(tài)電流密度是肖特基二極管的1/2。
 
  2.2 MPS快恢復(fù)二極管正向壓降仿真
  仿真過(guò)程中指定ATLAS所用的物理模型有與雜質(zhì)濃度相關(guān)的載流子遷移率模型(conmob)、受橫向電場(chǎng)影響的載流子遷移率模型(fldmob)、肖克萊復(fù)合模型(srh)、俄歇深能級(jí)注入引起的復(fù)合模型(auger)、禁帶變窄模型(bgn)和希爾波特模型。通過(guò)材料語(yǔ)句的定義覆蓋上面模型中的默認(rèn)值，定義了載流子的復(fù)合壽命。
  反震結(jié)構(gòu)的原胞面積為30µm×1µm，按照實(shí)際制作元胞總面積為4.46mm²計(jì)算，器件的額定工作電流IF為15A，在本仿真中單元胞電流應(yīng)該為。配合Silvacao軟件以電流密度的方式現(xiàn)示電流參數(shù)，查看器件在15A條件下的正向壓降VF折合到本仿真中電流密度為。本文中仿真的器件正面結(jié)構(gòu)相同，采用的公函數(shù)相同均為4.97eV。
 
  2.3 正向壓降VF仿真結(jié)果
  對(duì)于單晶硅片制作的MPS快速恢復(fù)二極管，選取硅襯底的摻雜濃度作為仿真變量，單晶硅電阻率分別為30，45,62，和80 Ω·cm，仿真結(jié)果見圖2，發(fā)現(xiàn)隨著摻雜單晶襯底電阻率的關(guān)系如圖3所示。
  同樣地，對(duì)于硅外延制作的MPS快速恢復(fù)二極管，選取外延層的摻雜濃度作為仿真變量，外延層電阻率分布為28，35,62,70和80 Ω·cm；圖4即為具有相同器件結(jié)構(gòu)，不同外延層電阻率的FRED正向壓降的局部放大圖。從仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)RED的正向?qū)▔航礦F也隨電阻率的增加而變大，兩者間關(guān)系如圖5所示。

  考慮MPS二極管器件一個(gè)元胞的正向壓降   式中：q為電荷量；ND為施主濃度；Xj為p區(qū)深度；A為理查德常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；φn為肖特基勢(shì)壘高度；µn為電子遷移率；t為耗盡層寬度；JFC為單元電流密度。由式（1）看出基區(qū)體壓降部分與摻雜濃度和載流子遷移率關(guān)系不大；雜質(zhì)濃度越高，正向壓降越小。因?yàn)榉抡嬷卸x同一量級(jí)摻雜濃度，雜質(zhì)散射對(duì)遷移率的影響較小，因此正向壓降隨著電阻率的增加而變大。
  
  3. 實(shí)驗(yàn)方案與工藝流程
  按照仿真結(jié)果，在保證反向耐壓的情況下，采用短基區(qū)寬度設(shè)計(jì)，并考慮背面高濃度注入以增加歐姆接觸，對(duì)外延硅片與單晶硅片分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案。
  外延硅片上的MPS二極管工藝流程為：場(chǎng)氧，光刻→硼注入（正面p+）→氧化推阱→光刻，POCL→氧化，光刻→淀積鋁→燒結(jié)→鈍化層→電子輻照→退火→磨片→磷注入（背面n⁺）→快退火→背面金屬化→芯片測(cè)試→封裝→成品測(cè)試。制作的快恢復(fù)二極管器件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
  單晶硅片上MPS二極極管工藝流程為：場(chǎng)氧，光刻→硼注入（正面p+）→氧化推阱→光刻，POCL→氧化，光刻→淀積鋁→燒結(jié)→鈍化層→磨片→深磷注入（n⁺緩沖層）→磷注入（背面n⁺）→背面金屬化→芯片測(cè)試→封裝→成品測(cè)試。實(shí)際制作的單晶快恢復(fù)二極管器件結(jié)構(gòu)如圖7所示。
  從上述結(jié)構(gòu)圖中可以看出，兩種方案的正面工藝相同，區(qū)別在于單晶硅片上制作的快恢復(fù)二極管采用的是緩沖層結(jié)構(gòu)，外延硅片上制作的器件則是增加了電子輻照工藝。
 
