唐 冬，刘 旸，徐 衡

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

JBS结构肖特基整流器

唐 冬，刘 旸，徐 衡

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

介绍了结势垒控制肖特基整流管（Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier，JBS）的结构原理，论述了JBS结构肖特基整流器的正向特性和反向特性，通过对扩散掩膜尺寸m和扩散P＋区时窗口宽度S的工艺模拟，归纳出m、s变化对器件参数正向压降和反向漏电流密度的影响。并通过实际产品进行验证，得出JBS结构肖特基整流器漏电流小的特点，利于功率肖特基二极管得到更广泛的应用。

结势垒控制肖特基整流管；正向压降；反向漏电流密度

1 引 言

功率肖持基二极管（PowerSBD）由于正向压降低、功耗小、开关速度高，在直流低压大电流领域得到了广泛应用。但是，PowerSBD的低压降、小功耗是以低势垒为前提的。较低的势垒高度会使器件反向漏电流增加，最高工作温度降低。为了解决Power SBD正反向特性之间的矛盾，使其既具有低压降，又有较小的反向电流，必须对PowerSBD的器件结构加以改进，结势垒控制肖特基整流管（Junction-Barrier-controlledSchottky-Rectifier，JBS）就是为解决这一问题提出的一种新型肖特基势垒整流器件。

2 JBS结构原理

JBS是在普通PowerSBD的漂移区集成多个梳状的p-n结栅，见图1。结栅相邻P区之间的电流通道设计成在零偏和正偏时，保证不被夹断，允许正向电流通过栅间电流通道从器件的阳极流到阴极；在反偏时，当反偏压超过几伏时，p-n结栅相邻的结耗尽区交迭，引起耗尽层穿通。耗尽层穿通后将在沟道中形成势垒，并使耗尽层向n-衬底扩展。因此势垒层屏蔽了外加电压对肖特基势垒的影响，防止了肖特基势垒降低现象的发生。

图1 JBS结构示意图

3 JBS结构关键参数

3.1 正向特性

正向特性可根据热电子发射理论并结合器件结构的几何尺寸进行解析分析。为讨论方便，采用JBS单胞结构如图2所示。s是扩散p＋区时的窗口宽度，m是扩散掩膜尺寸，xj为P＋-n结的结深，t为外延层厚度。

图2 JBS单胞结构图

JBS的正向压降为肖特基势垒部份和外延层上压降之总和。定义肖特基势垒压降为VFS，外延层上压降为VFP，经计算得：

即JBS的正向压降：

式中：φB为肖特基势垒高度，JFC为正向电流密度，A*为有效理查逊常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷。2d是VF的函数，故（3）式不是正向压降的解析解。然而，JBS实际工作在较低的正向压降下，2d随VF的变化很小，故可近似认为2d是一常数。因此，由（3）式可求解JBS的正向J-V特性。

3.2 反向特性

JBS的反向阻断模式如图3所示。

图3 JBS反向阻断模式

经计算得出JBS的反向电流为：

可以看到JBS的反向电流由两部分组成，第一个分量漏电流JLS是穿过肖特基势垒的载流子注入，主要发生在低电压下，与势垒高度φB和场强有密切关系。第二个分量是P-n结耗尽区产生电流与扩散电流分量JLD，它们与少子寿命τ有密切关系。上式说明，JBS的反向电流除了与势垒高度φB有密切关系以外，还与器件的结构参数、材料特性有关。

当JBS反向偏置时，在反向电压Vr小于夹断电压VP时，反向漏电流的大小主要决定于（4）式的前半部分。可以看出，当金属和半导体材料选定之后，金半接触的势垒高度φB为一定值。调节扩散P＋区时的窗口宽度s和扩散掩膜尺寸m，可以得到不同的反向漏电流。

