劉 勇，關艷霞，劉 亭，王卉如，鄧 杰

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

在各類常用電源電路中均需要使用開關器件來調節(jié)流向負載的功率流，例如通常會用到功率二極管來控制電流方向[1]。電源電路當前的發(fā)展趨勢是日益高頻化、集成化。眾多高性能開關器件，如功率MOSFET 和IGBT 等[2]早已投入使用，然而傳統功率二極管性能已經不足以匹配先進開關器件，在很大程度上限制了功率電路性能的發(fā)揮。傳統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用；雙極型器件從導通狀態(tài)切換到截至狀態(tài)，必須排出器件中所儲存的載流子，這不僅使器件的開關速度降低，還導致器件的功耗較大。所以功率器件的使用中更傾向于使用單極型器件[3]。傳統的單極型器件的功率較小，為進一步提高單極型二極管的功率，在此新設計一種超級結JBS 二極管，并對其特性進行仿真分析。

2 基本結構及工作原理

所設計的超級結JBS 二極管的基本結構如圖1所示。該二極管的陽極由肖特基接觸和周圍的P 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 硅超級結JBS 二極管結構

當該超級結JBS 二極管工作在正向導通狀態(tài)時，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)域可以進行單極傳導。因為硅器件的通態(tài)壓降為0.45V，小于PN 結開啟電壓，所以二極管兩端的壓降不足以使PN 結導通，從而可以令器件依然保持肖特基二極管的正向特性；也正因為P 柱區(qū)的存在會犧牲一部分肖特基接觸面積，增加器件的正向電流密度，超級結的應用有效降低了器件的導通電阻[4]。

在反向阻斷情況下，P 柱區(qū)會在肖特基接觸下產生勢壘，屏蔽肖特基接觸，降低半導體一側的高電場，此時，PN 結反偏使耗盡層向P 柱區(qū)和N 柱區(qū)橫向擴展，柱區(qū)完全被耗盡且N 柱區(qū)的電勢高于P柱區(qū)，電子與空穴分別通過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。當實現良好的電荷耦合，P 柱區(qū)和N 柱區(qū)會完全耗盡[5]，此時，垂直方向的電場是均勻分布，水平方向的電場是鋸齒分布。二維電場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JBS 二極管相比，導通電阻大幅下降。

超級結JBS 二極管將傳統JBS 二極管的P垣區(qū)結深延伸至器件內部，利用大結深的P 柱區(qū)和N 漂移區(qū)共同構成超級結代替單一N 型雜質的漂移區(qū)，引入二維電場分布，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 初始結構建模

超級結JBS 二極管同其他的超級結器件一樣由PN 復合層承擔反向阻斷電壓。當復合層結構滿足電荷平衡條件才能保證器件能夠承擔更大的耐壓，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a與Np的乘積等于b與Nn的乘積之時即可滿足電荷平衡條件[7]，即：

依據公式(1)建立耐壓為300V 的超級結JBS 二極管模型，其結構參數如表1。為了更好地分析超級結JBS 二極管的性能及工作機制，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構參數，以資對照。

表1 300 V 耐壓不同器件參數比較

4 超級結JBS 特性仿真分析

為分析、驗證上述建模的超級結JBS 二極管的各項特性，使用Slivaco TCAD 仿真軟件分別進行正向導通、反向阻斷、反向恢復等方面的模擬。討論超級結JBS 二極管中不同參數對各個性能的影響。仿真過程中使用到的模型包括：濃度依賴性遷移模型、橫向電場相關的模型、Shockley-Read-Hall 復合模型、俄歇復合模型、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 中三種二極管會有不同的電場分布，在仿真中對不同結構二極管橫向、縱向電場分布進行比較。仿真得到的對比結果如圖2 所示。從圖可以看出肖特基二極管水平方向沒有電場的變化，器件在反向截止狀態(tài)下僅具有一維電場分布；JBS 二極管僅改變器件表面電場分布，在器件表面引入橫向電場分布，使得肖特基接觸側的電場峰值位于器件表面下方，此部位的大部分電場分布依舊為一維縱向分布；超級結JBS 二極管表面的電場分布和50%深度電場分布均引入了橫向電場，而且豎直方向上從器件表面到50%深度的電場大小分布接近恒定，因此能夠充分利用芯片厚度。傳統JBS 二極管是利用PN 結的橫向電場降低肖特基接觸表面的高電場，進而減小肖特基接觸處的勢壘降低效應，其根本是通過改善器件表面的電場分布而實現對器件性質的優(yōu)化。超級結JBS 二極管是將JBS 二極管中的P垣區(qū)結深加大至器件內部，從而達到進一步優(yōu)化器件內部電場分布的目的。同時還可從表1 看出，相同阻斷電壓下的不同結構的二極管中，超級結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分布對比

