超級(jí)結(jié)JBS二極管特性的仿真分析

劉 勇，關(guān)艷霞，劉 亭，王卉如，鄧 杰

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

1 引言

在各類(lèi)常用電源電路中均需要使用開(kāi)關(guān)器件來(lái)調(diào)節(jié)流向負(fù)載的功率流，例如通常會(huì)用到功率二極管來(lái)控制電流方向[1]。電源電路當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是日益高頻化、集成化。眾多高性能開(kāi)關(guān)器件，如功率MOSFET 和IGBT 等[2]早已投入使用，然而傳統(tǒng)功率二極管性能已經(jīng)不足以匹配先進(jìn)開(kāi)關(guān)器件，在很大程度上限制了功率電路性能的發(fā)揮。傳統(tǒng)的二極管主要可以分為單極型二極管和雙極型二極管，其中，單極型器件高通態(tài)壓降的特性不適用于高耐壓應(yīng)用；雙極型器件從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截至狀態(tài)，必須排出器件中所儲(chǔ)存的載流子，這不僅使器件的開(kāi)關(guān)速度降低，還導(dǎo)致器件的功耗較大。所以功率器件的使用中更傾向于使用單極型器件[3]。傳統(tǒng)的單極型器件的功率較小，為進(jìn)一步提高單極型二極管的功率，在此新設(shè)計(jì)一種超級(jí)結(jié)JBS 二極管，并對(duì)其特性進(jìn)行仿真分析。

2 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

所設(shè)計(jì)的超級(jí)結(jié)JBS 二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該二極管的陽(yáng)極由肖特基接觸和周?chē)腜 柱區(qū)組成；N 柱區(qū)域在肖特基接觸的下方，并且與P 柱區(qū)域形成復(fù)合耐壓層，底部N垣區(qū)域作為器件的襯底，并引出陰極。

圖1 硅超級(jí)結(jié)JBS 二極管結(jié)構(gòu)

當(dāng)該超級(jí)結(jié)JBS 二極管工作在正向?qū)顟B(tài)時(shí)，如果P 柱區(qū)的間距合理，在肖特基接觸下方存在未耗盡的區(qū)域，此區(qū)域可以進(jìn)行單極傳導(dǎo)。因?yàn)楣杵骷耐☉B(tài)壓降為0.45V，小于PN 結(jié)開(kāi)啟電壓，所以二極管兩端的壓降不足以使PN 結(jié)導(dǎo)通，從而可以令器件依然保持肖特基二極管的正向特性；也正因?yàn)镻 柱區(qū)的存在會(huì)犧牲一部分肖特基接觸面積，增加器件的正向電流密度，超級(jí)結(jié)的應(yīng)用有效降低了器件的導(dǎo)通電阻[4]。

在反向阻斷情況下，P 柱區(qū)會(huì)在肖特基接觸下產(chǎn)生勢(shì)壘，屏蔽肖特基接觸，降低半導(dǎo)體一側(cè)的高電場(chǎng)，此時(shí)，PN 結(jié)反偏使耗盡層向P 柱區(qū)和N 柱區(qū)橫向擴(kuò)展，柱區(qū)完全被耗盡且N 柱區(qū)的電勢(shì)高于P柱區(qū)，電子與空穴分別通過(guò)N 柱區(qū)和P 柱區(qū)流出漂移區(qū)域。由于P 柱區(qū)和N 柱區(qū)遵循電荷平衡條件，所以柱區(qū)的寬度與摻雜濃度有關(guān)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)良好的電荷耦合，P 柱區(qū)和N 柱區(qū)會(huì)完全耗盡[5]，此時(shí)，垂直方向的電場(chǎng)是均勻分布，水平方向的電場(chǎng)是鋸齒分布。二維電場(chǎng)的引入大幅度提高了芯片的縱向利用率，P 柱區(qū)和N 柱區(qū)的摻雜濃度不受阻斷電壓的限制，因此與相同耐壓等級(jí)JBS 二極管相比，導(dǎo)通電阻大幅下降。

