n，p柱寬度對(duì)超結(jié)SiGe功率二極管電學(xué)特性的影響*

高 勇 馬 麗 張如亮 王冬芳

1)(西安理工大學(xué)電子工程系，西安 710048)2)(西安理工大學(xué)應(yīng)用物理系，西安 710048)(2010年6月7日收到;2010年7月29日收到修改稿)

n，p柱寬度對(duì)超結(jié)SiGe功率二極管電學(xué)特性的影響*

高 勇1)馬 麗2)張如亮1)王冬芳1)

1)(西安理工大學(xué)電子工程系，西安 710048)2)(西安理工大學(xué)應(yīng)用物理系，西安 710048)(2010年6月7日收到;2010年7月29日收到修改稿)

結(jié)合SiGe材料的優(yōu)異性能與超結(jié)結(jié)構(gòu)在功率器件方面的優(yōu)勢(shì)，提出了一種超結(jié)SiGe功率二極管.該器件有兩個(gè)重要特點(diǎn):一是由輕摻雜的p型柱和n型柱相互交替形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，取代傳統(tǒng)功率二極管的n－基區(qū);二是陽(yáng)極p+區(qū)采用很薄的應(yīng)變SiGe材料.該二極管可以克服常規(guī)Si p+n－n+功率二極管存在的一些缺陷，如阻斷電壓增大的同時(shí)，正向?qū)▔航惦S之增大，反向恢復(fù)時(shí)間也變長(zhǎng).利用二維器件模擬軟件MEDICI仿真分析得到以下結(jié)論:與相同結(jié)構(gòu)尺寸的常規(guī)Si功率二極管相比較，20%Ge含量的超結(jié)SiGe功率二極管，反向阻斷電壓提高了1.6倍，正向壓降減小了約60 mV(正向電流密度為10 A/cm2時(shí)).雖然反向恢復(fù)時(shí)間沒(méi)有明顯減少，但反向峰值電流密度降低了17%，軟恢復(fù)特性也顯著提高，后者的軟度因子是前者的2倍多.超結(jié)部分的p型柱和n型柱寬度是器件設(shè)計(jì)中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文重點(diǎn)討論了該參數(shù)對(duì)器件電學(xué)特性的影響:柱區(qū)寬度越小，阻斷電壓越高，漏電流越小，但同時(shí)正向壓降有所增加.柱區(qū)寬度對(duì)反向恢復(fù)特性的影響沒(méi)有明顯的單調(diào)性，柱區(qū)寬度過(guò)小時(shí)會(huì)出現(xiàn)硬恢復(fù)現(xiàn)象.通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以同時(shí)獲得低通態(tài)壓降、高阻斷電壓、快速恢復(fù)的特性.

超結(jié)，鍺硅二極管，n，p柱寬度，電學(xué)特性

PACS:73.40.Lq，85.30.Kr，85.30.De

1.引 言

在現(xiàn)代電力電子裝置中，作為其核心部分的電力電子器件(功率器件)雖然只占整機(jī)總價(jià)值的20%—30%，但它對(duì)提高整個(gè)裝置的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)起著十分重要的作用.對(duì)功率器件性能的要求一般有如下幾條:1)耐壓高;2)導(dǎo)通時(shí)電流密度大;3)導(dǎo)通時(shí)器件上壓降低;4)開(kāi)關(guān)速度高;5)驅(qū)動(dòng)功率小.功率器件中常用的開(kāi)關(guān)二極管對(duì)改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都有重要作用.因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的功率二極管顯得非常必要.SiGe材料由于具有許多優(yōu)于Si材料的性能，如其載流子遷移率高［1］、能帶可調(diào)，其制作工藝又與成熟的Si工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)而成為備受矚目的硅基半導(dǎo)體材料.在異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、光電子器件等領(lǐng)域都取得了巨大的成就.SiGe器件在數(shù)字通信、單芯片射頻、全球定位、信號(hào)處理等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用.另外，SiGe材料在功率器件方面也有了越來(lái)越深入的研究［2—5］.SiGe Bi CMOS功率放大器已達(dá)到手機(jī)中功率放大器的要求，向傳統(tǒng)的GaAs基功率放大器的“一統(tǒng)天下”提出了挑戰(zhàn).

