陳思哲　盛　況

4 700V碳化硅PiN整流二極管

陳思哲盛況

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

碳化硅PiN二極管是一種理想的高壓二極管器件，具有高阻斷電壓以及高電流導(dǎo)通密度的特點。通過使用有限元分析的方法對器件外延層參數(shù)以及終端結(jié)構(gòu)進行了仿真，提出了優(yōu)化的器件原胞和終端設(shè)計?；?0μm厚、摻雜濃度為1.5×1015cm-3的N型低摻雜外延，制備了電壓阻斷能力達到4 700V的高壓碳化硅整流二極管。制備的器件具有較低的漏電流以及良好的正向?qū)芰Γ?00A/cm2的電流導(dǎo)通密度條件下，器件的最低正向?qū)▔航禐?.6V。為進一步研制高壓大功率碳化硅二極管器件模塊提供了良好的基礎(chǔ)。

4H型碳化硅 整流二極管 終端保護 少子注入

0　引言

碳化硅（SiC）材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高和導(dǎo)熱率大等特點。在多種SiC同質(zhì)材料中，4H型SiC（4H-SiC）的特性尤為突出。相比于硅（Si）材料，4H-SiC可以提供3.3倍于前者的熱導(dǎo)率、2.5倍于前者的飽和電子遷移率及10倍于前者的擊穿電場強度，被認為是制備高溫、高頻、大功率器件的理想材料［1-4］。目前，基于SiC材料的二極管器件主要以肖特基二極管為主。作為一種單極型器件，肖特基二極管具有較低的開關(guān)損耗和較高的恢復(fù)速度，成為了替代硅二極管的首選。市場上，美國Cree、日本Rohm和德國Infineon等公司已經(jīng)推出了600V， 1 200V和1 700V的SiC肖特基二極管產(chǎn)品，并獲得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。不過，隨著阻斷電壓的不斷增加，如5 000V以上，肖特基二極管導(dǎo)通電阻的急劇上升（約等于電壓增長的2.5次方），使其在更高電壓領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用受到限制。

與肖特基器件相比，SiC PiN二極管器件具有更大的高壓應(yīng)用潛力。由于少子注入效應(yīng)的存在，SiC PiN二極管具有更大的電流導(dǎo)通能力和更小的比導(dǎo)通電阻。同時，器件的正向?qū)▔航挡灰蕾囉谕庋雍穸扰c摻雜濃度，為器件的設(shè)計提供了更多的便利。相比于穿通型肖特基器件，PiN二極管的漏電流更小，更易于實現(xiàn)高電壓阻斷。

國際上針對高壓SiC PiN二極管的研究已經(jīng)持續(xù)了超過20年。目前，SiC PiN二極管的最高阻斷電壓已經(jīng)達到20kV以上［5］。在10kV領(lǐng)域，SiC PiN已經(jīng)展現(xiàn)了優(yōu)異的導(dǎo)通特性，單管最大電流達到了50A［6］，而在電流密度為100A/cm2的條件下，正向?qū)▔航祪H為3.57V［7］。此外，對于4.5kV的SiC PiN器件，單芯片的電流導(dǎo)通能力已經(jīng)上升到了180A［8］。國內(nèi)目前報道的最高電壓的碳化硅器件為4 500V的碳化硅肖特基二極管［9］，高壓SiC PiN二極管器件的報道較少，器件電壓阻斷能力不高［10］。

本文針對4 500V SiC PiN二極管進行了仿真、設(shè)計及制備。通過計算機數(shù)值仿真，本文提出了一種新型的高壓器件終端結(jié)構(gòu)設(shè)計。在有效的抑制器件表面電場的同時，這種結(jié)構(gòu)具有良好的工藝兼容性并易于制備?；趦?yōu)化的器件原胞和終端設(shè)計，本文闡述了高壓SiC PiN器件的制備與測試。測試結(jié)果表明，制備的器件具有優(yōu)異的正向電流導(dǎo)通特性及良好的電壓阻斷能力。

1　器件仿真設(shè)計

1.1器件原胞外延層參數(shù)確定

SiC PiN二極管的原胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，器件依靠在N型SiC材料注入P型雜質(zhì)形成的PN結(jié)工作。與硅基二極管類似，當器件陽極電壓超過SiC PN結(jié)開啟電壓時，P型離子注入?yún)^(qū)中的自由載流子空穴會越過PN結(jié)勢壘，注入漂移區(qū)。為了保持電荷平衡，高劑量的少子注入在漂移區(qū)中形成了高濃度的電子空穴對（超過漂移區(qū)本征摻雜濃度1～2個數(shù)量級），能夠顯著減小漂移區(qū)電阻。