超級(jí)結(jié)JBS 二極管將傳統(tǒng)JBS 二極管的P垣區(qū)結(jié)深延伸至器件內(nèi)部，利用大結(jié)深的P 柱區(qū)和N 漂移區(qū)共同構(gòu)成超級(jí)結(jié)代替單一N 型雜質(zhì)的漂移區(qū)，引入二維電場(chǎng)分布，大幅度減小了芯片厚度，將單位面積下漂移區(qū)的電阻Ron和擊穿電壓VB關(guān)系優(yōu)化為:Ron∝VB1.3，突破了硅材料單極型二極管的功率極限[6]。

3 初始結(jié)構(gòu)建模

超級(jí)結(jié)JBS 二極管同其他的超級(jí)結(jié)器件一樣由PN 復(fù)合層承擔(dān)反向阻斷電壓。當(dāng)復(fù)合層結(jié)構(gòu)滿足電荷平衡條件才能保證器件能夠承擔(dān)更大的耐壓，如果令P 柱區(qū)域的面積為a，N 柱區(qū)域面積為b，P 柱區(qū)域的摻雜濃度為Np，N 柱區(qū)域的摻雜濃度為Nn，那么，當(dāng)a與Np的乘積等于b與Nn的乘積之時(shí)即可滿足電荷平衡條件[7]，即：

依據(jù)公式(1)建立耐壓為300V 的超級(jí)結(jié)JBS 二極管模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。為了更好地分析超級(jí)結(jié)JBS 二極管的性能及工作機(jī)制，表1 還給出了耐壓為300V 的普通JBS 二極管以及肖特基二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以資對(duì)照。

表1 300 V 耐壓不同器件參數(shù)比較

4 超級(jí)結(jié)JBS 特性仿真分析

為分析、驗(yàn)證上述建模的超級(jí)結(jié)JBS 二極管的各項(xiàng)特性，使用Slivaco TCAD 仿真軟件分別進(jìn)行正向?qū)ā⒎聪蜃钄?、反向恢?fù)等方面的模擬。討論超級(jí)結(jié)JBS 二極管中不同參數(shù)對(duì)各個(gè)性能的影響。仿真過(guò)程中使用到的模型包括：濃度依賴(lài)性遷移模型、橫向電場(chǎng)相關(guān)的模型、Shockley-Read-Hall 復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型、帶隙變窄模型、Crowell-Sze 碰撞電離模型。

4.1 阻斷特性仿真分析

300V 反向阻斷電壓下表1 中三種二極管會(huì)有不同的電場(chǎng)分布，在仿真中對(duì)不同結(jié)構(gòu)二極管橫向、縱向電場(chǎng)分布進(jìn)行比較。仿真得到的對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。從圖可以看出肖特基二極管水平方向沒(méi)有電場(chǎng)的變化，器件在反向截止?fàn)顟B(tài)下僅具有一維電場(chǎng)分布；JBS 二極管僅改變器件表面電場(chǎng)分布，在器件表面引入橫向電場(chǎng)分布，使得肖特基接觸側(cè)的電場(chǎng)峰值位于器件表面下方，此部位的大部分電場(chǎng)分布依舊為一維縱向分布；超級(jí)結(jié)JBS 二極管表面的電場(chǎng)分布和50%深度電場(chǎng)分布均引入了橫向電場(chǎng)，而且豎直方向上從器件表面到50%深度的電場(chǎng)大小分布接近恒定，因此能夠充分利用芯片厚度。傳統(tǒng)JBS 二極管是利用PN 結(jié)的橫向電場(chǎng)降低肖特基接觸表面的高電場(chǎng)，進(jìn)而減小肖特基接觸處的勢(shì)壘降低效應(yīng)，其根本是通過(guò)改善器件表面的電場(chǎng)分布而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件性質(zhì)的優(yōu)化。超級(jí)結(jié)JBS 二極管是將JBS 二極管中的P垣區(qū)結(jié)深加大至器件內(nèi)部，從而達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化器件內(nèi)部電場(chǎng)分布的目的。同時(shí)還可從表1 看出，相同阻斷電壓下的不同結(jié)構(gòu)的二極管中，超級(jí)結(jié)JBS 二極管的芯片厚度最薄。

