廉宇盟，關艷霞

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院， 沈陽110870）

1 引 言

現(xiàn)代電力電子技術已經(jīng)進入了高頻化、集成化和智能化時代[1]。開關器件作為現(xiàn)代電力電子的核心器件，仍在不斷地向前發(fā)展，對二極管提出了更高的要求[2]。為了使二極管器件能夠應用于更多不同場合，要求其具有工作頻率高、開關速度快、耐壓高等特點，一種名為結勢壘控制肖特基二極管（JBS 二極管）的結構被提出[3-4]。該結構是在肖特基接觸周圍設置高摻雜的P+區(qū)來實現(xiàn)的，相較于肖特基二極管，可以更有效地提高反向阻斷電壓且保留快速開關的特點[5]。但P+結的出現(xiàn)也犧牲了一部分肖特基接觸面積，使正向?qū)娏髅芏仍黾恿薣6]。P+區(qū)的引入，使器件的電場呈現(xiàn)二維分布，此時可通過P+區(qū)寬度和結深的改變來改變[7]?；诖?，從二維電場分布入手，針對P+區(qū)寬度和結深對JBS 二極管反向阻斷特性的影響來展開討論。

2 JBS 二極管工作原理

JBS 二極管結構示意圖如圖1 所示。當施加正向電壓時，肖特基結和PN 結均為正偏，當正向電壓小于PN 結的開啟電壓、大于肖特基結的開啟電壓，JBS 將呈現(xiàn)肖特基二極管的單極型特性[8]。因為PN結的存在，增加了肖特基接觸處的電流密度。電流流過肖特接觸后，通過P+區(qū)之間的未耗盡間隙，再到達漂移區(qū)的其他部分，最后擴散到N+襯底。

圖1 JBS 結構示意圖

當施加反向電壓時，PN 結和肖特基結均反偏，器件處于阻斷狀態(tài)。純肖特基的反向阻斷特性較差，是因為隨著反向電壓的增加，其表面電場強度增大，肖特基結的鏡像勢壘降低效應和隧穿效應使得阻斷漏電流顯著增加。PN 結的引入在肖特基的半導體表面形成二維電場分布，由垂直PN 結所產(chǎn)生的橫向電場能夠降低肖特基表面的電場，使肖特基鏡像勢壘降低效應和隧穿效應減弱，阻斷特性得到改善。仿真可通過改變肖特基臺面尺寸和PN 結的結深來分析二維電場分布對JBS 阻斷特性的改善效果。

3 SBD 二極管和JBS 二極管仿真

3.1 SBD 二極管仿真

用Silvaco TCAD 仿真軟件來模擬仿真SBD 二極管結構及其橫向和縱向電場。仿真前，確定元胞間距為1.25μm，反向電壓為50V。根據(jù)如下公式：

計算出N-漂移區(qū)的濃度為8×1015cm-3，然后確定襯底的濃度為1×1020cm-3。利用仿真軟件中的atlas 模塊進行器件結構仿真，仿真結果如圖2 所示。其后，選用遷移率受雜質(zhì)濃度影響的模型、遷移率受電場影響的模型、SRH 復合模型、俄歇復合模型和能帶變窄模型進行反向阻斷特性仿真，再使用工具欄中的cutline 工具確定橫縱向電場，仿真結果如圖3 所示。

圖2 仿真得到的SBD 二極管結構

圖3 仿真得到的SBD 二極管電場分布

由圖中可以看出，SBD 二極管結構的漂移區(qū)和金屬電極完全接觸，橫向電場均勻地分布在肖特基接觸的表面且保持恒定，最大電場強度發(fā)生在肖特基接觸表面且等于橫向電場，縱向電場從肖特基表面處的最大電場逐步減小。

3.2 JBS 二極管仿真

用Silvaco TCAD 仿真軟件來模擬仿真JBS 二極管結構以及其橫向和縱向電場。確定元胞間距為1.25μm，漂移區(qū)濃度為8×1015cm-3，襯底濃度為1×1020cm-3。在JBS 二極管中，增加了高摻雜且為高斯分布的P+結，確定P+結結深為0.5μm，濃度為1×1019cm-3。利用仿真軟件中的atlas 模塊進行器件結構仿真，仿真結果如圖4 所示。其后，選用遷移率受雜質(zhì)濃度影響的模型、遷移率受電場影響的模型、SRH復合模型、俄歇復合模型和能帶變窄模型進行反向阻斷特性仿真，再使用工具欄中的cutline 工具確定橫縱向電場，結果如圖5 所示。

