一种终端结构设计的高压大功率快恢复二极管

  1. 引言
  击穿电压是电力电子器件最重要的参数之一，它和最大电流容量一起决定了电力电子器件的额定功率。其中，硅基功率FRD通常是通过一个大面积pn结，以保证实现大电流工作。但是，对于高压工作的FRD来说，平面工艺中不可避免地存在着结面弯曲效应，而影响器件击穿电压的主要因素正是pn结扩散窗口区的结面弯曲引起的电场集中和界面电荷引起的表面电场集中，因为这些因素的影响使器件实际击穿电压仅为理想情况的10%~30%。因此，为了保证硅基FRD能够在高压下正常工作，通常需要在器件主结外边缘处采取措施即结终端保护技术，来消除结面弯曲效应的影响，削弱表面电场强度，提高功率FRD器件pn结击穿电压。
  目前结终端技术主要有以下几种基本结构：场板终端结构(EP)、场限环终端结构(FLR)、结终端扩展(JTE)、横向变掺杂技术LD(V)、半绝缘多晶硅(SIPOS)。由于平面结终端技术与平面工艺几乎完全兼容，因此成为提高电力电子器件击穿电压最有利的方法，而在平面结终端技术中场限环和场板技术是目前功率器件最普遍采用的终端技术。其中，场板技术可以有效地抑制表面电荷引起的低击穿，场限环技术则对主结的分压作用具有明显的效果，同时对减缓平面结曲率效应造成的pn结击穿也非常显著。
  为了能够获得性能良好、击穿稳定的高压功率FRD，本文对场板和场限环两种终端保护结构进行了理论分析，然后组合采用这两种结构，设计了一款耐压超过1200V的功率器件终端结构，通过实际流片证明具有该终端结构的FRD具有良好的电压重复性及一致性特点。
 
  1. 场板技术和场限环技术原理分析
  1.1场板的工作原理
  场板是提高平面结击穿电压的一种很有效的办法，场板结构的剖面图如图1所示，场板、绝缘层和半导体构成了MIS结构，当给p⁺n加反偏压时，场板上的电势相对于n型半导体为负，使场板、绝缘层和半导体衬底构成的MIS结构处于耗尽状态，这部分耗尽区与反偏p⁺n结的耗尽区连成一体，从而减小了pn结终端弯曲处的电场强度，达到提高pn结击穿电压的目的。

 
  场板结构的雪崩击穿通常出现在两个地方：一个是结面弯曲处，一个是场板边缘硅表面处，所以带有场板结构的平面结有两个峰值电场，如图2所示。要实现平面pn结的最大击穿电压，应充分优化场板长度和场板下氧化层厚度，使平面结曲率部分和场板边缘处同时击穿，从而实现场板结构的最高耐压值。  
   当衬底掺杂浓度较高、氧化层较厚时，场板下面的半导体不易反型。这种情况下，场板区域绝缘层所承受的压降远大于半导体上的压降，因此击穿发生在体内结面弯曲处。当衬底浓度较低、场板下氧化层较薄时，场板下面的硅衬底在pn结上的电压较高时很容易反型，此时衬底表面的反型层与衬底形成感应pn结，击穿首先发生在场板边缘的场感应结上，并且其击穿电压随绝缘层厚度的增加而增大。因为绝缘层厚度的增加具有削弱场板边缘电场集中的效应，与通常采用的增加pn结结深来提高击穿电压情况相似。
  因此，场板作用的大小与场板的长度及场板下氧化层厚度密切相关。场板长度增加时，电场集中区逐渐移向场板边缘。场板愈长，结处电场愈小。场板下氧化层愈薄，电场向场板方向转移愈明显。但厚度太小，又会造成场板边缘介质击穿。
  1.2 场限环的工作原理
  场限环的基本结构如图3所示，其中主结与环结是同时扩散形成的。场限环的电位浮空，不与主结相联，也不与器件其他电极相联。当主结加上反向电压时，耗尽层随着反向电压的升高由主结向环结扩展，使主结和环结之间的耗尽层穿通，并进一步向环结的另一侧扩展。从而在一定的电压下，将因耗尽层的展宽而使电场降低，击穿电压得以提高。  
  由于主结空间电荷区的最大电场强度决定于穿通电压，只要穿通电压低于主结的雪崩击穿电压，则其最大电场强度就低于雪崩击穿的临近电场强度。这样就可以消除结曲面部分导致电场升高的现象，使主结的击穿电压由平面部分决定。因此，主结与场限环的间距、结深、环的宽度以及环的个数都会影响到击穿电压的大小，其中主结与场限环以及环与环(多个场限环时)的间距对击穿电压的高低起着主要作用。
 
