蔡 震，馬洪江

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

眾所周知，電力整流管是電力半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、用途最廣泛的一種器件。通常應(yīng)用的有普通整流二極管、肖特基二極管、PIN 二極管、MPS二極管。它們相互比較各有特點(diǎn):普通整流管具有較小的漏電流，較高的通態(tài)電壓降(1.0－1.8)和幾十微秒的反向恢復(fù)時(shí)間;肖特基整流管具有較低的通態(tài)壓降(0.3～0.6)，較大的漏電流，反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為零;而PIN 快恢復(fù)整流管具有較快的反向恢復(fù)時(shí)間(幾百ns～2μs)，但其通態(tài)壓降很高(1.6～4.0)。為了滿足快速開關(guān)器件應(yīng)用配套需要，人們利用大規(guī)模集成電路工藝和精細(xì)的鑲嵌結(jié)構(gòu)，將肖特基整流管和PIN 整流管的優(yōu)點(diǎn)集于一體，研制出MPS(Merged PIN/Schottky diode)結(jié)構(gòu)的電力整流管，它不僅具有較高的反向阻斷電壓，而且其通態(tài)壓降很低，反向恢復(fù)時(shí)間很短，反向恢復(fù)峰值電流很小，具有軟的反向恢復(fù)特性。

1 基本原理

在高壓、大電流的電路中，為提高其開關(guān)速度，可以采用摻雜重金屬雜質(zhì)和通過電子輻照的辦法減小少子壽命，但這又會(huì)不同程度的造成二極管的硬恢復(fù)特性，在電路中引起較高的感應(yīng)電壓，對(duì)整個(gè)電路的正常工作產(chǎn)生重要影響。

為了改善高壓硅開關(guān)管的正向和反向特性，Baliga 提出了MPS 結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

MPS 器件是深注入的交叉指狀P+柵格與肖特基結(jié)相間隔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)器件。MPS 開關(guān)管的主要結(jié)是PIN 二極管區(qū)，PN 結(jié)通過其耗盡層的寬度和兩PN 結(jié)之間的間隙來影響肖特基的導(dǎo)電溝道。當(dāng)MPS 反偏時(shí)，PN 結(jié)形成的耗盡區(qū)將會(huì)向溝道區(qū)擴(kuò)散，在一定反偏電壓下，耗盡區(qū)就會(huì)連通，從而在溝道區(qū)形成一個(gè)勢(shì)壘，使耗盡層隨著反向偏壓的增加向N+襯底方向擴(kuò)展。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)，使反向漏電流大大減小，此時(shí)，MPS 反向特性接近PN 結(jié)。當(dāng)MPS 正偏時(shí)，PN 結(jié)的耗盡層寬度比兩PN 結(jié)之間的距離小得多，在肖特基區(qū)保留了一個(gè)n 型導(dǎo)電溝道，肖特基處于正向?qū)顟B(tài)，特性與SBD的正向電學(xué)特性相似，只是電流密度由于P 型區(qū)的原因而略小。P+陽極區(qū)注入空穴到漂移區(qū)，通過導(dǎo)電調(diào)制也會(huì)引起體電阻的大大減少。另外，采用MPS 結(jié)構(gòu)，可以靈活地選擇勢(shì)壘低的金屬作為肖特基接觸，而不用擔(dān)心反向漏電流會(huì)增加。所以，MPS 結(jié)構(gòu)綜合了PN 結(jié)結(jié)構(gòu)和肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的正向和反向特性。還可以通過調(diào)整肖特基和PN 結(jié)的面積比來調(diào)整其性能。而軟度因子反應(yīng)二極管在反向恢復(fù)的過程中基區(qū)少子復(fù)合而消失的時(shí)間長短(其實(shí)現(xiàn)低正向壓降和長有效載流子壽命的同時(shí)很難獲得很短的恢復(fù)時(shí)間［1］)。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)時(shí)間長短和擴(kuò)散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴(kuò)展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時(shí)間將提高軟度因子。

