顧春德，劉斯揚(yáng)，馬榮晶，孫偉鋒*，黃潤(rùn)華，陶永洪，劉　奧，汪　玲

(1.東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京210096;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

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4H－SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管VRSM特性研究*

顧春德1，劉斯揚(yáng)1，馬榮晶1，孫偉鋒1*，黃潤(rùn)華2，陶永洪2，劉奧2，汪玲2

(1.東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京210096;
2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

摘要:通過器件模擬仿真軟件Sentauras和高分辨率透射電子顯微鏡HRTEM(High-Resolution Transmission Electron Microscopy)研究了4H－SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管JBS(Junction Barrier Schottky)在反向浪涌電壓應(yīng)力作用下的失效機(jī)理;進(jìn)而重點(diǎn)研究了結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)JTE(Junction Termination Extension)的長(zhǎng)度、深度和摻雜濃度對(duì)該器件反向浪涌峰值電壓VRSM(Maximum Surge Peak Reverse Voltage)的影響，并結(jié)合JBS的基本結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);最后，流片測(cè)試顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)的4H－SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管的VRSM值約為1450V，比原器件提升了20%左右。

關(guān)鍵詞:4H－SiC;結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管;反向浪涌峰值電壓;優(yōu)化

優(yōu)良的二極管應(yīng)同時(shí)具有小開啟電壓、低反向漏電、高擊穿電壓和高開關(guān)速度等特性，碳化硅SiC(Silicon Carbide)JBS結(jié)合了傳統(tǒng)PiN二極管和肖特基二極管SBD(Schottky Barrier Diode)的優(yōu)點(diǎn)，在具有比PiN二極管更低的開啟電壓和更高的開關(guān)速度的同時(shí)還具有比SBD更低的反向漏電流和更高的擊穿電壓［1］。加上SiC材料具有的大禁帶寬度、高臨界位移能、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)［2－3］，SiC JBS器件在高壓、高速、大功率和抗輻射等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

SiC JBS器件的常規(guī)電學(xué)特性(如正向?qū)▔航?、反向耐壓能力及反向恢?fù)速度等)一直是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，圍繞常規(guī)特性對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的報(bào)道層出不窮［4－7］。然而，在高壓二極管的應(yīng)用系統(tǒng)中，二極管還經(jīng)常會(huì)受到由系統(tǒng)或電源產(chǎn)生的峰值電壓和峰值電流應(yīng)力，即所謂的極限應(yīng)力環(huán)境。例如高壓二極管作為續(xù)流管時(shí)，會(huì)時(shí)常受到瞬時(shí)的反向高電壓應(yīng)力的作用，這樣的瞬時(shí)高電壓被稱為反向浪涌電壓。通常把二極管所能承受的最大反向浪涌電壓定義為反向浪涌峰值電壓VRSM(Maximum Surge Peak Reverse Voltage)，VRSM是衡量二極管防護(hù)反向瞬時(shí)高電壓能力最為重要的極限參數(shù)之一。

本文通過器件仿真軟件Sentauras和HRTEM研究了4H－SiC JBS器件在反向浪涌電壓應(yīng)力作用下的失效過程，通過分析發(fā)現(xiàn)器件的失效位置在JTE處，進(jìn)而重點(diǎn)研究了器件的VRSM與JTE的深度、長(zhǎng)度以及摻雜濃度的關(guān)系，并據(jù)此對(duì)JBS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　JBS的器件結(jié)構(gòu)和工作原理

JBS的結(jié)構(gòu)主要包括元胞區(qū)和終端區(qū)。元胞區(qū)用來實(shí)現(xiàn)器件正向?qū)ǖ墓δ?，包括?yáng)極、漂移區(qū)、緩沖層和陰極［8］。終端區(qū)則用來優(yōu)化器件反向擊穿性能，為了抑制二維和三維電場(chǎng)集邊效應(yīng)，使器件能達(dá)到平面雪崩擊穿電壓的理論值，實(shí)際應(yīng)用中的終端區(qū)必須采用結(jié)終端技術(shù)。常見的用來提高器件終端耐壓能力的技術(shù)主要有JTE技術(shù)、場(chǎng)板FP (Field Plate)技術(shù)和場(chǎng)限環(huán)FLR (Field Limiting Ring)技術(shù)等［9－11］。為了克服單一結(jié)終端技術(shù)的缺點(diǎn)和充分利用他們的優(yōu)勢(shì)，本文將FP、FLR和JTE技術(shù)進(jìn)行組合使用，圖1即為本文采用的SiC JBS的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　本文研究的4H－SiC JBS結(jié)構(gòu)示意圖

