具有場限環終端的6500V 4H-SiC結勢壘肖特基二極管

  隨著電力系統對電力電子器件性能提高的需求不斷增加，亟需提升器件的耐壓、通流能力和開關速度，并降低損耗，但是硅功率器件的性能已慢慢接近其理論極限，如由其材料本身特性所決定的雪崩擊穿臨界電場強度以及工作溫度等，然而SiC具有寬帶隙、高熱導率、高臨界擊穿電場強度、高飽和載流子速度以及其他優良的物理特性，故碳化硅是一種制作功率器件的理想的半導體材料。
  同硅基pn二極管相比，SiC肖特基二極管（SBD）有很大優勢，其中包含結勢壘的碳化硅肖特基二極管（即SiC JBS器件）既存在pn結又存在金屬半導體接觸，具有開啟電壓小、耐壓高及漏電流較小的優勢，兼具了pin二極管和肖特基二極管的優點，適用于制作1.2~10kV中高壓器件，在電源轉換器、電動汽車、電力電子產品和遠距離高壓輸電等電力供應設備中應用廣泛。
  本文報道了一種具有場限環終端的6500V 4H-SiC JBS二極管器件，介紹了設計、仿真的過程和結果，并對其進行流片和測試，器件測試結果表明；在器件電流為2A時，正向導通壓降為4V，器件反向阻斷電壓可達8kV。
 
1. 器件結構設計與仿真
1.1材料參數確定
  對于高壓碳化硅器件，漂移層是器件承受反向耐壓的部位，其參數直接決定器件的反向耐壓能力的大小，漂移層摻雜濃度越低、厚度越大，器件反向耐壓越高，但同時器件的通態電阻越大，為得出合適的漂移層參數，分別對其漂移層摻雜濃度和厚度的正反向特性進行仿真，采用SentaurusTCAD軟件，仿真時溫度設為25℃、固定JBS有源區p+型區寬度W=2µm、p+型區間距S=2.5µm。
  為研究漂移層厚度對器件反向特性的影響，對不同漂移層厚度進行正反向特性仿真，n-漂移區的摻雜濃度選擇為1.1×10¹⁵cm^-3，仿真中電壓設為0~12000V，圖1位器件反向特性仿真結果。當n-漂移區厚度分別為55、60、65、70、75和80µm時，耐壓能力逐漸增大，從8584V增大到10510V，由于實際材料存在缺陷或器件制備過程存在工藝誤差，故需要耐壓值留有裕量，故要達到6.5kV的耐壓，漂移層厚度選擇60µm以上。

  圖2為器件正向特性的仿真結果，仿真電壓設為0~5V，由圖可知漂移區厚度越大，通態電阻和通態壓降越大，其導通電流越小。綜合評估器件正反向特性，在耐壓達到目標值后，漂移區厚度越小越好，故漂移區厚度取60~70µm較為合適。   為了研究漂移區摻雜濃度對器件反向特性的影響，對不同漂移區濃度進行正向、反向特性仿真，n-漂移區厚度為60µm，仿真中將電壓設為0~12000V，圖3所示為器件反向特性仿真結果。當n-漂移區濃度從0.8×10¹⁵cm^-3增大到2.0×10¹⁵cm^-3時，其耐壓能力從9705V減小到6807V，圖4為器件正向特性仿真結果。仿真中電壓設為0~5V，當n-漂移區濃度從0.8×10¹⁵cm^-3增大到2×10¹⁵cm^-3時，其通態電阻逐漸減小，綜合其正反向特性，并考慮工藝誤差和材料缺陷，漂移層摻雜濃度取1.0×10¹⁵cm^-3左右。  
1.2 元胞結構設計與仿真
  圖5為4H-SiC二極管元胞的剖面示意圖，二極管元胞的結構由上向下分別為肖特基接觸、p-i-n區域、漂移層、襯底和歐姆接觸。襯底的摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，漂移層厚度H為60µm，摻雜濃度Nd為1.08×10¹⁵cm^-3，p+區間距為S，p+區的寬度為W，深度為d。   P+環寬W和間距S的比值會對JBS的正反向特性產生影響，因為其會影響器件肖特基接觸區域的表面電場，進而影響器件的反向漏電流，并會對陽極有效肖特基接觸面積產生影響，進而影響器件的正向導通電流。采用SentaurusTCAD軟件，仿真溫度設為25℃、仿真電壓設為0~12000V、p+區的寬度W=2µm時，且p+區間距S取不同值，電壓設為0~5V，對器件正反向特性進行仿真，仿真結果如圖6所示。   由圖6（a）中可以看出，有源區中p型區間距從1µm增大到3µm的過程中，耐壓在8950V~9200V內變化。在p+區寬度固定的條件下，間距越小，耐壓越大；這是因為p型區間距越小，在承受反向耐壓時，相鄰p型區產生的耗盡層能夠更有效地屏蔽來自肖特基接觸的電場，從而更有效地保護肖特基接觸面。從圖6（b）中可以看出，隨著p型區間距的減小，有源區的通態電阻逐漸增大，當p型區間距減小到1.5µm時，有源區的開啟電壓顯著增大到2.5V，這是由于當相鄰p型區的自然耗盡層過于接近時，堵塞了電流的通道。結合正反向特性綜合考慮，p型區的間距優選值為1.5、2、2.5µm。
 