為了降低功耗，要求功率半導(dǎo)體器件在阻斷狀態(tài)時(shí)能承受較高的電壓，在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)有較低的通態(tài)電阻.功率VDMOS為了滿足高耐壓，需要降低漂移區(qū)濃度或增大漂移區(qū)厚度，但導(dǎo)通電阻也隨之增大，其導(dǎo)通電阻與擊穿電壓呈2.5次方關(guān)系［6］.將傳統(tǒng)VDMOS中的n型漂移區(qū)替換為p柱和n柱相互交替形成的超結(jié)漂移區(qū)，很好地解決了導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間的矛盾，使其導(dǎo)通電阻與擊穿電壓呈1.32次方關(guān)系［7］.由此可見(jiàn)超結(jié)結(jié)構(gòu)在提高擊穿電壓的同時(shí)可以減小導(dǎo)通電阻，有利于降低通態(tài)功耗，超結(jié)結(jié)構(gòu)目前還主要是應(yīng)用于功率 MOS器件中［8，9］.我們首次將 SiGe 材料與超結(jié)結(jié)構(gòu)同時(shí)引入到功率開(kāi)關(guān)二極管中，可顯著提高器件的各種電學(xué)特性.本文重點(diǎn)討論影響超結(jié)SiGe功率二極管各種特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)超結(jié)部分n，p柱的寬度.

2.器件結(jié)構(gòu)及特性

2.1.器件結(jié)構(gòu)

超結(jié) SiGe功率二極管的結(jié)構(gòu)(圖1(a)所示)與文獻(xiàn)［10］給出的超結(jié)雙極型晶體管相似，主要有兩個(gè)特點(diǎn):一是p+層采用應(yīng)變 SiGe材料，厚度很薄，30 nm左右;二是基區(qū)由p型柱和n型柱相互交替形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，如同多個(gè)pn結(jié)并聯(lián)在一起.超結(jié)結(jié)構(gòu)中縱向存在p+n結(jié)和n+p結(jié)，橫向存在pn結(jié)，在縱向和橫向都建立了電場(chǎng).為了提高耐壓，p柱和n柱中的電荷要完全平衡，并在擊穿之前p，n柱完全耗盡.為了更直觀地說(shuō)明超結(jié)SiGe功率開(kāi)關(guān)二極管的優(yōu)異性能，本文還給出了相同結(jié)構(gòu)尺寸的常規(guī)Si p+n－n+功率二極管(圖1(b)所示)的電學(xué)特性.

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖 (a)超結(jié)SiGe功率二極管;(b)常規(guī)Si功率二極管

超結(jié)SiGe功率二極管在數(shù)值模擬中遇到了很大的挑戰(zhàn):一是超結(jié)部分由p型柱和n型柱相互交替形成，二是p+層采用很薄的應(yīng)變SiGe材料，所以在數(shù)值模擬中不管是在垂直方向還是水平方向都需要更小的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目是常規(guī)結(jié)構(gòu)Si p+n－n+的數(shù)十倍，這為數(shù)值計(jì)算帶來(lái)了一定難度.為了準(zhǔn)確反映實(shí)際情況，綜合已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，采用了適用SiGe/Si異質(zhì)結(jié)功率器件模擬的關(guān)鍵物理參數(shù)模型.以功能強(qiáng)大的二維器件模擬軟件Medici為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了超結(jié) SiGe功率二極管和Si功率二極管的電學(xué)特性優(yōu)劣，重點(diǎn)討論了超結(jié)部分的p型柱和n型的寬度對(duì)超結(jié)SiGe功率二極管電學(xué)特性的影響規(guī)律.

2.2.器件特性

在反向阻斷特性模擬中，所加反向電壓的最大值為400 V，步長(zhǎng)為10 V.正向?qū)ㄌ匦阅M中所加最大正向電壓為1.6 V，步長(zhǎng)為0.1 V.反向恢復(fù)特性模擬中，與二極管串聯(lián)的電阻為5 KΩ，電感為0.05 mH.首先使二極管正向?qū)?，保持正向電流密度?00 A/cm2，然后關(guān)斷二極管，測(cè)試其反向恢復(fù)特性.圖2為相同結(jié)構(gòu)尺寸的常規(guī)Si功率二極管與超結(jié)SiGe功率二極管的反向阻斷特性、正向?qū)ㄌ匦砸约胺聪蚧謴?fù)特性的比較曲線.兩種二極管的p+區(qū)厚度均為30 nm，摻雜濃度同為1×1019cm－3;n+區(qū)厚度均為2 μm，摻雜濃度同為1×1020cm－3.常規(guī)結(jié)構(gòu)的Si二極管的基區(qū)厚度為14 μm，摻雜濃度為3 ×1015cm－3，寬度為 8 μm.超結(jié) SiGe 二極管的超結(jié)區(qū)厚度為 14 μm，p，n柱的摻雜濃度均為 3×1015cm－3，兩柱的寬度 Wn和 Wp均為 4 μm，總寬度也為8 μm，SiGe材料中 Ge的含量為20%.

