4H－SiC结势垒肖特基二极管VRSM特性研究*

顾春德，刘斯扬，马荣晶，孙伟锋*，黄润华，陶永洪，刘　奥，汪　玲

(1.东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096;2.中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京210016)



4H－SiC结势垒肖特基二极管VRSM特性研究*

顾春德1，刘斯扬1，马荣晶1，孙伟锋1*，黄润华2，陶永洪2，刘奥2，汪玲2

(1.东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096;
2.中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京210016)

摘要:通过器件模拟仿真软件Sentauras和高分辨率透射电子显微镜HRTEM(High-Resolution Transmission Electron Microscopy)研究了4H－SiC结势垒肖特基二极管JBS(Junction Barrier Schottky)在反向浪涌电压应力作用下的失效机理;进而重点研究了结终端扩展区JTE(Junction Termination Extension)的长度、深度和掺杂浓度对该器件反向浪涌峰值电压VRSM(Maximum Surge Peak Reverse Voltage)的影响，并结合JBS的基本结构对其进行优化设计;最后，流片测试显示优化设计的4H－SiC结势垒肖特基二极管的VRSM值约为1450V，比原器件提升了20%左右。

关键词:4H－SiC;结势垒肖特基二极管;反向浪涌峰值电压;优化

优良的二极管应同时具有小开启电压、低反向漏电、高击穿电压和高开关速度等特性，碳化硅SiC(Silicon Carbide)JBS结合了传统PiN二极管和肖特基二极管SBD(Schottky Barrier Diode)的优点，在具有比PiN二极管更低的开启电压和更高的开关速度的同时还具有比SBD更低的反向漏电流和更高的击穿电压［1］。加上SiC材料具有的大禁带宽度、高临界位移能、高热导率等优点［2－3］，SiC JBS器件在高压、高速、大功率和抗辐射等领域具有广泛的应用前景。

SiC JBS器件的常规电学特性(如正向导通压降、反向耐压能力及反向恢复速度等)一直是研究者关注的热点，围绕常规特性对器件结构进行优化设计的报道层出不穷［4－7］。然而，在高压二极管的应用系统中，二极管还经常会受到由系统或电源产生的峰值电压和峰值电流应力，即所谓的极限应力环境。例如高压二极管作为续流管时，会时常受到瞬时的反向高电压应力的作用，这样的瞬时高电压被称为反向浪涌电压。通常把二极管所能承受的最大反向浪涌电压定义为反向浪涌峰值电压VRSM(Maximum Surge Peak Reverse Voltage)，VRSM是衡量二极管防护反向瞬时高电压能力最为重要的极限参数之一。

本文通过器件仿真软件Sentauras和HRTEM研究了4H－SiC JBS器件在反向浪涌电压应力作用下的失效过程，通过分析发现器件的失效位置在JTE处，进而重点研究了器件的VRSM与JTE的深度、长度以及掺杂浓度的关系，并据此对JBS的结构进行了优化设计。

1　JBS的器件结构和工作原理

JBS的结构主要包括元胞区和终端区。元胞区用来实现器件正向导通的功能，包括阳极、漂移区、缓冲层和阴极［8］。终端区则用来优化器件反向击穿性能，为了抑制二维和三维电场集边效应，使器件能达到平面雪崩击穿电压的理论值，实际应用中的终端区必须采用结终端技术。常见的用来提高器件终端耐压能力的技术主要有JTE技术、场板FP (Field Plate)技术和场限环FLR (Field Limiting Ring)技术等［9－11］。为了克服单一结终端技术的缺点和充分利用他们的优势，本文将FP、FLR和JTE技术进行组合使用，图1即为本文采用的SiC JBS的结构示意图。

图1　本文研究的4H－SiC JBS结构示意图

可见，JBS器件的结构可以简单概括成将PN结集成在肖特基结构中。其工作原理为:正向偏置时，PN结空间电荷区宽度变窄，肖特基二极管在较低的电压下首先开启，而PN结无法开启，此时JBS的正向特性主要由肖特基二极管的特性决定，这使得JBS具有小开启电压和较快的开关速度;反向偏置时，PN结形成的耗尽区将会向N型区扩展，在一定反向偏压下，相邻的PN结耗尽区就会连通，并且耗尽层随着反向偏压的增加向N+衬底方向扩展，这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外，避免了肖特基势垒降低效应［12］，使得JBS的反向漏电很小，击穿电压很高。