圖1 MPS 二極管結(jié)構(gòu)示意圖

3 MPS 二極管特性簡(jiǎn)析

3.1 P 區(qū)的分析

當(dāng)PN 結(jié)反偏時(shí)，由于是突變結(jié)，向P 區(qū)擴(kuò)展的長度遠(yuǎn)小于1μm。表面電場(chǎng)和PN 結(jié)深有關(guān)，最大電場(chǎng)出現(xiàn)在冶金結(jié)處，所以為了使屏蔽效應(yīng)充分發(fā)揮作用，應(yīng)使PN 結(jié)盡可能的深。然而，由于結(jié)一般是由離子注入形成的，要制作較深的結(jié)就需要用較高的注入能量，這會(huì)損壞襯底且使PN 結(jié)性能變壞，導(dǎo)致漏電流增大。減少注入劑量可以最大限度地減少襯底晶格損傷。PN 結(jié)區(qū)在器件正向傳導(dǎo)下不需要注入載流子，P 區(qū)也不需要好的歐姆接觸，所以，相對(duì)于PIN 二極管，MPS的P+區(qū)載流子濃度可以降低。另一方面，為了使PN 結(jié)的耗盡層主要在N－區(qū)，P+區(qū)應(yīng)有盡可能高的摻雜濃度。

3.2 N 基區(qū)的分析

N 區(qū)的設(shè)計(jì)主是要考慮到穿通電壓和正向壓降，滿足擊穿電壓后應(yīng)盡量減少電阻以降低正向壓降。當(dāng)基區(qū)厚度一定時(shí)，穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓VPT在電阻率ρn不太高的情況下，隨電阻率ρn的增加而增加，但并不是單調(diào)遞增的關(guān)系，當(dāng)電阻率達(dá)到一定程度時(shí)，電阻率的增加反而會(huì)使擊穿電壓下降。產(chǎn)生的原因是隨著電阻率的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度變化更緩慢，N 區(qū)高低結(jié)處的場(chǎng)強(qiáng)有所增加，會(huì)使擊穿電壓增加，同時(shí)由于整個(gè)I 區(qū)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)增寬，雪崩電離容易發(fā)生，又會(huì)使發(fā)生擊穿時(shí)的最大場(chǎng)強(qiáng)有所降低。當(dāng)后一種情況占主導(dǎo)地位時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓下降。

3.3 其余縱向參數(shù)設(shè)計(jì)分析

其余縱向參數(shù)主要為N+區(qū)的濃度和長度，以及表面造型以達(dá)到或接近理論擊穿電壓。對(duì)于N+區(qū)的濃度，由于它要與金屬發(fā)生歐姆接觸(表面高摻雜型［2］)，需要較大的雜質(zhì)濃度，主要考慮雜質(zhì)擴(kuò)散的速度與時(shí)間，以利于降低成本。由于P－N 結(jié)要延伸到表面，實(shí)踐證明，高壓器件的P－N 結(jié)擊穿往往不是發(fā)生在體內(nèi)，而是發(fā)生在表面。為了獲得穩(wěn)定的體內(nèi)雪崩擊穿特性，必須降低表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，使表面擊穿電壓高于體內(nèi)雪崩擊穿電壓。對(duì)于大面積的電力器件，通常采用表面斜角造型的技術(shù)以降低表面電場(chǎng)。對(duì)于大面積、深結(jié)的電力半導(dǎo)體器件，結(jié)的末段常常延伸至表面，通常采用斜角結(jié)構(gòu)以降低表面電場(chǎng)。用平面工藝制造的P－N 結(jié)，雜質(zhì)是通過掩模窗口擴(kuò)散進(jìn)去的，在邊、角之處結(jié)的邊緣呈圓柱及球面，因而存在曲率，導(dǎo)致表面電場(chǎng)比體內(nèi)高。一般可采用保護(hù)環(huán)、場(chǎng)板、耗盡層腐蝕及結(jié)延伸等給予改善。

選擇實(shí)現(xiàn)肖特基接觸的金屬中，為了降低其正向壓降，應(yīng)盡量選擇勢(shì)壘低的金屬。這種材料是比較容易獲得的，通過各種金屬參數(shù)的比較，一般使用肖特基接觸金屬為鎳(Ni)。

4 結(jié)束語

通過以上對(duì)MPS 二極管的特性簡(jiǎn)析，使相關(guān)人員對(duì)MPS 二極管有了更深的認(rèn)識(shí)，也為實(shí)際MPS二極管的設(shè)計(jì)人員提供了一些理論支持和基本構(gòu)想，使他們對(duì)MPS 二極管的結(jié)構(gòu)和原理有了進(jìn)一步的理解，減少了工藝技術(shù)人員在制作MPS 二極管過程中遇到問題時(shí)的分析時(shí)間。

［1］吳郁，張萬榮，劉興明，譯.功率半導(dǎo)體器件—理論及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］吳鼎芬.電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)(8)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1992