從圖2中可以看出，與Si功率二極管相比，超結(jié)SiGe二極管的各項(xiàng)電學(xué)性能指標(biāo)均有明顯提高，尤其是反向阻斷電壓大幅度增加，從115 V增加到了303 V，提高了1.6倍(圖2(a)).超結(jié)中相互交替的p/n柱在垂直方向和水平方向上都建立了電場(chǎng)，總的電場(chǎng)分布是兩者共同作用下產(chǎn)生的，能夠大大增加器件的耐壓能力.這一點(diǎn)也可以從兩種二極管反向阻斷過(guò)程中電場(chǎng)線的分布看出(圖3，4所示)，超結(jié)SiGe二極管 p，n柱內(nèi)的縱向電場(chǎng)線基本都為矩形，而Si二極管的電場(chǎng)線為三角形.也就是說(shuō)，達(dá)到相同的耐壓容量，超結(jié) SiGe二極管的厚度要遠(yuǎn)小于Si功率二極管，而半導(dǎo)體器件的厚度是影響其總體損耗的最重要因素，厚度越小越有利于降低其功率損耗.

超結(jié)SiGe功率二極管在獲得高阻斷電壓的同時(shí)，正向?qū)▔航狄步档土?如在正向電流密度為10 A/cm2的情況下，與Si二極管相比，正向壓降降低了約60 mV.p+(SiGe)/n－(Si)異質(zhì)結(jié)主要特點(diǎn)是禁帶上移，即價(jià)帶帶階遠(yuǎn)大于導(dǎo)帶帶階 ΔEV為 p+(SiGe)層中Ge的含量(本文中Ge的含量x=0.2).因而空穴的勢(shì)壘比電子的勢(shì)壘要高得多，通過(guò)勢(shì)壘的電流主要是電子電流，空穴電流可以忽略不計(jì)，導(dǎo)致SiGe二極管正向壓降降低.

圖2 常規(guī)結(jié)構(gòu)Si二極管與超結(jié)結(jié)構(gòu)SiGe二極管電學(xué)特性比較曲線 (a)反向阻斷特性;(b)正向?qū)ㄌ匦?(c)反向恢復(fù)特性

對(duì)于應(yīng)變SiGe層中電子遷移率，Rosenfeld等人在Caughey-Thomas模型的基礎(chǔ)上給出了一個(gè)溫度為300 K下的擬合公式［13］，該擬合公式與 Kay等［14］的計(jì)算結(jié)果以及 Manku等［15］的經(jīng)驗(yàn)公式符合得非常好.

其中，μp，0=400+29x+400x2cm2/V·s;μp，min=44 －20x+850x2cm2/V·s;N0=2.35×1017cm－3;β=0.9，NA仍為摻雜濃度，x為Ge的摩爾含量.

其中，μn，max=1350 cm2/V·s;μn，min=175 cm2/V·s;NA摻雜濃度，a1=－3.02;a2=－7.08;a3=53.08;N0=1.1×1017(1+14.65x)cm－3;β=5/8;x為 Ge的摩爾含量.

對(duì)于應(yīng)變SiGe材料的室溫空穴遷移率為［16］

圖3 反向阻斷過(guò)程中超結(jié)SiGe二極管內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布(a)n柱內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布;(b)p柱內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布

在Si材料中引入Ge后，載流子的遷移率增加了，可提高器件的開(kāi)關(guān)速度，如圖2(c)所示，超結(jié)SiGe功率二極管的反向恢復(fù)時(shí)間略小于Si二極管的，軟度因子提高了1倍多，同時(shí)反向峰值電流密度也下降了17%.另外，采用超結(jié)結(jié)構(gòu)后，空穴和電子可以分別通過(guò)p柱、n柱排出，也會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)時(shí)間縮短.但是從后文中可以看出，如果超結(jié)部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不當(dāng)，反向恢復(fù)后期電流會(huì)迅速截止，有可能出現(xiàn)硬恢復(fù)特性.