同樣，在300V 耐壓等級下，對比三種二極管距左邊界不同距離處的縱向電場分布，仿真得到的結果如圖3。

圖3 300 V 耐壓不同二極管縱向電場分布對比

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分布，降低肖特基接觸處電場強度，器件中大部分的縱向電場分布依然為三角形。超級結JBS 二極管同其他超級結器件一樣，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結在橫向方向耗盡展開承擔較大的反向電壓，使器件中非平衡載流子大部分都排出，讓超級結JBS 二極管縱向電場分布近似于矩形。由此可知超級結JBS 二極管耗盡層中全部引入二維電場分布，矩形電場分布優(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下超級結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，測量陽極漏電流，得到三種二極管的反向阻斷特性，如圖4 所示。

圖4 三種類型二極管的反向阻斷特性對比

從圖中可以看出，肖特基二極管由于鏡像勢壘降低效應、熱電子發(fā)射效應和隧穿效應，其反向漏電流較大；而且勢壘降低效應和隧穿效應隨表面電場強度的增加而增加，當反向電壓接近擊穿電壓時會發(fā)生前雪崩擊穿效應，通過肖特基接觸的電流會增加Mn（倍增因子）倍[8]。

因為肖特基接觸處的最大電場強度會影響Mn的大小，普通JBS 二極管通過引入PN 結，降低了肖特基處表面最大電場強度，降低了Mn，所以JBS 二極管的漏電流小于肖特基二極管。

超級結JBS 二極管用超級結復合層代替單一導電類型的半導體，大濃度、大結深的P 柱形區(qū)域對肖特基接觸處的屏蔽作用更加明顯，使超級結JBS 二極管的肖特基接觸處的最大電場強度小于JBS 二極管，漏電流進一步減小。綜合看來，超級結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 正向導通特性仿真分析

在表1 中三種300V 耐壓二極管的陽極加載正向電壓，電壓值從0 V 增加至0.1 V，得到不同結構二極管的正向導通特性，如圖5 所示。

圖5 300V 耐壓不同二極管正向導通電流對比

由圖可見，當同等級耐壓的三種不同結構的二極管在陽極加載相同電壓時，由于超級結JBS 二極管中超級結結構的引入，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，使得超級結JBS 二極管的正向電流遠大于JBS 二極管和肖特基二極管。

超級結JBS 二極管和JBS 二極管一樣，當P 柱區(qū)之間距離合理時，正向導通狀態(tài)下肖特基接觸下方存在未耗盡的N 柱區(qū)域，所以當肖特基結開啟時，超級結JBS 以N 柱區(qū)域為電流導通通道并保持單極傳導；由于器件的正向導通壓降小于PN 結的開啟電壓，縱向PN 結不導通。超級結JBS 二極管中復合耐壓層的存在使其N 柱區(qū)域摻雜濃度較大，更利于電流的導通。另外由上述分析可知超級結JBS二極管和JBS 二極管的正向電流導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，所以超級結JBS 二極管的單位面積電流密度大于JBS 二極管，更遠大于肖特基二極管。這意味著超級結JBS 二極管的使用更利于器件的集成。

4.3 反向恢復特性仿真分析

為對比相同耐壓等級不同結構二極管的反向恢復特性，搭建仿真電路環(huán)境，如圖6 所示。

圖6 反向恢復仿真電路環(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關。在反向恢復仿真電路中，通過改變可變電阻R2的阻值，模擬電路中主開關開通時二極管經歷的反向恢復過程。在相同的電路環(huán)境下，分別使用不同結構的二極管對比反向恢復特性，對比結果如圖7。

圖7 300V 耐壓不同二極管的反向恢復特性對比

從前面的討論可以知道，超級結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 可以看出超級結JBS 在同樣的反向阻斷及正向導通的機理之下，開關速度優(yōu)于其他兩種傳統單極型。這是因為超級結JBS 二極管中P 柱區(qū)和N 柱區(qū)形成的超級結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，關斷器件的電流幾乎保持不變。綜上所述，超級結JBS 二極管更適用于各類對速度有高要求的電路。

5 結 束 語

通過延伸P 區(qū)結深將超級結引入傳統JBS 二極管設計一種超級結JBS 二極管。超級結結構的引入使器件中電場分布更加合理，使器件橫向也可以承擔一部分電壓，優(yōu)化了器件中的二維電場分布。通過與普通肖特基二極管、JBS 二極管的不同特性分析、對比發(fā)現超級結JBS 二極管既包含超級結器件的特點又保持JBS 二極管的優(yōu)勢：提高了單極性器件承擔反向耐壓能力，在同等耐壓條件下，也降低了器件的厚度；具有和JBS 二極管相同的正向導通特性，在導通過程中沒有載流子注入，提高了器件單位面積下正向導通電流密度，有效改善了傳統肖特基二極管中正向導通電阻隨肖特基二極管阻斷電壓增加而迅速增加的問題。研究還發(fā)現超級結JBS 二極管的反向恢復速度甚至優(yōu)于傳統的單極型器件。超級結JBS 二極管增加了單極型器件的應用范圍、進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)提供了新的設計思路。