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              MPS快恢復二極管工作原理與仿真測試

              作者:海飛樂技術 時間:2018-05-23 17:02

              摘要:
                介紹了混合pin/肖特基(MPS)二極管快恢復二極管的工作原理,基于人們對于主功率開關器件并聯起箝位或緩沖作用的快速二極管提出的高要求即在具有超快和超軟恢復特性的同時又兼具有低的正向導通耗,以減少芯片的發熱損耗。采用Silvaco仿真軟件對MPS結構的兩款較快恢復二極管的正向特性進行了研究并實際制作了器件,發現正向壓降與襯底摻雜濃度及載流子遷移率關系極大。分析了正向壓降的溫度特性,結果表明固定摻雜濃度的FRED器件,由于晶格散射對載流子遷移率起主導作用,正向壓降至正溫度系數特性;而對FRED器件,由于雜質散射起主導作用,正向壓降至負溫度系數特性。
               引言
                隨著功率半導體器件開關速度的提高,特別是Power MOSFET、高速IGBT的出現,對于主功率開關器件并聯起箝位或緩沖作用的快速二極管提出了較高的要求,要求二極管在具有超快和超軟恢復特性的同時,又要具有盡量低的正向導通損耗,以減少芯片的自身發熱量實現節能,也能有效提高芯片的高溫工作特性。因此,研究續流二極管的正向特性及其溫度特性對于開關器件的使用至關重要。
               
                1. MPS結構軟恢復快速二極管工作原理
                B.J.Baliga等人提出來混合pin/Schottky(merged pin/Schottky diode,MPS)二極管結構,基本結構示意圖1所示。指狀P+柵格與肖特基結間隔形成MPS二極管。

              圖1 MPS二極管結構示意圖 
              圖1 MPS二極管結構示意圖
                相鄰的pn結為肖特基區保留了一個n型導電溝道,當MPS正偏時,肖特基處于正向導通狀態,隨著漂移區區壓降的升高,pn-結被正向偏置,漂移區將出現電導調制效應,有效降低了正向壓降(VF)
                當MPS反偏時,pn結形成的耗盡區向溝道區擴散,間隔排列pn結耗盡層在較大的反向電壓下發生連通,這個耗盡區將肖特基界面屏蔽于高場之外,避免了肖特基勢壘降低效應,極大提高了器件的耐壓,最終器件的擊穿電壓將接近pin結構的雪崩擊穿電壓。
               
                2. 元器件設計
                利用silvaco仿真軟件在器件結構和工藝等方面進行仿真設計,獲得最優的結構和工藝方案,同時對工藝及器件結構進行記錄,便于新結構的創新,節約了實際投料研制時間和成本,為充分利用現有的半導體生產線來滿足市場需求創造條件。
               
                2.1 設計方法與分析
                (1)由于表面電場和pn結深有關,為了能使屏蔽效應充分發揮,應使pn結盡可能深。然而采取高能離子深注入,會損壞襯底且使pn結性能變壞致使漏電流增大。同時,為承受反向耐壓,pn結的耗盡層主要在n-區,p+區的摻雜濃度應盡可能高。對于注入效率,它隨著摻雜濃度的增加而提高。通過上述考慮,p區的深度設計為4µm,濃度。 
                (2)n區的設計考慮:擊穿電壓和正向壓降。為滿足1200V以上的擊穿電壓,并盡量減少導通電阻以降低正向壓降,最終折中選擇兩種硅襯底材料進行仿真設計。選用電阻率為62Ω·cm的單晶硅片,與n+襯底上生長電阻率為80 Ω·cm的外延硅片。對于背n+區的濃度,需要較大的雜質濃度。因此器件設計采用濃度為的n+區以實現良好的歐姆接觸。選擇實現肖特基接觸的材料為常用金屬鋁。
                (3)同時,選擇電場限制環的方法,降低表面最大電場強度,獲得了穩定的體內雪崩擊穿
              特性。
                (4)設計的MPS結構中肖特基區域面積與pin區域各占元胞區的1/2,MPS快恢復二極管與肖特基二極管一樣,在較低的正向壓降下(小于0.5V)肖特基區域就出現電流。其開態電流密度是肖特基二極管的1/2。
               