  4. 測(cè)試結(jié)果
  4.1正向壓降VF參數(shù)
  對(duì)上述制作的兩種器件在靜態(tài)工作電流IF=15A條件下測(cè)試，將實(shí)測(cè)VF仿真結(jié)果進(jìn)行比較
(表1和表2)。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致，對(duì)于外延硅制成的FRED器件，因?qū)嶋H制作過(guò)程中采用了電子輻照工藝，載流子壽命降低，有效減小反向恢復(fù)時(shí)間的同時(shí)導(dǎo)致了正向壓降的升高。對(duì)單晶硅襯底制作的FRD器件，未采用電子輻照技術(shù)且硅電阻率較小，正向壓降比FRED器件小0.4V，得到的VF仿真結(jié)果與實(shí)際器件的VF參數(shù)如表2所示。  
  4.2 正向壓降VF與溫度的關(guān)系
  針對(duì)快恢復(fù)二極管實(shí)際并聯(lián)使用，對(duì)兩款器件VF參數(shù)的溫度系數(shù)分別進(jìn)行了測(cè)試，F(xiàn)RD呈現(xiàn)正溫度系數(shù)特性，而外延FRED器件呈負(fù)溫度特性。
  由式(1)可以看出，基區(qū)體壓降部分受載流子遷移率的影響較大。而實(shí)際的遷移率由雜質(zhì)散射與晶格散射兩種機(jī)制的疊加：由雜質(zhì)散射所造成的
遷移率µ1隨T^-3/2/NT變化，NT為總雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)散射效應(yīng)在低溫下較為顯著，因而遷移率隨溫度的增加而增加，導(dǎo)通電壓VF隨溫度增加而減小。當(dāng)器件溫度升高，則晶格散射開始起作用，遷移率將隨T^-3/2減少，又會(huì)增加。
  對(duì)于外延FRED器件，襯底極高的摻雜濃度決定了正向壓降的溫度相關(guān)性；在室溫下雜質(zhì)散射效應(yīng)起主導(dǎo)作用，呈現(xiàn)為在外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下正向壓降VF隨溫度升高變小，但是變小的趨勢(shì)隨溫度增加向放緩，如圖8下箭頭所示。當(dāng)對(duì)器件加入電壓，隨著外電場(chǎng)增加，加強(qiáng)了載流子對(duì)晶格的碰撞。此時(shí)，晶格散射機(jī)制的影響增大，遷移率減小，VF減小緩慢，如圖8所示，因此高濃度襯底決定了器件正常工作電流范圍內(nèi)呈明顯的負(fù)溫度特性，所以外延硅制作的二極管在很寬的材料電阻率范圍內(nèi)都呈現(xiàn)負(fù)阻特性。   對(duì)于低摻雜濃度僅為的單晶硅制成的FRD器件而言，同樣的，在外加低壓情況下，雜質(zhì)散射效應(yīng)較顯著，遷移率隨溫度的增加而增加，因此，正向壓降時(shí)隨溫度增加而減小，如圖9下箭頭；當(dāng)IF達(dá)到8A時(shí)，即在外加高電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電子移動(dòng)加快，在雜質(zhì)原子附近停留時(shí)間較短，又由于晶格散射嚴(yán)重，遷移率減小，兩種散射機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)在一定的外電場(chǎng)下取得了平衡。此時(shí)，載流子遷移率幾乎不隨溫度變化，正向壓降趨于一平衡點(diǎn)。   因此襯底摻雜低濃度決定了載流子遷移率不隨溫度變化的平衡點(diǎn)。當(dāng)器件處在更大的外電壓驅(qū)動(dòng)下，晶格散射將完全去主導(dǎo)作用，外電場(chǎng)的增加，加強(qiáng)了對(duì)晶格的密集碰撞。隨著溫度升高，遷移率迅速減小，VF增加明顯，因此，正向壓降呈現(xiàn)明顯的正溫度特性，如圖9上箭頭所示。
  事實(shí)上，在實(shí)際制作工藝中適當(dāng)提高單晶襯底硅的摻雜濃度，提升雜質(zhì)散射效應(yīng)的影響，將平衡點(diǎn)往最大工作電流條件下推移，可以制作出零溫度特性的單晶快速軟恢復(fù)二極管，這將對(duì)器件的并聯(lián)使用極為有利。
 
  5.結(jié)論
  利用Silvaco仿真軟件在器件結(jié)構(gòu)和工藝方面對(duì)快恢復(fù)二極管正向壓降特性進(jìn)行仿真研究，并制作出兩款1200V，15A低功耗快恢復(fù)二極管。發(fā)現(xiàn)正向壓降與摻雜濃度關(guān)系極大，正向壓降隨著電阻率的增加而變大。
  溫度對(duì)載流子遷移率影響較大，單晶FRD器件由于晶格散射起主導(dǎo)作用正向壓降呈正溫度系數(shù)特性；外延FRED器件由于雜質(zhì)散射起主導(dǎo)作用呈負(fù)溫度系數(shù)特性。
  在實(shí)際制作中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于外延硅材料制作的快恢復(fù)二極管，在正常工作電流范圍內(nèi)呈明顯的負(fù)溫度特性；對(duì)于單晶硅材料制作的快恢復(fù)二極管，單晶硅材料電阻率決定了器件的溫度特性，巧妙選取單晶硅襯底摻雜濃度可以制得在最大正向電流下，正向壓降VF與溫度無(wú)關(guān)的快恢復(fù)二極管，這將極利于器件的并聯(lián)運(yùn)行。
 
 
 
 



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