斜面終端結(jié)構(gòu)對(duì)二極管反向雪崩電流耐量影響的研究

王志忠，關(guān)艷霞

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽(yáng)110870）

1 引 言

為了提高二極管的雪崩功率，一般可以從兩個(gè)方面考慮，一是避免出現(xiàn)負(fù)微分電阻效應(yīng)，二是增大承擔(dān)雪崩電流的面積。對(duì)于避免負(fù)微分電阻的出現(xiàn)，現(xiàn)已經(jīng)提出很多種方法，有采用擴(kuò)展正微分電阻來(lái)補(bǔ)償負(fù)微分電阻的非穿通結(jié)構(gòu)方法[1]；有在滿足擊穿電壓時(shí)盡可能提高襯底摻雜濃度的方法，摻雜濃度高，通過(guò)PN 結(jié)發(fā)生雪崩產(chǎn)生的移到NN+結(jié)的電子不易高于施主離子濃度，在NN+結(jié)處的電場(chǎng)分布不會(huì)發(fā)生明顯變化，從而峰值電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)太高，不易在NN+處發(fā)生雪崩，二極管也就不易損壞[2-4]；有在襯底且靠近N+區(qū)添加緩沖層的方法，利用緩沖層來(lái)降低NN+結(jié)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，抑制雙雪崩的發(fā)生，緩解負(fù)微分電阻的出現(xiàn)[5-6]。

對(duì)于增大承擔(dān)雪崩電流的面積，也就是使雪崩電流盡可能發(fā)生在體內(nèi)，一般中小型功率二極管都采用了P 面腐蝕的斜面終端結(jié)構(gòu)。為了提高雪崩功率所采用的P+PNN+結(jié)構(gòu)，其他文獻(xiàn)已有闡述[7-8]，故此主要從斜角終端結(jié)構(gòu)對(duì)雪崩電流的影響入手，分析其對(duì)雪崩電流的影響。

2 傳統(tǒng)斜角終端雪崩特性分析

2.1 傳統(tǒng)工藝形成的器件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)二極管器件，考慮經(jīng)濟(jì)因素以及有效面積的情況，一般都是從P 型面腐蝕，形成負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)。對(duì)于普通二極管來(lái)說(shuō)，負(fù)斜角終端對(duì)其影響不大，但對(duì)于功率二極管，必須考慮邊緣終端對(duì)其造成的影響。

在傳統(tǒng)工藝的簡(jiǎn)要形成過(guò)程中，須在清洗好的晶圓的一側(cè)涂上含磷的雜質(zhì)溶劑，經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散形成N+區(qū)；采用吹沙和清洗結(jié)合的方法，清理晶圓另一面的污染物，在該清潔面涂上含有硼、鋁的雜質(zhì)溶劑，進(jìn)行二次高溫?cái)U(kuò)散。因鋁的擴(kuò)散系數(shù)高于硼的擴(kuò)散系數(shù)，即形成較深的鋁結(jié)，最終形成P+PNN+的結(jié)構(gòu)。隨后從P 型面進(jìn)行曝光、顯影，并以濕法刻蝕的方法形成負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。最后進(jìn)行鈍化保護(hù)、鍍鎳金、劃片、檢驗(yàn)等步驟，形成二極管芯片。

圖1 負(fù)斜角斜面終端結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2.2 雪崩特性的仿真分析(傳統(tǒng)斜角)

用Silvaco TCAD 仿真軟件來(lái)模擬仿真?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)二極管的雪崩特性，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立P+PNN+層以及負(fù)斜角終端的二極管結(jié)構(gòu)，選用SRH 復(fù)合、俄歇復(fù)合、禁帶變窄、載流子-載流子散射、碰撞電離模型進(jìn)行反向擊穿的仿真。

當(dāng)二極管發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，在空間電荷區(qū)中，取不同位置即體內(nèi)與邊緣終端處的電場(chǎng)強(qiáng)度作對(duì)比，對(duì)比情況如圖2 所示。從圖中可以看出，體內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度大約為1.9×105V/cm，而邊緣終端表面處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.25×105V/cm，很明顯體內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于邊緣終端處的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而邊緣終端表面處先發(fā)生雪崩。雪崩擊穿時(shí)的電流分布如圖3 所示，從圖中可以看出，雪崩擊穿時(shí)的電流密度主要發(fā)生在邊緣終端表面處。

圖2 體內(nèi)與邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比圖(傳統(tǒng)斜角)

圖3 電流密度分布圖(傳統(tǒng)斜角)