                2.2 MPS快恢復二極管正向壓降仿真
                仿真過程中指定ATLAS所用的物理模型有與雜質濃度相關的載流子遷移率模型(conmob)、受橫向電場影響的載流子遷移率模型(fldmob)、肖克萊復合模型(srh)、俄歇深能級注入引起的復合模型(auger)、禁帶變窄模型(bgn)和希爾波特模型。通過材料語句的定義覆蓋上面模型中的默認值,定義了載流子的復合壽命。
                反震結構的原胞面積為30µm×1µm,按照實際制作元胞總面積為4.46mm2計算,器件的額定工作電流IF為15A,在本仿真中單元胞電流應該為。配合Silvacao軟件以電流密度的方式現示電流參數,查看器件在15A條件下的正向壓降VF折合到本仿真中電流密度為。本文中仿真的器件正面結構相同,采用的公函數相同均為4.97eV。
               
                2.3 正向壓降VF仿真結果
                對于單晶硅片制作的MPS快速恢復二極管,選取硅襯底的摻雜濃度作為仿真變量,單晶硅電阻率分別為30,45,62,和80 Ω·cm,仿真結果見圖2,發現隨著摻雜單晶襯底電阻率的關系如圖3所示。
              圖2 不同單晶襯底電阻率的FRD正向壓降
              圖2 不同單晶襯底電阻率的FRD正向壓降
              圖3 FRD正向壓降與單晶襯底電阻率(p)的關系
              圖3 FRD正向壓降與單晶襯底電阻率(p)的關系

                同樣地,對于硅外延制作的MPS快速恢復二極管,選取外延層的摻雜濃度作為仿真變量,外延層電阻率分布為28,35,62,70和80 Ω·cm;圖4即為具有相同器件結構,不同外延層電阻率的FRED正向壓降的局部放大圖。從仿真結果可以看出,FRED的正向導通壓降VF也隨電阻率的增加而變大,兩者間關系如圖5所示。
              圖4 FRED正向壓降局部放大圖
              圖4 FRED正向壓降局部放大圖
              圖5 FRED正向壓降與外延層摻雜濃度的關系
              圖5 FRED正向壓降與外延層摻雜濃度的關系

                考慮MPS二極管器件一個元胞的正向壓降
              MPS二極管器件一個元胞的正向壓降方程式  (1)
                式中:q為電荷量;ND為施主濃度;Xj為p區深度;A為理查德常數;T為絕對溫度;φn為肖特基勢壘高度;µn為電子遷移率;t為耗盡層寬度;JFC為單元電流密度。由式(1)看出基區體壓降部分與摻雜濃度和載流子遷移率關系不大;雜質濃度越高,正向壓降越小。因為仿真中定義同一量級摻雜濃度,雜質散射對遷移率的影響較小,因此正向壓降隨著電阻率的增加而變大。
                
                3. 實驗方案與工藝流程
                按照仿真結果,在保證反向耐壓的情況下,采用短基區寬度設計,并考慮背面高濃度注入以增加歐姆接觸,對外延硅片與單晶硅片分別設計了實驗方案。
                外延硅片上的MPS二極管工藝流程為:場氧,光刻→硼注入(正面p+)→氧化推阱→光刻,POCL→氧化,光刻→淀積鋁→燒結→鈍化層→電子輻照→退火→磨片→磷注入(背面n+)→快退火→背面金屬化→芯片測試→封裝→成品測試。制作的快恢復二極管器件結構如圖6所示。
                單晶硅片上MPS二極極管工藝流程為:場氧,光刻→硼注入(正面p+)→氧化推阱→光刻,POCL→氧化,光刻→淀積鋁→燒結→鈍化層→磨片→深磷注入(n+緩沖層)→磷注入(背面n+)→背面金屬化→芯片測試→封裝→成品測試。實際制作的單晶快恢復二極管器件結構如圖7所示。
              圖6 外延MPS二極管結構示意圖
              圖6 外延MPS二極管結構示意圖
              圖7 單晶MPS結構示意圖
              圖7 單晶MPS結構示意圖