  2. 场板和场限环组合设计及分析
2.1场板和场限环组合设计
  场限环结构中环间距对击穿性能影响最大，而环间电位及表面电场分布受氧化层表面电荷影响很大，提高了场限环结构对表面钝化工艺的要求，因此增加了工艺的复杂性；而场板结构对氧化层厚度均匀性比较敏感，为了获得最佳效果，同样增加了工艺的复杂性。
  鉴于上述原因，本文采用场限环场板复合终端结构，具体地，场限环主要起分压作用，场板主要用来屏蔽氧化层中正电荷对结表面的影响，使场环的作用得到充分发挥。此种结构发挥了场限环和场板各自优点，使得击穿电压对环间距、氧化层厚度及氧化层电荷的敏感程度大大降低，与常规工艺完全兼容。大大降低了工艺的复杂性。复合终端结构截面如图4所示。  
  场限环优化设计采取方法是充分优化环间距，如果间距取得合适，使得主结与环结的电场强度同时达到临界击穿场强，此时对应的反偏电压为最大击穿电压，对应的环间距为最佳环间距。一般地，击穿电压随环个数增加而增加，但并非线性增加，环的个数越多，占用芯片面积越大，因此设计时要折衷考虑环的个数与击穿电压大小，使击穿电压满足的前提下芯片面积占用率最低，也就是说电势从阳极到器件末端上升得尽可能快。对于高压器件必须设计多个场限环，让每个环分担外加电压的一部分，场限环环间距离d及第i个环到i+1个环间的电压V_i+1，i的计算公式：   式中ε为硅的介电常数为击穿临界电场结可以认为是单边突变平面结其击穿临界电场   d为i环边缘曲率中心到下一环边缘的距离由上式计算的d是场限环最大允许间距，V_i+1，i为环间最大电压。环间距离d愈小，环间电压最大电场愈小。式中N_epi为外延层掺杂浓度。
  场板优化设计的目的：加上场板以后的击穿电压(定义界面电荷值为1×10¹¹cm²)应该达到相同结构没有场板时(定义界面电荷值为缺省值)的击穿电压。其中场板下氧化层厚度的确定是在满足氧化层临界击穿的前提下近可能薄，使场板充分发挥电荷耦合作用。但氧化层厚度最小值受到氧化层击穿电压的限制，，其中t_ox为氧化层厚度，BV_pp为理想平等平面结的击穿电压，E_ox为SiO₂的临界击穿场强。场板的主要作用是屏蔽氧化层电荷、使场限环的作用得到充分发挥，同时降低自己对氧化层厚度的依赖性，从而和常规工艺兼容。所以，场板的优化设计是要充分优化氧化层厚度和场板长度，使场板边缘与环间的电位差大于或等于相邻环间电位差，达到使场限环承担电压的目的。
 
  2.2 模拟仿真和结果分析
  本文以Synopsis公司的MEDICI4.0为器件仿真工具,采用厚度100μm左右、掺杂浓度10¹⁴cm^-2量级的n<111>Si外延材料，设计了一个10个场限环和10个场板的复合终端结构，通过对场板长度、环间距、氧化层厚度等参数的调整，做到在350μm宽度的较小终端设计面积中模拟得到击穿电压满足1200V的结构。模拟结果如图5所示。  
  对于一个优化的终端结构，击穿应该同时发生在每个场限环的结面弯曲处，所以电场强度和电流的均匀性分布是终端优化结构的一个标志。图5(a)为击穿时在p阱结面弯曲处的电场强度分布图，可见在击穿发生时主结和场限环的结面弯曲处电场强度均匀分布。图5(b)为器件发生击穿时的电流流向图，可见电流的分布也比较均匀，所以各个击穿点同时发生击穿，而不是发生在某个薄弱环节。
  以MEDICI4.0为器件仿真工具，对确定的场限环终端结构和复合结构在不同界面电荷情况下分别进行了仿真计算，结果如表1所示。  
  由仿真计算结果看出，对场限环终端结构当氧化层界面电荷为1×10¹¹cm^-2时的击穿电压为1197V，比预计的1350V低158V，而复合终端结构仅低39V。当界面电荷从零变化到1×10¹¹cm^-2时，场限环终端击穿电压下降了100V，而复合终端结构仅下降了31V。由此可说明本文设计的复合终端结构不仅击穿电压比场限环终端提高了，而且受界面电荷的影响也没有场限环终端那么明显，即场板显现出了良好的电荷屏蔽效应。
 
  3. 实验结果
  为了验证本文所设计的终端结构的准确性，本文采用1200V外延材料进行了小批量流片试制。流片后管芯做TO-247塑封，成品经大功率图示仪测试，击穿电压的测试结果如图6所示，由图可以看出击穿值达到1250V，且击穿曲线陡直、拐点明确，属良好硬击穿。经过多次实验结果验证：在BV≥1200V@IR=40μA和IR≤100μA@BV=1200V条件下，芯片反向击穿电压和漏电流筛选成品率大于97%，且击穿电压的重复性和一致性良好。  
  目前采用该终端结构的击穿电压1200V、额定电流为100A的FRD产品已经通过多家客户验证并在公司实现量产，圆片实物如图7所示。  
  4. 结论
  采用本文所设计终端结构的1200V FRD，经实际流片证明，击穿电压和漏电流指标试制一次性成功，说明本文设计的终端结构效果良好。按照该终端结构的设计思路，通过调整保护环的数量和环间隙及外延材料参数，同样适用于其它击穿电压FRD终端保护结构的设计，尤其对于击穿电压千伏左右的FRD器件终端结构设计具有一定的指导作用，同时对高压功率器件终端结构设计具有一定借鉴意义。



上一篇：快恢复二极管高温铜迁移失效产生原理及解决方
下一篇：碳化硅二极管的特点及应用