閆麗紅，王永順，劉繽璐

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

結(jié)勢壘肖特基整流管[1-3]是在功率肖特基二極管的基礎(chǔ)上，在漂移區(qū)集成了多個梳狀的p-n結(jié)柵，且結(jié)柵間的導(dǎo)電溝道保證在零偏時不被夾斷，正向電流通過柵間導(dǎo)電溝道時從陽極流向陰極。當(dāng)反偏電壓超過幾伏時，結(jié)柵p-n結(jié)空間電荷區(qū)展寬并相互交迭，引起耗盡層穿通，導(dǎo)電溝道被夾斷。結(jié)勢壘肖特基整流管(Junction Barrier Schottky Rectifier，JBS)具有大電流、高電壓、低功耗等優(yōu)點[4]，在電子、通信、計算機(jī)、自動化、儀器儀表等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。為此，本文設(shè)計并制造了10 A/300 V JBS整流管。

1 有源區(qū)參數(shù)設(shè)計

有源區(qū)是JBS整流管的核心部分，它的材料和結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著JBS整流管的正向?qū)ㄌ匦约胺聪驌舸┨匦?。本次設(shè)計的目標(biāo)是正向電流為10 A、泄漏電流小于20 μA、擊穿電壓為300 V的JBS整流管。要實現(xiàn)300 V的擊穿電壓，需要對器件進(jìn)行終端造型設(shè)計，擬在器件中設(shè)置兩道場限環(huán)。對于半導(dǎo)體平面器件，單個場限環(huán)能使平面p-n結(jié)的實際擊穿電壓達(dá)到理想值的60%以上[5-6]。

1.1 材料參數(shù)的確定

有源區(qū)采用金屬鋁作為器件陽極，確定主結(jié)和場限環(huán)p+區(qū)的摻雜濃度為NA= 1 × 1019cm-3，鋁n-型漂移區(qū)的勢壘高度φB=0.81 eV。外延層(即n-型漂移區(qū))的厚度由器件的擊穿電壓決定，加場限環(huán)之后，器件的擊穿電壓大約是理想值的60%以上。因此，要實現(xiàn)實際300 V的擊穿電壓，設(shè)計的反向擊穿電壓要取到VB= 300 V/0.6 = 500 V。漂移區(qū)的摻雜濃度[7]為

(1)

將VB=500 V代入上式，得到ND=5×1014cm-3。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

根據(jù)式(2)可以得到臨界擊穿漂移區(qū)[8-15]的厚度tepi為

圖1 JBS單胞結(jié)構(gòu)圖

(2)

當(dāng)tepi=89 μm時，耗盡層已達(dá)到n+區(qū)邊緣，但考慮到柱面結(jié)情況，擊穿最先發(fā)生在曲率半徑最大處，p-n結(jié)柵的耗盡層實際并未達(dá)到最大耗盡層寬度89 μm，所以選取tepi=89 μm是可行的。

JBS整流管的正向壓降

(3)

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；q為元電荷電量；m為擴(kuò)散掩膜尺寸；s是擴(kuò)散結(jié)柵時的窗口寬度；xj為p+n結(jié)結(jié)深；tepi為漂移區(qū)厚度；A*為有效理查遜常數(shù)；JF為流過每一單胞的電流密度；2d表示導(dǎo)電溝道寬度，如圖1所示。ρ表示電阻率

(4)

式中，μn表示電子遷移率。

設(shè)橫向擴(kuò)散結(jié)深是縱向結(jié)深的85%，則導(dǎo)電溝道寬度

2d=m-2W0-2xj×85%,0≤d≤dmax

(5)

式中，W0為p+n結(jié)零偏時的耗盡層寬度，dmax為d的最大值。由式(3)可知，JBS的正向壓降VF不僅與勢壘高度φB、溫度T有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)參數(shù)m、s、tepi及ND有關(guān)。在正向壓降的表達(dá)式中p+n結(jié)內(nèi)建電勢

(6)

零偏時p+n結(jié)耗盡層寬度

(7)

反偏時p+n結(jié)耗盡層寬度

(8)

式中，VR為反偏電壓，εs為半導(dǎo)體介電常數(shù)。d的最大值

dmax=WR(VR=VR0)-W0

(9)

式中，VR0表示導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷時的反偏電壓。

JBS整流管的反向電流密度

(10)

式中，JLS表示金屬-半導(dǎo)體結(jié)反向電流密度；JLD表示p+n結(jié)反向電流密度；D表示載流子擴(kuò)散系數(shù)；τ表示少子壽命；k表示肖特基勢壘區(qū)的電場強(qiáng)度[8]

(11)

在結(jié)構(gòu)參數(shù)中，首先確定m和s的取值。取φB=0.81 eV，JF=20 A/cm2，ND=5×1014cm-3，NA=1×1019cm-3，tepi= 89 μm，T=300 K，A*=252 A/cm2·K2，ni=1.5×1010cm-3，xj分別取2 μm、3 μm和4 μm。本次設(shè)計要求JBS整流管在反偏電壓VR0=15 V時必須夾斷，根據(jù)式(5)～式(9)可計算得到器件結(jié)構(gòu)參數(shù)m的取值范圍，如表1所示。取s=4 μm，隨著m的增大，VF減小，JL增大。這是由于隨著m的增大肖特基勢壘所占的比例增加。另外，隨著m的增大溝道寬度2d亦增大，導(dǎo)致溝道串聯(lián)電阻減小，所以m的取值需綜合考慮其對VF和JL的影響[8]。