圖1　4H-SiC PiN二極管原胞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Cross section schematic of 4H-SiC PiN diode

在器件反向阻斷時，器件陰極電極的反向偏置使得PN結(jié)空間電荷區(qū)不斷擴展，而當結(jié)附近的電場強度達到材料的擊穿場強時，器件發(fā)生雪崩擊穿。

從物理機理上來講，雪崩擊穿發(fā)生在電離系數(shù)積分等于1的時候［11］

式中，αn、αp分別是材料電子和空穴的碰撞電離系數(shù)，單位為cm-1；W是耗盡層厚度，單位為μm。

對于4H-SiC材料，使用光子倍增測試得到的材料碰撞電離系數(shù)分別為［12］

基于式（1）～式（3），使用有限元分析軟件Silvaco Atlas對不同厚度和摻雜濃度4H-SiC材料擊穿電壓進行計算。擊穿電壓定義為器件仿真漏電流密度達到20mA/cm2時的陰極電壓偏置。

考慮到材料的外延缺陷，器件制備中引入的雜質(zhì)以及小于1的終端效率，器件的實際阻斷電壓可能僅僅是原胞設(shè)計的70%。因此，為了得到4.5kV的阻斷電壓，器件原胞的理想電壓阻斷能力需要超過6kV。依據(jù)計算機仿真結(jié)果，確定器件漂移區(qū)厚度為50μm，摻雜濃度為1.5×1015/cm3。

1.2器件終端結(jié)構(gòu)仿真

在高壓器件的制備過程中，器件終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。特別是對于SiC材料，由于禁帶寬度較寬，SiC材料的臨界電場強度為Si材料的10倍左右，達到了2.5～3MV/cm。一方面，高臨界擊穿電場強度為高壓器件制備提供了便利；另一方面，高臨界擊穿電場強度也為器件表面鈍化層保護以及終端設(shè)計提出了更高要求。

在器件反向阻斷時，由于二維及三維效應(yīng)的存在，電場分布很容易在器件主結(jié)終止的地方（圖1點劃線標注處）發(fā)生擁擠，造成提前擊穿。比如，在一維仿真中，5μm的4H-SiC材料可以承擔(dān)1kV阻斷電壓。而在實際器件制備中，如果不使用終端結(jié)構(gòu)，器件主結(jié)能夠承擔(dān)的擊穿電壓僅為理想擊穿電壓的40%。當器件的擊穿電壓達到10kV時，上述效應(yīng)則更為明顯，結(jié)邊界處的電場集中會使得器件擊穿電壓僅為實際值的10%［11］。

為了解決上述問題，高壓器件必須采用合適的終端結(jié)構(gòu)緩解電場集中，調(diào)節(jié)表面電場強度。本文采用了場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)由一系列高摻雜的P+環(huán)組成，主要的設(shè)計參數(shù)包括結(jié)深（圖2中Dr），環(huán)寬（圖2中Lr），以及兩個高摻雜場限環(huán)的環(huán)間距（圖2中Si）。其中，不同場限環(huán)的環(huán)寬（Lr）和結(jié)深相同（Dr），但環(huán)間距（Si）不同。對于SiC材料，由于離子注入深度較淺，且注入離子的擴散作用不明顯，因此，場限環(huán)的結(jié)深較小，選取Dr=0.5μm。同時，綜合考慮終端面積和器件制備的難易程度，確定場限環(huán)環(huán)寬Lr=3μm。而對于兩個環(huán)之間的環(huán)間距Si，則需要謹慎選擇。一方面，如果環(huán)間距設(shè)計得過大，相鄰兩個環(huán)對其間的表面電場調(diào)制作用減弱，容易引起器件的提前擊穿；另一方面，如果環(huán)間距設(shè)計得過小，終端區(qū)域不能承擔(dān)足夠的電壓，同樣會影響器件的電壓阻斷能力。

圖2　SiC PiN二極管終端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Cross section schematic of termination structure of 4H-SiC PiN diode