可見，JBS器件的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單概括成將PN結(jié)集成在肖特基結(jié)構(gòu)中。其工作原理為:正向偏置時(shí)，PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度變窄，肖特基二極管在較低的電壓下首先開啟，而PN結(jié)無法開啟，此時(shí)JBS的正向特性主要由肖特基二極管的特性決定，這使得JBS具有小開啟電壓和較快的開關(guān)速度;反向偏置時(shí)，PN結(jié)形成的耗盡區(qū)將會(huì)向N型區(qū)擴(kuò)展，在一定反向偏壓下，相鄰的PN結(jié)耗盡區(qū)就會(huì)連通，并且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)［12］，使得JBS的反向漏電很小，擊穿電壓很高。

本文使用的JBS器件其元胞區(qū)的P +寬度為1.5 μm深度為0.6 μm間距為4.5 μm，漂移區(qū)厚度為6 μm;終端區(qū)采用的JTE深度為0.6 μm，長(zhǎng)度為3 μm，濃度為5×1017cm－3，該器件的耐壓達(dá)到1 200 V，圖2(a)和圖2(b)分別為本文采用的SiC JBS二極管的正向?qū)ㄌ匦院头聪驌舸┨匦郧€。

圖2　SiC JBS二極管特性曲線

2　VRSM失效機(jī)理研究

對(duì)于4H－SiC JBS，通常將使器件在規(guī)定的散熱條件下達(dá)到最大允許結(jié)溫(175℃)時(shí)的反向浪涌電壓定義為該器件的VRSM，如果二極管兩端所加反向浪涌電壓超出額定的VRSM值，管子漏電流會(huì)迅速增大，引起二極管溫度急劇上升，甚至燒毀。因?yàn)槎O管正向?qū)▔航蹬c結(jié)溫呈線性關(guān)系，通過快速測(cè)量施加不同反向浪涌電壓應(yīng)力后二極管的正向壓降即可知道二極管此時(shí)的結(jié)溫。

圖3為仿真和測(cè)試所采用的反向浪涌電壓波形，該脈沖是周期為0.02 s的半正弦波，電壓幅值可通過變壓器調(diào)節(jié)。

2.1仿真分析

圖4(a)和圖4(b)顯示的分別是JBS器件在反向浪涌電壓應(yīng)力條件下器件的漏電流路徑仿真圖和失效時(shí)二極管內(nèi)部溫度分部圖。從圖4(a)中可以看出二極管JTE區(qū)的外部為漏電流主要的流通路徑，如圖4(b)所示，此處也是管子內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)的部位。由此可知外加反向浪涌電壓應(yīng)力下二極管發(fā)生失效的機(jī)理是JTE外部漏電流過大，引起此處溫度上升，最終導(dǎo)致器件因溫度超過安全溫度范圍而損壞。

圖3　反向浪涌峰值電壓仿真和測(cè)試波形

圖4　反向浪涌電壓應(yīng)力JBS失效仿真圖

2.2HRTEM失效分析

對(duì)反向浪涌電壓應(yīng)力條件下失效的器件進(jìn)行透射電子顯微鏡分析，首先利用聚焦離子束FIB(Focused Ion Beam)系統(tǒng)獲取HRTEM觀測(cè)樣品:將金屬鎵離子源聚焦成尺寸非常小的顯微切割儀器，利用原位FIB頂出技術(shù)(in-situ FIB lift-out)對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行切割得到問題區(qū)域的薄片，然后用低電壓FIB清洗工藝去除表面的非晶層得到HRTEM分析樣品。通過FEI Helios Nanolab 600i雙束掃描電鏡掃描薄片表面，結(jié)果如圖5所示。圖5中JTE區(qū)上表面金屬陽(yáng)極角落有明顯的燒痕，表明反向浪涌電壓應(yīng)力條件下的損傷點(diǎn)集中在結(jié)終端區(qū)，與仿真分析的結(jié)果一致。

圖5　HRTEM失效分析

3　器件優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)第2節(jié)的內(nèi)容可知，反向浪涌電壓應(yīng)力條件下，JTE區(qū)是JBS器件失效的主要部位。因此，本文從結(jié)終端出發(fā)，通過變化JTE的相關(guān)參數(shù)來優(yōu)化器件的VRSM值。