圖4 反向阻斷過(guò)程中Si功率二極管的縱向電場(chǎng)分布

3.影響超結(jié) SiGe功率二極管電學(xué)特性的重要參數(shù)——n，p柱寬度

為考察超結(jié)區(qū)n柱、p柱的寬度對(duì)器件特性的影響，柱區(qū)的摻雜濃度固定為3×1015cm－3，厚度固定為 14 μm，柱區(qū)寬度取值分別為 2，4，6，8 和10 μm.圖5為超結(jié)SiGe功率二極管的反向阻斷特性、正向?qū)ㄌ匦砸约胺聪蚧謴?fù)特性隨柱區(qū)寬度變化的關(guān)系曲線.

圖5(a)所示柱區(qū)寬度對(duì)器件的反向阻斷特性影響非常顯著，隨著柱區(qū)寬度的增加，阻斷電壓迅速下降，漏電流也有所增加.當(dāng)柱區(qū)寬度由2 μm增大到8 μm時(shí)，阻斷電壓由310 V減小到了120 V左右，同時(shí)漏電流增加了約1個(gè)數(shù)量級(jí).因此柱區(qū)寬度越小越有利于反向阻斷特性.從電場(chǎng)線的分布可以看出(圖6，7所示)，2 μm柱區(qū)寬度的二極管無(wú)論是n柱內(nèi)還是p柱內(nèi)，縱向平均電場(chǎng)均遠(yuǎn)高于8 μm柱區(qū)寬度的二極管，這使得兩者達(dá)到相同的耐壓水平時(shí)，前者的器件厚度要小于后者.為了達(dá)到最大的耐壓，p/n柱中的電荷要完全平衡，并且在擊穿之前p/n柱需要完全耗盡.在器件制造中要做好超結(jié)結(jié)構(gòu)p型柱和n型柱的幾何尺寸和摻雜濃度的控制，若不能做到電荷平衡，會(huì)使擊穿電壓明顯下降，這點(diǎn)在文獻(xiàn)［17，18］中也有所體現(xiàn).

圖5 超結(jié)區(qū)n，p柱寬度對(duì)器件特性的影響 (a)反向阻斷特性;(b)正向?qū)ㄌ匦?(c)反向恢復(fù)特性

圖5(b)顯示，隨著柱區(qū)寬度的增加，正向壓降降低，在大電流密度下下降趨勢(shì)更明顯一些.在100 A/cm2的正向電流密度下，當(dāng)柱區(qū)寬度由2 μm增加到10 μm時(shí)，超結(jié)SiGe二極管的正向壓降降低了0.14 V.

圖5(c)顯示反向恢復(fù)特性受柱區(qū)寬度的影響并沒(méi)有明顯的單調(diào)性，當(dāng)柱區(qū)寬度較小時(shí)(不超過(guò)6 μm時(shí))，反向恢復(fù)時(shí)間隨柱區(qū)寬度增加而縮短，同時(shí)軟恢復(fù)特性變差，即關(guān)斷后期出現(xiàn)比較陡的電流跌落;當(dāng)柱區(qū)寬度較大時(shí)(大于6 μm)，反向恢復(fù)時(shí)間隨寬度增加而略有增加.如果柱區(qū)寬度設(shè)計(jì)的不合理，會(huì)使軟恢復(fù)特性變得很差，例如由2 μm變?yōu)? μm時(shí)，雖然恢復(fù)時(shí)間縮短了三分之一，但軟度因子減少了50%，出現(xiàn)硬恢復(fù)特性.為了改善軟恢復(fù)特性，降低工藝難度及減少器件制造成本，可采用半超結(jié)結(jié)構(gòu)［19，20］.

圖6 柱區(qū)寬度為2 μm的超結(jié)SiGe功率二極管在反向阻斷過(guò)程的縱向電場(chǎng)線分布 (a)n柱內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布;(b)p柱內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布

圖7 柱區(qū)寬度為8 μm的超結(jié)SiGe功率二極管在反向阻斷過(guò)程的縱向電場(chǎng)線分布 (a)n柱內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布;(b)p柱內(nèi)縱向電場(chǎng)線的分布

綜合以上的結(jié)果可以看出，柱區(qū)寬度越小越有利于反向阻斷特性，而越不利于正向通態(tài)特性，兼顧考慮反向恢復(fù)特性，柱區(qū)寬度設(shè)計(jì)為4 μm是比較合理的.

