混合PIN/Schottky 二极管特性简析

时间：2024-07-28

蔡震，马洪江

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

众所周知，电力整流管是电力半导体器件中结构最简单、用途最广泛的一种器件。通常应用的有普通整流二极管、肖特基二极管、PIN 二极管、MPS二极管。它们相互比较各有特点:普通整流管具有较小的漏电流，较高的通态电压降(1.0－1.8)和几十微秒的反向恢复时间;肖特基整流管具有较低的通态压降(0.3～0.6)，较大的漏电流，反向恢复时间几乎为零;而PIN 快恢复整流管具有较快的反向恢复时间(几百ns～2μs)，但其通态压降很高(1.6～4.0)。为了满足快速开关器件应用配套需要，人们利用大规模集成电路工艺和精细的镶嵌结构，将肖特基整流管和PIN 整流管的优点集于一体，研制出MPS(Merged PIN/Schottky diode)结构的电力整流管，它不仅具有较高的反向阻断电压，而且其通态压降很低，反向恢复时间很短，反向恢复峰值电流很小，具有软的反向恢复特性。

1 基本原理

在高压、大电流的电路中，为提高其开关速度，可以采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小少子寿命，但这又会不同程度的造成二极管的硬恢复特性，在电路中引起较高的感应电压，对整个电路的正常工作产生重要影响。

为了改善高压硅开关管的正向和反向特性，Baliga 提出了MPS 结构，其基本结构示意图如图1 所示。

MPS 器件是深注入的交叉指状P+栅格与肖特基结相间隔的网状结构器件。MPS 开关管的主要结是PIN 二极管区，PN 结通过其耗尽层的宽度和两PN 结之间的间隙来影响肖特基的导电沟道。当MPS 反偏时，PN 结形成的耗尽区将会向沟道区扩散，在一定反偏电压下，耗尽区就会连通，从而在沟道区形成一个势垒，使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，使反向漏电流大大减小，此时，MPS 反向特性接近PN 结。当MPS 正偏时，PN 结的耗尽层宽度比两PN 结之间的距离小得多，在肖特基区保留了一个n 型导电沟道，肖特基处于正向导通状态，特性与SBD的正向电学特性相似，只是电流密度由于P 型区的原因而略小。P+阳极区注入空穴到漂移区，通过导电调制也会引起体电阻的大大减少。另外，采用MPS 结构，可以灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触，而不用担心反向漏电流会增加。所以，MPS 结构综合了PN 结结构和肖特基结构的优点，具有很好的正向和反向特性。还可以通过调整肖特基和PN 结的面积比来调整其性能。而软度因子反应二极管在反向恢复的过程中基区少子复合而消失的时间长短(其实现低正向压降和长有效载流子寿命的同时很难获得很短的恢复时间［1］)。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区时间长短和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度因子。

图1 MPS 二极管结构示意图

3 MPS 二极管特性简析

3.1 P 区的分析

当PN 结反偏时，由于是突变结，向P 区扩展的长度远小于1μm。表面电场和PN 结深有关，最大电场出现在冶金结处，所以为了使屏蔽效应充分发挥作用，应使PN 结尽可能的深。然而，由于结一般是由离子注入形成的，要制作较深的结就需要用较高的注入能量，这会损坏衬底且使PN 结性能变坏，导致漏电流增大。减少注入剂量可以最大限度地减少衬底晶格损伤。PN 结区在器件正向传导下不需要注入载流子，P 区也不需要好的欧姆接触，所以，相对于PIN 二极管，MPS的P+区载流子浓度可以降低。另一方面，为了使PN 结的耗尽层主要在N－区，P+区应有尽可能高的掺杂浓度。

3.2 N 基区的分析

N 区的设计主是要考虑到穿通电压和正向压降，满足击穿电压后应尽量减少电阻以降低正向压降。当基区厚度一定时，穿通结构的击穿电压VPT在电阻率ρn不太高的情况下，随电阻率ρn的增加而增加，但并不是单调递增的关系，当电阻率达到一定程度时，电阻率的增加反而会使击穿电压下降。产生的原因是随着电阻率的增加，电场强度变化更缓慢，N 区高低结处的场强有所增加，会使击穿电压增加，同时由于整个I 区的高场强区增宽，雪崩电离容易发生，又会使发生击穿时的最大场强有所降低。当后一种情况占主导地位时，就会导致穿通结构的击穿电压下降。

3.3 其余纵向参数设计分析

其余纵向参数主要为N+区的浓度和长度，以及表面造型以达到或接近理论击穿电压。对于N+区的浓度，由于它要与金属发生欧姆接触(表面高掺杂型［2］)，需要较大的杂质浓度，主要考虑杂质扩散的速度与时间，以利于降低成本。由于P－N 结要延伸到表面，实践证明，高压器件的P－N 结击穿往往不是发生在体内，而是发生在表面。为了获得稳定的体内雪崩击穿特性，必须降低表面最大电场强度，使表面击穿电压高于体内雪崩击穿电压。对于大面积的电力器件，通常采用表面斜角造型的技术以降低表面电场。对于大面积、深结的电力半导体器件，结的末段常常延伸至表面，通常采用斜角结构以降低表面电场。用平面工艺制造的P－N 结，杂质是通过掩模窗口扩散进去的，在边、角之处结的边缘呈圆柱及球面，因而存在曲率，导致表面电场比体内高。一般可采用保护环、场板、耗尽层腐蚀及结延伸等给予改善。

选择实现肖特基接触的金属中，为了降低其正向压降，应尽量选择势垒低的金属。这种材料是比较容易获得的，通过各种金属参数的比较，一般使用肖特基接触金属为镍(Ni)。