本文使用的JBS器件其元胞区的P +宽度为1.5 μm深度为0.6 μm间距为4.5 μm，漂移区厚度为6 μm;终端区采用的JTE深度为0.6 μm，长度为3 μm，浓度为5×1017cm－3，该器件的耐压达到1 200 V，图2(a)和图2(b)分别为本文采用的SiC JBS二极管的正向导通特性和反向击穿特性曲线。

图2　SiC JBS二极管特性曲线

2　VRSM失效机理研究

对于4H－SiC JBS，通常将使器件在规定的散热条件下达到最大允许结温(175℃)时的反向浪涌电压定义为该器件的VRSM，如果二极管两端所加反向浪涌电压超出额定的VRSM值，管子漏电流会迅速增大，引起二极管温度急剧上升，甚至烧毁。因为二极管正向导通压降与结温呈线性关系，通过快速测量施加不同反向浪涌电压应力后二极管的正向压降即可知道二极管此时的结温。

图3为仿真和测试所采用的反向浪涌电压波形，该脉冲是周期为0.02 s的半正弦波，电压幅值可通过变压器调节。

2.1仿真分析

图4(a)和图4(b)显示的分别是JBS器件在反向浪涌电压应力条件下器件的漏电流路径仿真图和失效时二极管内部温度分部图。从图4(a)中可以看出二极管JTE区的外部为漏电流主要的流通路径，如图4(b)所示，此处也是管子内部最高温度出现的部位。由此可知外加反向浪涌电压应力下二极管发生失效的机理是JTE外部漏电流过大，引起此处温度上升，最终导致器件因温度超过安全温度范围而损坏。

图3　反向浪涌峰值电压仿真和测试波形

图4　反向浪涌电压应力JBS失效仿真图

2.2HRTEM失效分析

对反向浪涌电压应力条件下失效的器件进行透射电子显微镜分析，首先利用聚焦离子束FIB(Focused Ion Beam)系统获取HRTEM观测样品:将金属镓离子源聚焦成尺寸非常小的显微切割仪器，利用原位FIB顶出技术(in-situ FIB lift-out)对失效区域进行切割得到问题区域的薄片，然后用低电压FIB清洗工艺去除表面的非晶层得到HRTEM分析样品。通过FEI Helios Nanolab 600i双束扫描电镜扫描薄片表面，结果如图5所示。图5中JTE区上表面金属阳极角落有明显的烧痕，表明反向浪涌电压应力条件下的损伤点集中在结终端区，与仿真分析的结果一致。

图5　HRTEM失效分析

3　器件优化设计

根据第2节的内容可知，反向浪涌电压应力条件下，JTE区是JBS器件失效的主要部位。因此，本文从结终端出发，通过变化JTE的相关参数来优化器件的VRSM值。

3.1JTE的长度对VRSM的影响

图6　不同JTE长度对二极管结温的影响

图6为不同JTE长度的JBS器件在1 200 V反向浪涌电压作用下器件的结温随时间变化的曲线。因为半正弦波的周期为0.02 s，所以图中只给出了时间从0到0.01 s即电压从0到峰值的变化过程，研究选择的JTE长度分别为1.5 μm、3 μm和4.5 μm。从图中可以看出，随着反向浪涌电压的增加，JBS器件的结温先保持300 K不变，当反向浪涌电压应力接近1 200 V时结温迅速上升，这是因为当电压较小时器件的漏电流较小，电流产生的热量和器件的散热可以达到平衡，结温保持不变，而随着电压的不断增加漏电流增大，器件内部不能及时散发的热量不断累积，导致结温急速上升。然而，相同条件下改变JTE长度的并未引起二极管峰值结温的明显变化，主要原因是JTE长度的增加只是将器件最高温度的位置向二极管外部推移，但并没有引起反向电流密度的变化，即相同反向浪涌电压应力下增加JTE的长度不能起到降低JBS结温的效果，因此JTE长度的变化对二极管的VRSM没有优化作用。