表1 不同xj值時m的取值范圍 /μm

2 JBS終端造型設(shè)計

對于功率半導(dǎo)體器件，曲面彎曲效應(yīng)嚴(yán)重影響著器件的擊穿電壓。為了減小p+n結(jié)的曲面彎曲效應(yīng)，在器件中設(shè)計了兩道場限環(huán)，如圖2所示。分析時可將第一道場限環(huán)和主摻雜結(jié)當(dāng)作一個整體，環(huán)二的浮空電場方向與環(huán)一相反，對主結(jié)的電場具有削弱作用，由此可以提高器件的擊穿電壓。用場限環(huán)技術(shù)可使器件的實際擊穿電壓達(dá)到理想值的60%，此時器件承受的實際電壓等于主結(jié)電壓和各個場限環(huán)電壓之和[9-12]。影響擊穿電壓的最主要因素是場限環(huán)的間距。若取值合適，主結(jié)與環(huán)結(jié)電場將同時達(dá)到雪崩擊穿的臨界點，從而可獲得最大的反向擊穿電壓。

圖2 場限環(huán)示意圖

在理想情況下，可以假設(shè)每個p+n結(jié)為單邊突變結(jié)，結(jié)邊界可使用圓柱形對稱解作近似，忽略半導(dǎo)體到空氣的電場損耗，環(huán)間距(l1和l2)略小于結(jié)深(rj)，兩道場限環(huán)在雪崩擊穿臨界點時均發(fā)生穿通，忽略環(huán)間的內(nèi)邊界勢壘。圖2中n-漂移區(qū)的泊松方程為

(12)

各場限環(huán)耗盡層分擔(dān)的電壓[8]

(13)

(14)

(15)

(16)

主結(jié)右側(cè)的電場強(qiáng)度

(17)

環(huán)一右側(cè)的電場強(qiáng)度

(18)

環(huán)二右側(cè)的電場強(qiáng)度

(19)

環(huán)間距的最優(yōu)條件[8]為

ED=EF1=EF2=ECC

(20)

式中，ECC=[6/Arj]1/7；A=1.8×10-35cm-1；rj=xj。當(dāng)VB=500 V且xj=2，3，4 μm時，主結(jié)和各環(huán)結(jié)上的電壓和最佳環(huán)間距如表2所示[13]。

表2 不同結(jié)深下場限環(huán)的設(shè)計參數(shù) /μm

3 JBS工藝流片及測試結(jié)果分析

3.1 JBS工藝流片設(shè)計

根據(jù)前面設(shè)計的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)過外延片材料準(zhǔn)備、初始氧化等40多道工藝制造，對JBS整流管從圓片制作成管芯并封裝成成品[13]進(jìn)行一系列的工藝流程，如圖3所示。在具體生產(chǎn)過程中，廠房溫度24±3 ℃，相對濕度25%～50%；光刻間溫度22±2 ℃，相對濕度35%～50%。圖4是封裝后的JBS整流管正面外形圖。

圖3 JBS整流器工藝流程圖

圖4 封裝后的10 A/300 V JBS整流管

3.2 JBS產(chǎn)品測試結(jié)果分析

為保證產(chǎn)品流片后VBR可滿足大于300 V的要求，對生產(chǎn)過程進(jìn)行測試。

(1)引線孔腐蝕去膠后測試。根據(jù)實驗設(shè)計基本原則，確定外延片參數(shù)不變，對硼退火的流片溫度進(jìn)行實驗，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 不同硼退火工藝溫度VBR數(shù)據(jù)值

根據(jù)實驗結(jié)果可確認(rèn)退火工藝溫度對VBR數(shù)據(jù)的影響很大，最終確定選擇硼退火工藝溫度 1 180 ℃進(jìn)行生產(chǎn)流片。探針測試主結(jié)區(qū)域VBR值在340～450 V范圍內(nèi)，測試電參數(shù)VBR曲線如圖5所示，已滿足設(shè)計要求300 V[14]。

圖5 JBS 10A/300V產(chǎn)品引線孔腐蝕去膠后反向VR曲線：400 V

(2)背面金屬化后測試。背面金屬蒸發(fā)后，產(chǎn)品已定型，測試的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。VR為320～380 V，IR<20 μA，VF@10 A:0.8～0.84 V，均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，具體電參數(shù)曲線如圖6和圖7所示。

圖6 JBS產(chǎn)品背面金屬化后主結(jié)反向曲線VR=380 V,IR=20 μA

圖7 JBS產(chǎn)品背面金屬化后主結(jié)正向曲線VF=0.81 V@10 A

(3)JBS產(chǎn)品可靠性試驗。JBS產(chǎn)品封裝完成后的可靠性試驗，主要進(jìn)行了產(chǎn)品電參數(shù)測量、抗靜電試驗(ESD)、直流老化，經(jīng)試驗，該產(chǎn)品ESD水平高，可達(dá)15 kV水平，經(jīng)高溫直流老化后，產(chǎn)品電參數(shù)測試合格，可靠性水平滿足預(yù)期要求[15]。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并制造了具有場限環(huán)結(jié)構(gòu)的10 A/300 VJBS整流管。經(jīng)測試結(jié)果表明，電參數(shù)水平正向電壓VF=0.85～0.856 V，反向電流IR=4～50.5 μA，反向電壓VR=307.5～465.2 V，產(chǎn)品由于硼退火溫度的提升，增加了結(jié)深，ESD水平從低溫退火的6～12 kV提高到15 kV，經(jīng)高溫直流老化后，可靠性電參數(shù)水平滿足預(yù)期的設(shè)計要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。