在器件設(shè)計過程中，使用了50個場限環(huán)，環(huán)寬為3μm，結(jié)深為0.5μm，最內(nèi)側(cè)環(huán)間距S1為1.0μm，并逐步向外增加，每次增加0.1μm或保持不變，即Si=Si-1或Si=Si-1+0.1。經(jīng)過大量的數(shù)值仿真，最終采用的終端結(jié)構(gòu)設(shè)計在器件擊穿時的表面電場強度和電動勢分布如圖3所示。

圖3　器件擊穿時終端區(qū)域表面電場與電動勢分布Fig.3　Electric field strength and potential distribution at the surface of floating guard ring termination

通過圖3可以看出，經(jīng)過精細的終端結(jié)構(gòu)設(shè)計，器件可以實現(xiàn)6kV以上的擊穿電壓。同時，場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)的使用將器件的表面電場強度控制在了合理的范圍（＜2.6MV/cm），為接下來的器件制備提供了可靠的基礎(chǔ)。

2　器件的制備

器件制備使用的外延材料通過CREE公司購買，外延厚度為50μm，摻雜濃度為1.5×1015/cm3。器件陽極P型摻雜由Al離子注入形成，注入的結(jié)深為0.5μm，表層摻雜濃度為1×1020/cm3。同時，場限環(huán)終端的環(huán)注入也通過相同的工藝完成。離子注入的掩膜材料為使用等離子體化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition， PECVD）方法生長的厚SiO2層，并通過反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching， RIE）以及濕法腐蝕的方法刻蝕出希望的掩膜圖形。離子注入送至專業(yè)的離子注入機構(gòu)完成，注入在室溫下進行。

離子注入后，對樣片進行清洗，并在1 550℃條件下進行高溫退火，以激活注入離子并修復(fù)注入帶來的晶格損傷。此外，為了減小高溫退火可能帶來的SiC表面粗糙，整個退火過程在高純氬氣（Ar）保護下進行。器件表面的鈍化層由熱氧生長的SiO2及PECVD生長的Si3N4組成。完成鈍化層覆蓋后，使用RIE設(shè)備對表面鈍化層進行開孔，為接下來的金屬電極制備做準備。

器件表面的歐姆接觸金屬為Ni金屬，背部的歐姆接觸金屬由Ti/Ni/TiW組成。完成金屬濺射后，對樣片在950℃條件下進行退火，獲得較小的歐姆接觸電阻。

最后，在樣片正面填充絕緣材料，覆蓋并圖形化厚金屬層作為器件陽極電極，完成器件制備。

3　器件特性測試與討論

3.1擊穿特性測試

對制備完成的器件，使用探針臺和相應(yīng)的測試系統(tǒng)進行片上測試。器件擊穿測試系統(tǒng)由高壓源（最高輸出電壓為20kV）和24位電流表組成。

圖4　4H-SiC PiN二極管反向特性測試Fig.4　Reverse I-V curves of the fabricate 4H-SiC PiN Diode

五個不同器件的擊穿特性如圖4所示。從圖中可以看出，除了一個器件發(fā)生了提前擊穿，同時擊穿特性較軟外，其余器件的擊穿電壓均接近或超過4kV，其中，最高反向擊穿電壓為4.7kV。此外，在整個擊穿測試過程中，器件的漏電流始終保持在較低水平，特別是在器件擊穿發(fā)生之前，器件的漏電流均小于0.1mA/cm2。

3.2正向?qū)y試

器件的正向測試使用探針臺和HP4155B設(shè)備進行的。

室溫下，不同器件的測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　室溫下4H-SiC PiN正向特性測試Fig.5　Forward I-V characteristics of fabricated 4H-SiC PiN diodes at room temperature

從圖5可以看出，不同器件的正向特性保持了較好的一致性，器件的開啟電壓為2.7V左右。同時，在100A/cm2的正向電流密度下，器件的正向?qū)▔航禐?.6～3.8V。而施加6V的陽極電壓時，器件的電流密度超過400A/cm2。

圖6為不同溫度下，器件的正向?qū)ㄌ匦噪S溫度的變化情況。隨著測試溫度的不斷提高，器件的電流導(dǎo)通能力迅速增強。當工作溫度從25℃增加到180℃時，測試器件在6V陽極電壓偏置下的正向電流密度從400A/cm2增加到了700A/cm2。而在100A/cm2的電流密度條件下，器件的導(dǎo)通壓降從3.8V減小到3.3V，器件的導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)了負溫度系數(shù)的變化趨勢。

圖6　高溫下4H-SiC PiN正向特性測試Fig.6　Forward I-V characteristics of fabricated 4H-SiC PiN diodes at high temperatures