3.2JTE的深度对VRSM的影响

图7(a)和图7(b)显示的分别是不同JTE深度的JBS二极管在1 200 V反向浪涌电压作用下器件的结温随时间变化的曲线和JTE表面的电场强度分布图。研究选择的JTE深度分别为0.6 μm、0.8 μm 和1.0 μm。从图7(a)可以看出随着JTE深度的增加，二极管峰值结温不断降低。经仿真发现，随着JTE的深度增加，器件表面电场的峰值明显降低，如图7(b)所示。相同反向浪涌电压应力作用下，JTE的深度越深器件的表面峰值电场越小，二极管的反向漏电流越小结温也越低，器件耐反向浪涌电压的能力也就越强。因此，随着JTE深度的增加，二极管的VRSM得到一定的优化。

图7　不同JTE深度对VRSM的影响

3.3JTE的浓度对VRSM的影响

图8为不同JTE浓度的JBS二极管在1 200 V反向浪涌电压的作用下器件的结温随时间变化的曲线。研究选择的JTE浓度分别为5×1016cm－3、1× 1017cm－3和5×1017cm－3。由图中可以看出，随着JTE浓度的增加，二极管的峰值结温先下降后升高，因此存在一个最优的JTE浓度使得在相同反向浪涌电压应力的作用下，二极管峰值结温最小。

图8　不同JTE浓度对二极管结温的影响

图9是缩小JTE掺杂浓度范围后对器件JTE表面电场的仿真研究。如图9所示，1 200 V反向浪涌电压应力下该器件JTE区浓度的最优值为1×1017cm－3，当掺杂浓度偏离这个最优值时，表面电场的峰值会大幅增加。这可以通过JTE对器件元胞区的分压原理来解释:当JTE区的掺杂浓度较低时，JTE区在一定的反向电压下完全耗尽将不再继续起到分压效果，如果所加反向浪涌电压应力超过该电压值将导致JTE区左右边缘的电场持续增大，但由于完全耗尽的JTE区的分压作用，使得JTE内侧的电场大于外侧的电场，从而导致击穿发生在JTE内侧，即P+N结的边缘;当JTE掺杂浓度过大时，在较高的反向偏压下JTE区将不能完全被耗尽，此时JTE区可以视为主结的一个扩展结，JTE外侧的电场随着反向电压的升高而变大，击穿将发生在JTE的外侧;而当浓度为一特定值，使JTE两侧的电场强度几乎相等时，器件的VRSM能力达到最优，所以使JTE两侧的电场强度几乎相等时的掺杂是该器件的最优JTE掺杂，对于本文研究的器件而言这个最优的掺杂浓度为1×1017cm－3。

图9　不同JTE浓度表面的电场强度分布图

综上所述，JBS二极管JTE长度的变化对二极管的VRSM没有优化作用;而随着JTE深度的增加，二极管的VRSM得到一定的优化，但由碳化硅器件的工艺可知，过度增加JTE的深度需要注入的能量成倍增加，这会带来一定的注入损伤，且制造成本会提高，因此通过增加JTE深度对二极管反向浪涌峰值电压进行优化在工程上要慎重;对本文设计的器件而言，JTE浓度为1×1017cm－3时器件的VRSM能力最优。根据本文的研究结论，我们重新设计了JBS器件JTE的结构参数，与原参数的对比如表1所示。

表1　JTE结构参数的对比

图10为两种4H－SiC JBS器件流片后，在不同反向浪涌电压应力下JBS二极管结温测试结果的对比图。从图10可以看出，当所加反向浪涌电压超过器件所能承受的VRSM应力时，反向漏电流迅速增加导致结温急速上升器件失效，优化过的器件与原器件相比VRSM值从1 200 V提高到约1 450 V，增加20%左右，器件阻碍反向瞬时大电压的能力显著增强。

图10　两种4H－SiC JBS器件流片测试结果对比图

4　总结

本文研究了反向浪涌电压应力作用下4H－SiC JBS的失效机理，分析了JTE区的长度、深度和掺杂浓度对其极限特性参数VRSM的影响及变化原因。研究发现JTE的长度对VRSM的影响不大;而在一定范围内提高JTE的深度可以提高器件VRSM能力，但考虑到工艺因素，JTE的深度不宜做得太深;另外，JTE的浓度对VRSM能力的优化存在一个最优浓度值。基于本文的研究结论对原JBS进行了重新优化设计，流片测试结果验证了分析结论的正确性。本文的研究对极限应力条件下JBS二极管的设计及应用具有一定指导作用。

参考文献:

［1］Millan J，Banu V，Brosselard P.Electrical Performance at High Temperature and Surge Current of 1.2 kV Power Rectifiers:Comparison between Si PiN，4H-SiC Schottky and JBS Diodes［C］//Semiconductor Conference，2008.CAS 2008.International，Sinaia，2008:53－59.