4.結(jié) 論

超結(jié)SiGe功率開(kāi)關(guān)二極管結(jié)合SiGe材料和超結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能，很好地解決了導(dǎo)通壓降和反向耐壓以及反向恢復(fù)時(shí)間之間的矛盾.與相同結(jié)構(gòu)尺寸的常規(guī)Si功率二極管相比，該器件能夠同時(shí)獲得更低的通態(tài)壓降，更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的阻斷電壓.超結(jié)區(qū)n/p柱寬度是影響器件各種特性的重要參數(shù).n/p柱寬度對(duì)器件的反向阻斷特性有很大影響，柱區(qū)寬度越大，反向阻斷電壓越小，漏電流越高.正向壓降隨著柱區(qū)寬度的增加反而減小.反向恢復(fù)特性受這一結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響比較復(fù)雜，在柱區(qū)的摻雜濃度為3×1015cm－3的情況下:當(dāng)柱區(qū)寬度不超過(guò)6 μm時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間隨柱區(qū)寬度增加而減小，但同時(shí)軟恢復(fù)特性變差;柱區(qū)寬度超過(guò)6 μm時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間隨柱區(qū)寬度增加而略有增加.該器件最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠大幅度提高反向耐壓，因此在耐壓要求一定的情況下，這種超結(jié)SiGe功率二級(jí)管的器件厚度與Si二極管相比可以大大減小，超結(jié)區(qū)摻雜濃度也可適當(dāng)提高，這不僅可以進(jìn)一步減小反向恢復(fù)時(shí)間和正向通態(tài)壓降，同時(shí)又非常有利于降低工藝制造難度和成本.超結(jié)結(jié)構(gòu)和SiGe材料的引入為超結(jié)SiGe功率二級(jí)管的設(shè)計(jì)提供了更大的自由度，設(shè)計(jì)良好的超結(jié)SiGe功率二極管在很大程度上打破了所謂的“硅極限”.

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Effects of p and n pillar widths on electrical characteristics of super junction SiGe power diodes*

Gao Yong1)Ma Li2)Zhang Ru-Liang1)Wang Dong-Fang1)
1)(Department of Electronics Engineering，Xi’an University of Technology，Xi'an 710048，China)2)(Department of Applied Physics，Xi’an University of Technology，Xi'an 710048，China)(Received 7 June 2010;revised manuscript received 29 July 2010)

By combining merits of both SJ structure and SiGe material，a novel super junction(SJ)SiGe power diode is presented.The two important characteristics of SJ SiGe diode are its columnar structure of alternating p/n pillars substituting n－base region of conventional Si p+n－n+diode and its far thinner strained SiGe p+layer，which can overcome the drawbacks of conventional Si power switching diodes，such as when the reverse blocking voltage is higher，the forward voltage drop is larger and the reverse recovery time becomes longer.For the SJ SiGe diode with 20% Ge content，the following conclusions can be obtained compared with comparable conventional Si power diodes:the breakdown voltages increase by 1.6 times，the forward voltage drop is reduced by 60 mV(at a current density of 10 A/cm2)and the softness factor S increases by 2 times.Though the reverse recovery time is shortened slightly，the peak reverse current density decreases by 17%and the soft recovery characteristics is improved notedly.The key parameters of the p and n pillar widths have imporant effects on the forward conduction characteristic，reverse blocking characteristic and reverse recovery characteristic of SJ SiGe power diode.The smaller the pillar width becomes，the higher the breakdown voltage is and the lower the reverse leakage current is，whereas the forward voltage drop increases slightly.The pillar width has no obviously monotonic effect on the reverse recovery characteristic.If the width is too small，the soft reverse recovery characteristic is degenerated.To optimize the parameter of pillar width，we can obtain excellent SJ SiGe diode with fast recovery speed，high breakdown voltage and low forward drop at the same time.

super junction，SiGe diode，n，p pillars width，electrical characteristics

.E-mail:mali@xaut.edu.cn

*陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):09JK640)資助的課題.

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*Project supported by the Special Scientific Research Program of the Education Bureau of Shaanxi(Grant No.09JK640).

PACS:73.40.Lq，85.30.Kr，85.30.De