3.3器件特性分析與討論

對于器件的阻斷特性，不同器件的擊穿電壓存在一定的離散性，如圖5所示。一方面，這說明目前的器件制備工藝過程中存在一定的非理想性，制備過程中雜質(zhì)的引入在一定程度上影響了器件的反向阻斷能力；另一方面，這與器件的終端結(jié)構(gòu)有關(guān)。在低壓器件（1.2kV）的制備過程中，類似的終端結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了優(yōu)異的器件良率和工藝穩(wěn)定性，但在高壓領(lǐng)域，器件電壓阻斷能力的一致性卻明顯下降。除了設(shè)計差異外，一個顯著的差別是高壓器件所需的終端面積更長。比如，1.2kV 4H-SiC器件所需的終端寬度為100μm左右，而4.5kV器件的終端寬度則需要400～500μm，為前者的4～5倍。相應(yīng)的，高壓器件的芯片面積隨著有源區(qū)面積的不同可能是前者的3～10倍。同時，這種現(xiàn)象會隨著器件阻斷電壓的增加而越發(fā)嚴重。因此，為了提高高壓器件的良率和工藝穩(wěn)定性，除了優(yōu)化終端設(shè)計外，還必須進一步減小終端區(qū)域面積。

從正向特性上來看，制備的器件具有良好的電流導(dǎo)通能力，不同的器件也具有較好的一致性。這得益于器件制備過程中使用的優(yōu)化的離子注入、離子注入退火及歐姆接觸工藝。此外，值得注意的是，對于厚度為50μm，摻雜濃度為1.5×1015/cm3的4H-SiC材料，其本征電阻率接近20mΩ.cm2。而在室溫條件以及4V的陽極偏置條件下，圖6中所示器件的比導(dǎo)通電阻為6.2mΩ.cm2，遠小于材料的本征電阻率。這說明制備的SiC PiN二極管在正向?qū)〞r存在顯著的少子注入現(xiàn)象。而少子注入現(xiàn)象以及伴隨的漂移區(qū)電導(dǎo)調(diào)制作用使得PiN二極管具有更高的電流導(dǎo)通能力。

此外，器件的高溫特性測試表明，與SiC肖特基器件不同，SiC PiN二極管導(dǎo)通壓降具有負溫度系數(shù)，而這也是雙極型器件所特有的。盡管器件的載流子遷移率會隨著溫度的升高而降低，但器件漂移區(qū)的少子壽命卻會快速增加，增強漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制作用。而對于SiC器件，特別是Al摻雜的P型區(qū)域，在室溫下非完全電離現(xiàn)象非常顯著［13］。隨著溫度的增加，更多的空穴被電離出來，進一步提高了器件陽極的少子注入效率。

4　結(jié)論

本文闡述了高壓4H-SiC PiN整流二極管器件的仿真、設(shè)計及制備。制備的器件具有4 700V的電壓阻斷能力以及良好的正向?qū)ㄌ匦?。?00A/cm2電流密度下，器件的正向?qū)▔航禐?.6V。此外，本文對制備的器件在高溫條件下進行了測試，測試結(jié)果表明，器件的正向?qū)▔航稻哂胸摐囟认禂?shù)特性，說明器件導(dǎo)通時工作在雙極性狀態(tài)，通態(tài)壓降主要由少子特性決定。本文的結(jié)果為進一步研制高壓大功率碳化硅二極管器件模塊提供了良好的基礎(chǔ)。

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陳思哲 男，1988年生，博士研究生，研究方向碳化硅功率器件。

盛 況 男，1974年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向電力電子器件及集成電路。

4 700V SiC PiN Rectifier

Chen Sizhe Sheng Kuang
（Zhejiang University Hangzhou 310027 China）

SiC PiN diode is known as an ideal high voltage rectifier in power electronics. Base on extensive numerical simulations on epi-layer parameters and termination structures， an optimized device design is put forward. With a 50μm thick drift layer and 1.5×1015cm-3N-type doping concentration， the fabricated PiN rectifier presents a high blocking voltage of 4 700V with both low leakage current and superior conduction capability. At the current conduction density of 100A/cm2， the minimum on-state voltage of fabricated device is 3.6V.

4H-SiC， PiN rectifier， termination structure， minority carrier injection

TN311

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2011AA050401）和國家電網(wǎng)公司2013年總部科技項目（SGRIDGKJ［2013］210號）資助。

2013-11-11 改稿日期 2014-02-07