［2］郝跃，彭军，杨银堂.碳化硅宽隙半导体技术［M］.北京:科学出版社，2000.

［3］Fritz J Kub.Silicon Carbide Power Device Status and Issue［C］//Energytech，IEEE，2012:1－5.

［4］黄健华.高压4H－SiC结势垒肖特基二极管的研究［D］.西安:西安电子科技大学，2011.

［5］Wang Ying，Li Ting，Chen Yuxian，et al.High-Performance Junction Barrier Schottky Rectifier with Optimized Structure［J］.Electron Devices，IEEE Transactions on，2012:114－120.

［6］Xin Wanqing，Yue Ruifeng，Wang Yan，et al.Improved SiC JBS Rectifier Based on P+grids on P-Well Structure［C］//Instrumentation and Measurement，Sensor Network and Automation(IMSNA)，2013 2nd International Symposium on，2013:852－855.

［7］Ren Na，Wang Jue，Sheng Kuang.Design and Experimental Study of 4H-SiC Trenched Junction Barrier Schottky Diodes［J］.Electron Devices，IEEE Transactions on，2014:2459－2465.

［8］Léon J，Berthou M，PerpiñàX，et al.Structural Analysis of SiC Schottky Diodes Failure Mechanism under Current Overload［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2014:055102.

［9］Deng Xiaochuan，Yang Fei，Sun He，et al.Fabrication Characteristics of 1.2 kV SiC Junction Barrier Schottky Rectifiers with Etched Implant Junction Termination Extension［C］//Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT)，2012 IEEE 11th International Conference on，2012:1－3.

［10］Wang Xiangdong，Deng Xiaochuan，Wang Yongwei，et al.Experimental and Numerical Analyses of High Voltage 4H-SiC Junction Barrier Schottky Rectifiers with Linearly Graded Field Limiting Ring［C］//Chinese Physics B.2004，23(5):057203.

［11］Chen Fengping，Zhang Yuming，Zhang Yimen，et al.Temperature Dependent Characteristics of 4H SiC Junction Barrier Schottky Diodes［C］//2012 Chinese Physics B.2012，21(3):037304.

［12］Jae-Hoon Lee，Young-Sun Kwak，Jae-Hyun Jeong，et al.Reduction in Shottky Barrier Height of AlGaN-based SBD with In-Situ Deposited Silicon Carbon Nitride(SiCN)Cap Layer［C］//Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD)，2012 24th International Symposium on，2012，249－252.

顾春德(1991－)，男，汉族，江苏盐城人，现就读于东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，硕士研究生，主要从事功率器件、功率集成电路及可靠性方面的研究，gucd_608@163.com;

孙伟锋(1977－)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事功率器件、功率集成电路、模拟集成电路及可靠性等方面的研究，swffrog@seu.edu.cn。

Investigation on the Length and Temperature of an Ar Plasma Jet Driven by Sinusoidal High Voltage*

YU Yongbo，YANG Lanlan*，TU Yan，HU Dinglan
(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:Length and temperature are two important parameters of the atmospheric plasma jet.An argon plasma jet has been generated in the atmospheric environment driven by 10 kHz sinusoidal high voltage.The length and temperature of the plasma jet were measured by the optical and electrical instruments.The results show that the length of the plasma jet increases with the applied voltage，but first increases with the flow rate and then decreases gradually with a further increase of the flow rate.The jet temperature and the electron excited temperature were measured and calculated by the optical fiber thermometer and spectrometer.The jet temperature is closed to the room temperature and the electron excited temperature is less than 1.5×104K，which is among the range of the cold plasma.Moreover，both of them rise with the voltage increasing.

Key words:plasma jet; length; temperature; electron excited temperature; applied voltage; flow rate; spectral intensity

doi:EEACC:238010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.002

收稿日期:2014－08－20修改日期:2014－10－10

中图分类号:TN311

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0725－05

项目来源:港澳台科技合作专项项目(2014DFH10190);江苏省青蓝工程项目;东南大学研究生科研基金项目(YBPY1403)