1.3 終端結構設計與仿真
  終端結構是決定器件耐壓的重要因素，場限環結構是平面型高壓器件主流終端保護結構之一，用來降低終端結曲率效應引起的表面電場集中，提高擊穿電壓。場限環結構的主要優點是結構簡單，可以與主結p+注入同時形成，不必添加另外的工藝，同單區結構終端擴展（JTE）結構相比，其耐壓能力對摻雜濃度相對不敏感。環的個數、場限環注入濃度、主結和環的間距、環與環之間的間距等參數都對其耐壓能力有顯著影響。采用SentaurusTCAD仿真工具在現有的外延材料基礎上進行不同場限環結構對耐壓特性的影響的仿真。圖7位場限環個數對器件耐壓特性影響的仿真結果，結果顯示，隨著環個數從30個增加到100個，耐壓能力先上升，后在小于等于70個環時達到飽和，對70個環時電場強度進行仿真，仿真結果如圖8所示。由圖8中可看出，電場在66個環左右耗盡，其有效場限環個數為66個，為留有裕量，器件采用場限環個數為70個。通過對70個場限環寬度、間距進行優化設計，設計了11種不同結構的場限環終端，編號為T1~T11，11種不同場限環仿真結果如圖9所示。仿真中電壓設為0~12000V，不同的場限環終端結構下，擊穿電壓在8220V~8450V內變化。  
  根據圖9的結果并綜合考量終端的長度、最小線寬，評估后認為T2、T9和T10結構均可作為器件的終端結構。
 
2. 器件制備
  該SiC JBS采用n型外延材料，其厚度為60µm、摻雜濃度為1.08×10¹⁵cm^-3，元胞p+區間距選取2.5µm。首先對樣品進行表面處理，采用美國無線電公司（RCA）標準進行器件清洗，通過在500℃的條件下進行Al離子注入形成器件元胞區的p+摻雜及場限環終端，并采用濺射形成的碳膜保護進行退火，在1800℃的氬氣氛圍下退火10min，實現了注入后的損傷修復和激活。隨后通過濺射金屬Ni，并在1000℃下退火3min實現歐姆接觸電極的制備。之后，通過蒸發金屬Ti，并進行高溫退火，實現肖特基接觸電極的制備。然后采用SiO2、SiN層和聚酰亞胺制備表面鈍化層。制備出6.5kV 4H-SiC JBS二極管，如圖10所示。二極管芯片面積為4mm×4mm，有源區面積為2.38mm×2.38mm。  
3. 流片結果測試與分析
  為驗證器件性能，本文采用1505A功率器件分析儀及N1268A高壓測試模塊對器件進行測試。N1268A高壓測試模塊最高測試電壓可達10kV。
  對6500V 4H-SiC JBS二極管器件正反向特性進行測試，測試溫度為25℃，測試脈沖寬度為1ms。測試結果如圖11所示，器件開啟電壓為1.3V，在器件電流為2A時，正向導通壓降為4V，因為有源區面積為2.38mm×2.38mm，故電流密度為3.53×10⁵A/m²，器件反向阻斷電壓為8kV左右，終端保護效率達到95%，滿足設計要求。   制備的器件開啟電壓1.3V，設計的正向開啟電壓0.7V，實際開啟電壓大于設計的開啟電壓，故對器件元胞區在掃描電鏡（SEM）下進行觀察，分析SEM結果以及仿真結果，認為其開啟電壓增大的原因是在工藝過程中由于工藝誤差，器件實際p型區寬度大于設計值，圖12為SEM測試結果。由圖12可知，有源區中p型區寬度為2.17µm，且存在橫向注入散射，散射后的條寬為3.237µm，與設計值2µm相比，產生了很大的誤差，p型區寬度增大會導致開啟電壓增大，故流片后器件開啟電壓偏大。  
4. 結論
  通過對器件的設計與優化制備了具有場限環終端的6500V 4H-SiC結勢壘肖特基二極管，器件的開啟電壓為1.3V，在器件電流密度為3.53××10⁵A/m²時，正向導通壓降為4V，器件反向阻斷電壓最高可達8kV，終端保護效率達到96%。該器件采用場限環結構終端，有效避免了JTE終端結構因工藝原因產生的有效空穴濃度變化較大而造成的終端耐壓能力下降的問題，提高了終端保護效率。



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