圖2 300V 耐壓不同二極管橫向電場(chǎng)分布對(duì)比

同樣，在300V 耐壓等級(jí)下，對(duì)比三種二極管距左邊界不同距離處的縱向電場(chǎng)分布，仿真得到的結(jié)果如圖3。

圖3 300 V 耐壓不同二極管縱向電場(chǎng)分布對(duì)比

由圖3 可以看出，JBS 二極管主要在肖特基二極管的表面引入二維電場(chǎng)分布，降低肖特基接觸處電場(chǎng)強(qiáng)度，器件中大部分的縱向電場(chǎng)分布依然為三角形。超級(jí)結(jié)JBS 二極管同其他超級(jí)結(jié)器件一樣，反向阻斷狀態(tài)下的工作原理是N/P 柱區(qū)的電荷平衡。在阻斷狀態(tài)下，P 區(qū)域和N 區(qū)域形成的橫向PN結(jié)在橫向方向耗盡展開(kāi)承擔(dān)較大的反向電壓，使器件中非平衡載流子大部分都排出，讓超級(jí)結(jié)JBS 二極管縱向電場(chǎng)分布近似于矩形。由此可知超級(jí)結(jié)JBS 二極管耗盡層中全部引入二維電場(chǎng)分布，矩形電場(chǎng)分布優(yōu)于JBS 二極管和肖特基二極管的三角形分布，使得在相同耐壓等級(jí)下超級(jí)結(jié)JBS 二極管縱向尺寸小于肖特基二極管和JBS 二極管。

給表1 中的3 種二極管加載相同反向偏置電壓，在陰極上電壓從280 V 增加到310 V，以5 V 作為步長(zhǎng)，測(cè)量陽(yáng)極漏電流，得到三種二極管的反向阻斷特性，如圖4 所示。

圖4 三種類(lèi)型二極管的反向阻斷特性對(duì)比

從圖中可以看出，肖特基二極管由于鏡像勢(shì)壘降低效應(yīng)、熱電子發(fā)射效應(yīng)和隧穿效應(yīng)，其反向漏電流較大；而且勢(shì)壘降低效應(yīng)和隧穿效應(yīng)隨表面電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，當(dāng)反向電壓接近擊穿電壓時(shí)會(huì)發(fā)生前雪崩擊穿效應(yīng)，通過(guò)肖特基接觸的電流會(huì)增加Mn（倍增因子）倍[8]。

因?yàn)樾ぬ鼗佑|處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)影響Mn的大小，普通JBS 二極管通過(guò)引入PN 結(jié)，降低了肖特基處表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，降低了Mn，所以JBS 二極管的漏電流小于肖特基二極管。

超級(jí)結(jié)JBS 二極管用超級(jí)結(jié)復(fù)合層代替單一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體，大濃度、大結(jié)深的P 柱形區(qū)域?qū)πぬ鼗佑|處的屏蔽作用更加明顯，使超級(jí)結(jié)JBS 二極管的肖特基接觸處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于JBS 二極管，漏電流進(jìn)一步減小。綜合看來(lái)，超級(jí)結(jié)JBS 二極管的阻斷特性明顯優(yōu)于肖特基二極管和普通JBS 二極管。

4.2 正向?qū)ㄌ匦苑抡娣治?/h3>

在表1 中三種300V 耐壓二極管的陽(yáng)極加載正向電壓，電壓值從0 V 增加至0.1 V，得到不同結(jié)構(gòu)二極管的正向?qū)ㄌ匦?，如圖5 所示。

圖5 300V 耐壓不同二極管正向?qū)娏鲗?duì)比

由圖可見(jiàn)，當(dāng)同等級(jí)耐壓的三種不同結(jié)構(gòu)的二極管在陽(yáng)極加載相同電壓時(shí)，由于超級(jí)結(jié)JBS 二極管中超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的引入，N 柱區(qū)域濃度大于JBS 二極管和肖特基二極管的耐壓層濃度，使得超級(jí)結(jié)JBS 二極管的正向電流遠(yuǎn)大于JBS 二極管和肖特基二極管。