3.1JTE的長(zhǎng)度對(duì)VRSM的影響

圖6　不同JTE長(zhǎng)度對(duì)二極管結(jié)溫的影響

圖6為不同JTE長(zhǎng)度的JBS器件在1 200 V反向浪涌電壓作用下器件的結(jié)溫隨時(shí)間變化的曲線。因?yàn)榘胝也ǖ闹芷跒?.02 s，所以圖中只給出了時(shí)間從0到0.01 s即電壓從0到峰值的變化過程，研究選擇的JTE長(zhǎng)度分別為1.5 μm、3 μm和4.5 μm。從圖中可以看出，隨著反向浪涌電壓的增加，JBS器件的結(jié)溫先保持300 K不變，當(dāng)反向浪涌電壓應(yīng)力接近1 200 V時(shí)結(jié)溫迅速上升，這是因?yàn)楫?dāng)電壓較小時(shí)器件的漏電流較小，電流產(chǎn)生的熱量和器件的散熱可以達(dá)到平衡，結(jié)溫保持不變，而隨著電壓的不斷增加漏電流增大，器件內(nèi)部不能及時(shí)散發(fā)的熱量不斷累積，導(dǎo)致結(jié)溫急速上升。然而，相同條件下改變JTE長(zhǎng)度的并未引起二極管峰值結(jié)溫的明顯變化，主要原因是JTE長(zhǎng)度的增加只是將器件最高溫度的位置向二極管外部推移，但并沒有引起反向電流密度的變化，即相同反向浪涌電壓應(yīng)力下增加JTE的長(zhǎng)度不能起到降低JBS結(jié)溫的效果，因此JTE長(zhǎng)度的變化對(duì)二極管的VRSM沒有優(yōu)化作用。

3.2JTE的深度對(duì)VRSM的影響

圖7(a)和圖7(b)顯示的分別是不同JTE深度的JBS二極管在1 200 V反向浪涌電壓作用下器件的結(jié)溫隨時(shí)間變化的曲線和JTE表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。研究選擇的JTE深度分別為0.6 μm、0.8 μm 和1.0 μm。從圖7(a)可以看出隨著JTE深度的增加，二極管峰值結(jié)溫不斷降低。經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，隨著JTE的深度增加，器件表面電場(chǎng)的峰值明顯降低，如圖7(b)所示。相同反向浪涌電壓應(yīng)力作用下，JTE的深度越深器件的表面峰值電場(chǎng)越小，二極管的反向漏電流越小結(jié)溫也越低，器件耐反向浪涌電壓的能力也就越強(qiáng)。因此，隨著JTE深度的增加，二極管的VRSM得到一定的優(yōu)化。

圖7　不同JTE深度對(duì)VRSM的影響

3.3JTE的濃度對(duì)VRSM的影響

圖8為不同JTE濃度的JBS二極管在1 200 V反向浪涌電壓的作用下器件的結(jié)溫隨時(shí)間變化的曲線。研究選擇的JTE濃度分別為5×1016cm－3、1× 1017cm－3和5×1017cm－3。由圖中可以看出，隨著JTE濃度的增加，二極管的峰值結(jié)溫先下降后升高，因此存在一個(gè)最優(yōu)的JTE濃度使得在相同反向浪涌電壓應(yīng)力的作用下，二極管峰值結(jié)溫最小。

圖8　不同JTE濃度對(duì)二極管結(jié)溫的影響

圖9是縮小JTE摻雜濃度范圍后對(duì)器件JTE表面電場(chǎng)的仿真研究。如圖9所示，1 200 V反向浪涌電壓應(yīng)力下該器件JTE區(qū)濃度的最優(yōu)值為1×1017cm－3，當(dāng)摻雜濃度偏離這個(gè)最優(yōu)值時(shí)，表面電場(chǎng)的峰值會(huì)大幅增加。這可以通過JTE對(duì)器件元胞區(qū)的分壓原理來解釋:當(dāng)JTE區(qū)的摻雜濃度較低時(shí)，JTE區(qū)在一定的反向電壓下完全耗盡將不再繼續(xù)起到分壓效果，如果所加反向浪涌電壓應(yīng)力超過該電壓值將導(dǎo)致JTE區(qū)左右邊緣的電場(chǎng)持續(xù)增大，但由于完全耗盡的JTE區(qū)的分壓作用，使得JTE內(nèi)側(cè)的電場(chǎng)大于外側(cè)的電場(chǎng)，從而導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生在JTE內(nèi)側(cè)，即P+N結(jié)的邊緣;當(dāng)JTE摻雜濃度過大時(shí)，在較高的反向偏壓下JTE區(qū)將不能完全被耗盡，此時(shí)JTE區(qū)可以視為主結(jié)的一個(gè)擴(kuò)展結(jié)，JTE外側(cè)的電場(chǎng)隨著反向電壓的升高而變大，擊穿將發(fā)生在JTE的外側(cè);而當(dāng)濃度為一特定值，使JTE兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎相等時(shí)，器件的VRSM能力達(dá)到最優(yōu)，所以使JTE兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎相等時(shí)的摻雜是該器件的最優(yōu)JTE摻雜，對(duì)于本文研究的器件而言這個(gè)最優(yōu)的摻雜濃度為1×1017cm－3。

