斜面终端结构对二极管反向雪崩电流耐量影响的研究

王志忠，关艳霞

（沈阳工业大学信息科学与工程学院, 沈阳110870）

1 引 言

为了提高二极管的雪崩功率，一般可以从两个方面考虑，一是避免出现负微分电阻效应，二是增大承担雪崩电流的面积。对于避免负微分电阻的出现，现已经提出很多种方法，有采用扩展正微分电阻来补偿负微分电阻的非穿通结构方法[1]；有在满足击穿电压时尽可能提高衬底掺杂浓度的方法，掺杂浓度高，通过PN 结发生雪崩产生的移到NN+结的电子不易高于施主离子浓度，在NN+结处的电场分布不会发生明显变化，从而峰值电场强度不会太高，不易在NN+处发生雪崩，二极管也就不易损坏[2-4]；有在衬底且靠近N+区添加缓冲层的方法，利用缓冲层来降低NN+结处的电场强度，抑制双雪崩的发生，缓解负微分电阻的出现[5-6]。

对于增大承担雪崩电流的面积，也就是使雪崩电流尽可能发生在体内，一般中小型功率二极管都采用了P 面腐蚀的斜面终端结构。为了提高雪崩功率所采用的P+PNN+结构，其他文献已有阐述[7-8]，故此主要从斜角终端结构对雪崩电流的影响入手，分析其对雪崩电流的影响。

2 传统斜角终端雪崩特性分析

2.1 传统工艺形成的器件结构

传统二极管器件，考虑经济因素以及有效面积的情况，一般都是从P 型面腐蚀，形成负斜角终端结构。对于普通二极管来说，负斜角终端对其影响不大，但对于功率二极管，必须考虑边缘终端对其造成的影响。

在传统工艺的简要形成过程中，须在清洗好的晶圆的一侧涂上含磷的杂质溶剂，经过高温扩散形成N+区；采用吹沙和清洗结合的方法，清理晶圆另一面的污染物，在该清洁面涂上含有硼、铝的杂质溶剂，进行二次高温扩散。因铝的扩散系数高于硼的扩散系数，即形成较深的铝结，最终形成P+PNN+的结构。随后从P 型面进行曝光、显影，并以湿法刻蚀的方法形成负斜角终端结构，如图1 所示。最后进行钝化保护、镀镍金、划片、检验等步骤，形成二极管芯片。

图1 负斜角斜面终端结构实物图

2.2 雪崩特性的仿真分析(传统斜角)

用Silvaco TCAD 仿真软件来模拟仿真传统结构二极管的雪崩特性，根据实际结构，建立P+PNN+层以及负斜角终端的二极管结构，选用SRH 复合、俄歇复合、禁带变窄、载流子-载流子散射、碰撞电离模型进行反向击穿的仿真。

当二极管发生雪崩击穿时，在空间电荷区中，取不同位置即体内与边缘终端处的电场强度作对比，对比情况如图2 所示。从图中可以看出，体内最大电场强度大约为1.9×105V/cm，而边缘终端表面处的最大电场强度约为2.25×105V/cm，很明显体内最大电场强度小于边缘终端处的电场强度，从而边缘终端表面处先发生雪崩。雪崩击穿时的电流分布如图3 所示，从图中可以看出，雪崩击穿时的电流密度主要发生在边缘终端表面处。

图2 体内与边缘电场强度对比图(传统斜角)

图3 电流密度分布图(传统斜角)

由上述分析可知，采用负斜角终端结构的二极管，在反向击穿时，边缘终端处的电场强度最大，导致电流主要发生在边缘处，而边缘承受电流的面积较小，从而通过边缘处的电流密度较大，预计其雪崩电流耐量较弱。故此为提高雪崩电流耐量，应采用正斜角终端结构二极管。

3 正斜角雪崩特性分析

3.1 正斜角结构二极管工艺

形成正斜角终端的工艺，主要是在刻蚀工序进行的。其他工艺步骤与传统二极管相同。在刻蚀工艺步骤中，先在N 面涂抹光刻胶，并进行曝光、显影，形成所需要刻蚀的图形，然后在温度为-10℃～1℃的混合硅酸溶液中进行第一次刻蚀，其深度为目标深度的十分之一；其后，在温度为-8℃～0℃的混合硅酸溶液中进行第二次刻蚀，此次直接刻蚀到目标深度。最终所形成的边缘终端结构如图4 所示。

图4 正斜角斜面终端结构实物图

3.2 雪崩特性的仿真分析(正斜角)

用Silvaco TCAD 仿真软件来模拟仿真二极管的雪崩特性，根据实际结构，建立P+PNN+层以及正斜角边缘终端的二极管结构，选用SRH 复合、俄歇复合、禁带变窄、载流子-载流子散射、碰撞电离模型进行反向击穿的仿真。

仿真结果如图5 所示。可以看出，体内最大电场强度大约为1.93×105V/cm，而边缘终端表面处的最大电场强度约为1.45×105V/cm。很明显体内最大电场强度大于边缘终端处的电场强度，从而体内先发生雪崩。此种情况下的电流分布如图6 所示。

图5 体内与边缘电场强度对比图(正斜角)

图6 电流密度分布图(正斜角)

从图中可以看出，雪崩击穿时的电流密度主要发生体内。从而可知，边缘终端采用正斜角时，反向击穿发生在体内，由体内承担主要的电流；电流发生在较大的面积处，所以电流密度较小，二极管能承受较大的雪崩电流。从仿真结果来看，正斜角终端结构的二极管有利于提高雪崩电流耐量。

4 测试结果与分析

为了对比正、负斜角工艺下雪崩电流能力的不同，对两种不同结构下发生的雪崩击穿电流的耐量进行测试。在正、负斜角良品中各随机抽取7 支二极管，测试雪崩电流。测得到数据如表1 所示。

表1 雪崩电流抽样测量值

从实验数据中可明显看出，正斜角终端结构的雪崩电流值普遍明显大于负斜角终端结构的雪崩电流值。实验数据与上述理论分析相吻合。如仿真分析所预测的，具有正斜角终端结构的二极管的击穿发生在体内，雪崩电流集中在体内。由于承担雪崩电流的面积较大，电流密度较小，相应的正向压降也有所减小，因此雪崩电流耐量大。而具有负斜角终端结构二极管的击穿发生在斜角终端，承担雪崩电流的面积小，相应的电流密度和正向压降较大，因此雪崩电流耐量较差。

实测结果表明，采用正斜角结构制造二极管的方法，可以很好地提高雪崩电流耐量，克服了传统结构的弱点。

5 结束语

通过此项研究，对负斜角和正斜角终端结构二极管雪崩击穿电流分布做出了仿真分析，从结果可以看到，正斜角终端结构更有利于二极管雪崩电流耐量的提高。对两种结构二极管雪崩耐量的实际测试也验证了仿真分析的正确性，同时说明将负斜角终端结构改为正斜角终端结构是提高雪崩功率二极管雪崩耐量行之有效的工艺措施。正斜角腐蚀目前还存在腐蚀深度深、终端所占面积偏大的问题，有待在下一步工作中作出更为深入的研究。