超級(jí)結(jié)JBS 二極管和JBS 二極管一樣，當(dāng)P 柱區(qū)之間距離合理時(shí)，正向?qū)顟B(tài)下肖特基接觸下方存在未耗盡的N 柱區(qū)域，所以當(dāng)肖特基結(jié)開(kāi)啟時(shí)，超級(jí)結(jié)JBS 以N 柱區(qū)域?yàn)殡娏鲗?dǎo)通通道并保持單極傳導(dǎo)；由于器件的正向?qū)▔航敌∮赑N 結(jié)的開(kāi)啟電壓，縱向PN 結(jié)不導(dǎo)通。超級(jí)結(jié)JBS 二極管中復(fù)合耐壓層的存在使其N(xiāo) 柱區(qū)域摻雜濃度較大，更利于電流的導(dǎo)通。另外由上述分析可知超級(jí)結(jié)JBS二極管和JBS 二極管的正向電流導(dǎo)通溝道都是肖特基接觸處下方N 摻雜部分。仿真中三種二極管寬度相同，所以超級(jí)結(jié)JBS 二極管的單位面積電流密度大于JBS 二極管，更遠(yuǎn)大于肖特基二極管。這意味著超級(jí)結(jié)JBS 二極管的使用更利于器件的集成。

4.3 反向恢復(fù)特性仿真分析

為對(duì)比相同耐壓等級(jí)不同結(jié)構(gòu)二極管的反向恢復(fù)特性，搭建仿真電路環(huán)境，如圖6 所示。

圖6 反向恢復(fù)仿真電路環(huán)境

圖中，電壓源V1=100V，電流源I1=1A，電阻R1=5×10-3Ω、電感L1=3×10-9H，R2為可變電阻模擬電路開(kāi)關(guān)。在反向恢復(fù)仿真電路中，通過(guò)改變可變電阻R2的阻值，模擬電路中主開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)二極管經(jīng)歷的反向恢復(fù)過(guò)程。在相同的電路環(huán)境下，分別使用不同結(jié)構(gòu)的二極管對(duì)比反向恢復(fù)特性，對(duì)比結(jié)果如圖7。

圖7 300V 耐壓不同二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)比

從前面的討論可以知道，超級(jí)結(jié)JBS 二極管、JBS 二極管和肖特基二極管均為單極型器件，但是由圖7 可以看出超級(jí)結(jié)JBS 在同樣的反向阻斷及正向?qū)ǖ臋C(jī)理之下，開(kāi)關(guān)速度優(yōu)于其他兩種傳統(tǒng)單極型。這是因?yàn)槌?jí)結(jié)JBS 二極管中P 柱區(qū)和N 柱區(qū)形成的超級(jí)結(jié)使管中的電子可以幾乎全部以飽和速度流出，在未全部流出之前，關(guān)斷器件的電流幾乎保持不變。綜上所述，超級(jí)結(jié)JBS 二極管更適用于各類(lèi)對(duì)速度有高要求的電路。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)延伸P 區(qū)結(jié)深將超級(jí)結(jié)引入傳統(tǒng)JBS 二極管設(shè)計(jì)一種超級(jí)結(jié)JBS 二極管。超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的引入使器件中電場(chǎng)分布更加合理，使器件橫向也可以承擔(dān)一部分電壓，優(yōu)化了器件中的二維電場(chǎng)分布。通過(guò)與普通肖特基二極管、JBS 二極管的不同特性分析、對(duì)比發(fā)現(xiàn)超級(jí)結(jié)JBS 二極管既包含超級(jí)結(jié)器件的特點(diǎn)又保持JBS 二極管的優(yōu)勢(shì)：提高了單極性器件承擔(dān)反向耐壓能力，在同等耐壓條件下，也降低了器件的厚度；具有和JBS 二極管相同的正向?qū)ㄌ匦?，在?dǎo)通過(guò)程中沒(méi)有載流子注入，提高了器件單位面積下正向?qū)娏髅芏?，有效改善了傳統(tǒng)肖特基二極管中正向?qū)娮桦S肖特基二極管阻斷電壓增加而迅速增加的問(wèn)題。研究還發(fā)現(xiàn)超級(jí)結(jié)JBS 二極管的反向恢復(fù)速度甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的單極型器件。超級(jí)結(jié)JBS 二極管增加了單極型器件的應(yīng)用范圍、進(jìn)一步挖掘了材料潛能，更有利于器件集成化，為功率二極管的研發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路。