                從上述結構圖中可以看出,兩種方案的正面工藝相同,區別在于單晶硅片上制作的快恢復二極管采用的是緩沖層結構,外延硅片上制作的器件則是增加了電子輻照工藝。
               
                4. 測試結果
                4.1正向壓降VF參數
                對上述制作的兩種器件在靜態工作電流IF=15A條件下測試,將實測VF仿真結果進行比較
              (表1和表2)。發現實驗結果與仿真結果保持一致,對于外延硅制成的FRED器件,因實際制作過程中采用了電子輻照工藝,載流子壽命降低,有效減小反向恢復時間的同時導致了正向壓降的升高。對單晶硅襯底制作的FRD器件,未采用電子輻照技術且硅電阻率較小,正向壓降比FRED器件小0.4V,得到的VF仿真結果與實際器件的VF參數如表2所示。
              表1不同襯底電阻率的FRED的正向壓降
              表1不同襯底電阻率的FRED的正向壓降 
              表2 不同襯底電阻率的FRD的正向壓降
              表2 不同襯底電阻率的FRD的正向壓降 
               
                4.2 正向壓降VF與溫度的關系
                針對快恢復二極管實際并聯使用,對兩款器件VF參數的溫度系數分別進行了測試,FRD呈現正溫度系數特性,而外延FRED器件呈負溫度特性。
                由式(1)可以看出,基區體壓降部分受載流子遷移率的影響較大。而實際的遷移率由雜質散射與晶格散射兩種機制的疊加:由雜質散射所造成的
              遷移率µ1隨T-3/2/NT變化,NT為總雜質濃度,雜質散射效應在低溫下較為顯著,因而遷移率隨溫度的增加而增加,導通電壓VF隨溫度增加而減小。當器件溫度升高,則晶格散射開始起作用,遷移率將隨T-3/2減少,又會增加。
                對于外延FRED器件,襯底極高的摻雜濃度決定了正向壓降的溫度相關性;在室溫下雜質散射效應起主導作用,呈現為在外電場驅動下正向壓降VF隨溫度升高變小,但是變小的趨勢隨溫度增加向放緩,如圖8下箭頭所示。當對器件加入電壓,隨著外電場增加,加強了載流子對晶格的碰撞。此時,晶格散射機制的影響增大,遷移率減小,VF減小緩慢,如圖8所示,因此高濃度襯底決定了器件正常工作電流范圍內呈明顯的負溫度特性,所以外延硅制作的二極管在很寬的材料電阻率范圍內都呈現負阻特性。
              圖8 FRED器件的溫度系數 
              圖8 FRED器件的溫度系數
                對于低摻雜濃度僅為的單晶硅制成的FRD器件而言,同樣的,在外加低壓情況下,雜質散射效應較顯著,遷移率隨溫度的增加而增加,因此,正向壓降時隨溫度增加而減小,如圖9下箭頭;當IF達到8A時,即在外加高電場驅動時,電子移動加快,在雜質原子附近停留時間較短,又由于晶格散射嚴重,遷移率減小,兩種散射機制的競爭在一定的外電場下取得了平衡。此時,載流子遷移率幾乎不隨溫度變化,正向壓降趨于一平衡點。
              圖9 FRD器件的溫度系數 
              圖9 FRD器件的溫度系數
                因此襯底摻雜低濃度決定了載流子遷移率不隨溫度變化的平衡點。當器件處在更大的外電壓驅動下,晶格散射將完全去主導作用,外電場的增加,加強了對晶格的密集碰撞。隨著溫度升高,遷移率迅速減小,VF增加明顯,因此,正向壓降呈現明顯的正溫度特性,如圖9上箭頭所示。
                事實上,在實際制作工藝中適當提高單晶襯底硅的摻雜濃度,提升雜質散射效應的影響,將平衡點往最大工作電流條件下推移,可以制作出零溫度特性的單晶快速軟恢復二極管,這將對器件的并聯使用極為有利。
               
                5.結論
                利用Silvaco仿真軟件在器件結構和工藝方面對快恢復二極管正向壓降特性進行仿真研究,并制作出兩款1200V,15A低功耗快恢復二極管。發現正向壓降與摻雜濃度關系極大,正向壓降隨著電阻率的增加而變大。
                溫度對載流子遷移率影響較大,單晶FRD器件由于晶格散射起主導作用正向壓降呈正溫度系數特性;外延FRED器件由于雜質散射起主導作用呈負溫度系數特性。
                在實際制作中發現,對于外延硅材料制作的快恢復二極管,在正常工作電流范圍內呈明顯的負溫度特性;對于單晶硅材料制作的快恢復二極管,單晶硅材料電阻率決定了器件的溫度特性,巧妙選取單晶硅襯底摻雜濃度可以制得在最大正向電流下,正向壓降VF與溫度無關的快恢復二極管,這將極利于器件的并聯運行。
               
               
               
               




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