由上述分析可知，采用負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)的二極管，在反向擊穿時(shí)，邊緣終端處的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，導(dǎo)致電流主要發(fā)生在邊緣處，而邊緣承受電流的面積較小，從而通過(guò)邊緣處的電流密度較大，預(yù)計(jì)其雪崩電流耐量較弱。故此為提高雪崩電流耐量，應(yīng)采用正斜角終端結(jié)構(gòu)二極管。

3 正斜角雪崩特性分析

3.1 正斜角結(jié)構(gòu)二極管工藝

形成正斜角終端的工藝，主要是在刻蝕工序進(jìn)行的。其他工藝步驟與傳統(tǒng)二極管相同。在刻蝕工藝步驟中，先在N 面涂抹光刻膠，并進(jìn)行曝光、顯影，形成所需要刻蝕的圖形，然后在溫度為-10℃～1℃的混合硅酸溶液中進(jìn)行第一次刻蝕，其深度為目標(biāo)深度的十分之一；其后，在溫度為-8℃～0℃的混合硅酸溶液中進(jìn)行第二次刻蝕，此次直接刻蝕到目標(biāo)深度。最終所形成的邊緣終端結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 正斜角斜面終端結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3.2 雪崩特性的仿真分析(正斜角)

用Silvaco TCAD 仿真軟件來(lái)模擬仿真二極管的雪崩特性，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立P+PNN+層以及正斜角邊緣終端的二極管結(jié)構(gòu)，選用SRH 復(fù)合、俄歇復(fù)合、禁帶變窄、載流子-載流子散射、碰撞電離模型進(jìn)行反向擊穿的仿真。

仿真結(jié)果如圖5 所示。可以看出，體內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度大約為1.93×105V/cm，而邊緣終端表面處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為1.45×105V/cm。很明顯體內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度大于邊緣終端處的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而體內(nèi)先發(fā)生雪崩。此種情況下的電流分布如圖6 所示。

圖5 體內(nèi)與邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比圖(正斜角)

圖6 電流密度分布圖(正斜角)

從圖中可以看出，雪崩擊穿時(shí)的電流密度主要發(fā)生體內(nèi)。從而可知，邊緣終端采用正斜角時(shí)，反向擊穿發(fā)生在體內(nèi)，由體內(nèi)承擔(dān)主要的電流；電流發(fā)生在較大的面積處，所以電流密度較小，二極管能承受較大的雪崩電流。從仿真結(jié)果來(lái)看，正斜角終端結(jié)構(gòu)的二極管有利于提高雪崩電流耐量。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為了對(duì)比正、負(fù)斜角工藝下雪崩電流能力的不同，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)下發(fā)生的雪崩擊穿電流的耐量進(jìn)行測(cè)試。在正、負(fù)斜角良品中各隨機(jī)抽取7 支二極管，測(cè)試雪崩電流。測(cè)得到數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 雪崩電流抽樣測(cè)量值

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可明顯看出，正斜角終端結(jié)構(gòu)的雪崩電流值普遍明顯大于負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)的雪崩電流值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與上述理論分析相吻合。如仿真分析所預(yù)測(cè)的，具有正斜角終端結(jié)構(gòu)的二極管的擊穿發(fā)生在體內(nèi)，雪崩電流集中在體內(nèi)。由于承擔(dān)雪崩電流的面積較大，電流密度較小，相應(yīng)的正向壓降也有所減小，因此雪崩電流耐量大。而具有負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)二極管的擊穿發(fā)生在斜角終端，承擔(dān)雪崩電流的面積小，相應(yīng)的電流密度和正向壓降較大，因此雪崩電流耐量較差。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用正斜角結(jié)構(gòu)制造二極管的方法，可以很好地提高雪崩電流耐量，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此項(xiàng)研究，對(duì)負(fù)斜角和正斜角終端結(jié)構(gòu)二極管雪崩擊穿電流分布做出了仿真分析，從結(jié)果可以看到，正斜角終端結(jié)構(gòu)更有利于二極管雪崩電流耐量的提高。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)二極管雪崩耐量的實(shí)際測(cè)試也驗(yàn)證了仿真分析的正確性，同時(shí)說(shuō)明將負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)改為正斜角終端結(jié)構(gòu)是提高雪崩功率二極管雪崩耐量行之有效的工藝措施。正斜角腐蝕目前還存在腐蝕深度深、終端所占面積偏大的問(wèn)題，有待在下一步工作中作出更為深入的研究。