圖9　不同JTE濃度表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

綜上所述，JBS二極管JTE長(zhǎng)度的變化對(duì)二極管的VRSM沒有優(yōu)化作用;而隨著JTE深度的增加，二極管的VRSM得到一定的優(yōu)化，但由碳化硅器件的工藝可知，過度增加JTE的深度需要注入的能量成倍增加，這會(huì)帶來一定的注入損傷，且制造成本會(huì)提高，因此通過增加JTE深度對(duì)二極管反向浪涌峰值電壓進(jìn)行優(yōu)化在工程上要慎重;對(duì)本文設(shè)計(jì)的器件而言，JTE濃度為1×1017cm－3時(shí)器件的VRSM能力最優(yōu)。根據(jù)本文的研究結(jié)論，我們重新設(shè)計(jì)了JBS器件JTE的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與原參數(shù)的對(duì)比如表1所示。

表1　JTE結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比

圖10為兩種4H－SiC JBS器件流片后，在不同反向浪涌電壓應(yīng)力下JBS二極管結(jié)溫測(cè)試結(jié)果的對(duì)比圖。從圖10可以看出，當(dāng)所加反向浪涌電壓超過器件所能承受的VRSM應(yīng)力時(shí)，反向漏電流迅速增加導(dǎo)致結(jié)溫急速上升器件失效，優(yōu)化過的器件與原器件相比VRSM值從1 200 V提高到約1 450 V，增加20%左右，器件阻礙反向瞬時(shí)大電壓的能力顯著增強(qiáng)。

圖10　兩種4H－SiC JBS器件流片測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

4　總結(jié)

本文研究了反向浪涌電壓應(yīng)力作用下4H－SiC JBS的失效機(jī)理，分析了JTE區(qū)的長(zhǎng)度、深度和摻雜濃度對(duì)其極限特性參數(shù)VRSM的影響及變化原因。研究發(fā)現(xiàn)JTE的長(zhǎng)度對(duì)VRSM的影響不大;而在一定范圍內(nèi)提高JTE的深度可以提高器件VRSM能力，但考慮到工藝因素，JTE的深度不宜做得太深;另外，JTE的濃度對(duì)VRSM能力的優(yōu)化存在一個(gè)最優(yōu)濃度值?；诒疚牡难芯拷Y(jié)論對(duì)原JBS進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，流片測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。本文的研究對(duì)極限應(yīng)力條件下JBS二極管的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定指導(dǎo)作用。

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顧春德(1991－)，男，漢族，江蘇鹽城人，現(xiàn)就讀于東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，碩士研究生，主要從事功率器件、功率集成電路及可靠性方面的研究，gucd_608@163.com;

孫偉鋒(1977－)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事功率器件、功率集成電路、模擬集成電路及可靠性等方面的研究，swffrog@seu.edu.cn。

Investigation on the Length and Temperature of an Ar Plasma Jet Driven by Sinusoidal High Voltage*

YU Yongbo，YANG Lanlan*，TU Yan，HU Dinglan
(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:Length and temperature are two important parameters of the atmospheric plasma jet.An argon plasma jet has been generated in the atmospheric environment driven by 10 kHz sinusoidal high voltage.The length and temperature of the plasma jet were measured by the optical and electrical instruments.The results show that the length of the plasma jet increases with the applied voltage，but first increases with the flow rate and then decreases gradually with a further increase of the flow rate.The jet temperature and the electron excited temperature were measured and calculated by the optical fiber thermometer and spectrometer.The jet temperature is closed to the room temperature and the electron excited temperature is less than 1.5×104K，which is among the range of the cold plasma.Moreover，both of them rise with the voltage increasing.

Key words:plasma jet; length; temperature; electron excited temperature; applied voltage; flow rate; spectral intensity

doi:EEACC:238010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.002

收稿日期:2014－08－20修改日期:2014－10－10

中圖分類號(hào):TN311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0725－05

項(xiàng)目來源:港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFH10190);江蘇省青藍(lán)工程項(xiàng)目;東南大學(xué)研究生科研基金項(xiàng)目(YBPY1403)