圖4 仿真得到的JBS 二極管結構

圖5 仿真得到的JBS 二極管電場分布

由圖中可以看出，P+區(qū)的存在阻擋了一部分肖特基接觸，在肖特基接觸處減小了橫向電場，使得中心處縱向電場開啟電壓減?。恍ぬ鼗畲箅妶鰪姸炔话l(fā)生在表面處。SBD 二極管和JBS 二極管的阻斷特性對比見圖6。結合圖中的對比情況與上述原理分析，可證明：添加了一個高摻雜的P+結后，可有效地抑制肖特基勢壘降低效應，增大阻斷電壓峰值，從而改善了器件的反向阻斷特性。

圖6 SBD 與JBS 二極管的阻斷特性對比

4 PN 結對JBS 阻斷特性的影響分析

4.1 PN 結寬度的影響

在JBS 中，PN 結的存在改變了肖特基臺面的垂直電場分布，進而能夠改善其阻斷特性。在整個器件結構中，PN 結所占面積的比例對阻斷特性有直接的影響。可在保證P+區(qū)的橫向?qū)挾群蛨A柱形弧度以及結深保持不變的前提下，通過改變元胞寬度來調(diào)整PN 結所占面積的比例。在仿真中，P+區(qū)橫向?qū)挾葹?.765μm，結深為0.5μm，元胞寬度設定為1.0μm、1.25μm、1.5μm 和2.0μm，即PN 結相對寬度（PN 結寬度與元胞寬度的比值）分別為0.765、0.612、0.51、0.383?；谏鲜鰠?shù)設定，對其構成的結構進行電場分布和阻斷特性的仿真。

圖7 為不同PN 結相對寬度下肖特基表面的橫向電場分布情況的仿真結果。從圖中可以看出，PN結的引入使肖特基表面的電場不再恒定，而是越接近PN 結的肖特基表面電場強度越小，在肖特基中心處電場強度達到最大值；隨著PN 結相對寬度的增加，最大電場強度減小。圖8 為不同PN 結相對寬度下，肖特基結中心處的縱向電場分布。從中可以看出，PN 結的引入使肖特基最大電場強度不發(fā)生在表面，而且隨著PN 結相對寬度的增加，最大電場強度距表面的距離也要增加。

圖7 不同臺面寬度下的表面電場

圖8 不同臺面寬度下的中心處縱向電場

PN 結的存在使肖特基表面電場強度減小，這使得肖特基二極管的鏡像力勢壘降低效應和隧穿效應減弱，因此阻斷特性能夠得到改善。圖9 為不同PN結相對寬度下的阻斷特性的對比。從圖中可以看出，PN 結的引入改善了器件的阻斷特性，漏電流減小，阻斷電壓提高，而且隨著PN 結相對寬度的增加，改善效果更加明顯。在反向電壓為60V 時，PN 結相對寬度分別為0.383、0.51、0.612 和0.765 時的漏電流分別為0.58nA、0.24nA、0.15nA 和0.09nA。隨著PN相對寬度的增加，轉折電壓有所提高，最終接近PN結的雪崩擊穿電壓。

圖9 不同臺面寬度下的JBS 反向阻斷特性

4.2 結深的影響

PN 結的結深也對JBS 二極管的二維電場分布和反向特性有影響。為了進行比較，確定該結構的肖特基接觸面積相對于元胞寬度為1.25μm 的整流器的結構尺寸。其中結深分別取0.5μm，1.0μm 和1.5μm。在此，還增加一個接近襯底的結深以作對比。圖10 為不同結深下的肖特基表面橫向電場的變化；圖11 為不同結深下肖特基臺面中心處縱向電場分布的變化，圖12 為不同結深下的JBS 的阻斷特性。

圖10 不同結深下的表面橫向電場

圖11 不同結深下的肖特基中心處縱向電場

從這些仿真結果中可以看出，隨著PN 結結深的增加，橫向電場作用使表面的電場減小，同時使最大電場不發(fā)生在肖特基表面位置。

由圖10 和11 還可知，結深越接近襯底，表面處的電場越小，最大電場位置越遠離表面。當結深接近襯底時，肖特基表面的電場強度與PN 結表面的電場強度近似相等。這也意味著，其阻斷特性與PN 結的阻斷特性近似。圖12 也證明了這一點，隨著結深的增加，阻斷特性得到改善，漏電流減小，阻斷電壓增加。

5 結 束 語

JBS 二極管中的PN 結使肖特基結構的電場呈二維分布，改變了純肖特基二極管的一維電場分布，進而改善了肖特基二極管的阻斷特性。減小肖特基面積，增加PN 結的結深皆有利于JBS 阻斷特性的提高。PN 結的存在可以減小反向漏電流，提高擊穿電壓。適當調(diào)整接觸面積和結深參數(shù)，可切實有效地提升和改善器件的特性，此方法可應用在器件的實際生產(chǎn)中，也可為新品研發(fā)提供思路。