当反向电压大于夹断电压时，肖特基下的耗尽层发生交叠，引起耗尽层穿通。耗尽层穿通后将在沟道中形成势垒。如果所加电压继续增加，则增加的压降都将落在势垒层上，并使耗尽层向n＋衬底区扩展。当穿通条件建立时，随反偏压的增加，漏电流将在雪崩击穿点的出现前基本保持不变，此时的反向漏电流只由（4）式后半部分决定。此时JBS整流管的反向漏电流与器件所选材料的特性有关。

3.3 m、s的变化对器件正向压降和反向漏电流密度的影响

为了控制芯片面积，S值不宜取的过大，就本工艺线条件来说，s最小只能取到2μm，所以在本器件的设计过程中我们将s的值取为2μm。对JBS来说，其在正偏和零偏条件下必须有导电沟道，以使电流能够从阳极流到阴极，零偏条件下沟道自然耗尽层宽度w0＝1.14μm。由此，可以确定出不同结深下m的取值范围。

从上面的分析可以看出，JBS整流管的正向压降和反向漏电流密度与m和s有直接关系。以xj＝2μm为例，来讨论m、s的变化对器件正向压降VF和VR＝1V时反向漏电流密度JL的影响。以s为参变量，通过工艺软件Silvaco模拟得出下表1，给出了m、s变化对VF和JL的影响。

从表1可以看出，在s不变的情况下，随m值增大，VF减小，JL明显上升，这是因为随m值增大肖特基势垒所占的比例随之加大；另外，由于m增大，沟道宽度2d亦随之增大，使沟道部份的串联电阻减小，正向压降降低。在反向偏压未夹断沟道的情况下，由于串联电阻上压降减小，肖特基势垒上的反向偏压增加，使漏电流上升。在m不变的情况下，随着s减小，VF减小，JL增大，但它们减小和增大的幅度都很小。可见，m的大小是导电沟道夹断之前影响VF和JL的关键因素。

表1 m、s的变化对VF和JL的影响

4 产品验证

根据JBS结构特点，进行了8A，45V的产品研制。整体采用沟槽结构，如图4布局。

图4 JBS结构布局

工艺中采用NiCr做为势垒金属，工艺过程得到的产品参数满足下面的测试条件。

正向导通电压VF≤0.55V＠8A，25℃；

反向击穿电压VB≥45V；

反向漏电流IR≤10μA；

对于反向漏电流一项，实测IR＝6μA，如果不采用JBS结构，8A的产品采用同样的工艺条件，IR＝80μA，可以看到JBS结构对反向漏电流的控制小近10倍，进而满足肖特基功率二极管在高结温环境下使用。

5 结束语

通过理论分析和实验验证，证明JBS结构肖特基整流器的优点，使肖特基功率二极管在高结温环境中得到应用。

衷心感谢研究所芯片加工中心所有工作人员对工艺研发和生产流片的大力支持。

［1］B.J.Baliga.Schottky Barrier Rectifiers and Methods of Forming the Same［J］.U.S.Patent 5，612，567，March 18，1997.

［2］［美］巴利加（Baliga，B.J.）.功率半导体器件基础［M］.韩郑生，等译.北京：电子工业出版社，2013.

［3］Hower P L，Weaber L E.The APIN Rectifier，a New Fast-Recovery Diode［J］.IEEE PESC’88 Record.709-17（1988）.

Study on JBS Structure Schottky Rectifier

TANG Dong，LIU Yang，XU Heng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

This paper introduces the structure principle of Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier（JBS）and discusses the forward and reverse characteristics of schottky rectifier in JBSstructure.By process simulation for diffusion mask size（m）and p＋zone window width（s），the effects on the forward voltage drop and reverse leakage current density，performed by the change of m and s device parameter，are described.The product is verified that the characteristics of schottky rectifier in JBS structure with low current leakage are concluded，so the power SBD can be used widely.

Junction-Barrier-controlled Schottky-Rectifier；Forward voltage drop；Reverse leakage current density

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.004

TN4

：A

：1002-2279（2014）05-0011-03

唐冬（1981-），男，辽宁凌海人，学士学位，工程师，主研方向：肖特基二极管。

2014-01-08