廉宇盟，关艳霞

（沈阳工业大学信息科学与工程学院， 沈阳110870）

1 引 言

现代电力电子技术已经进入了高频化、集成化和智能化时代[1]。开关器件作为现代电力电子的核心器件，仍在不断地向前发展，对二极管提出了更高的要求[2]。为了使二极管器件能够应用于更多不同场合，要求其具有工作频率高、开关速度快、耐压高等特点，一种名为结势垒控制肖特基二极管（JBS 二极管）的结构被提出[3-4]。该结构是在肖特基接触周围设置高掺杂的P+区来实现的，相较于肖特基二极管，可以更有效地提高反向阻断电压且保留快速开关的特点[5]。但P+结的出现也牺牲了一部分肖特基接触面积，使正向导通电流密度增加了[6]。P+区的引入，使器件的电场呈现二维分布，此时可通过P+区宽度和结深的改变来改变[7]。基于此，从二维电场分布入手，针对P+区宽度和结深对JBS 二极管反向阻断特性的影响来展开讨论。

2 JBS 二极管工作原理

JBS 二极管结构示意图如图1 所示。当施加正向电压时，肖特基结和PN 结均为正偏，当正向电压小于PN 结的开启电压、大于肖特基结的开启电压，JBS 将呈现肖特基二极管的单极型特性[8]。因为PN结的存在，增加了肖特基接触处的电流密度。电流流过肖特接触后，通过P+区之间的未耗尽间隙，再到达漂移区的其他部分，最后扩散到N+衬底。

图1 JBS 结构示意图

当施加反向电压时，PN 结和肖特基结均反偏，器件处于阻断状态。纯肖特基的反向阻断特性较差，是因为随着反向电压的增加，其表面电场强度增大，肖特基结的镜像势垒降低效应和隧穿效应使得阻断漏电流显著增加。PN 结的引入在肖特基的半导体表面形成二维电场分布，由垂直PN 结所产生的横向电场能够降低肖特基表面的电场，使肖特基镜像势垒降低效应和隧穿效应减弱，阻断特性得到改善。仿真可通过改变肖特基台面尺寸和PN 结的结深来分析二维电场分布对JBS 阻断特性的改善效果。

3 SBD 二极管和JBS 二极管仿真

3.1 SBD 二极管仿真

用Silvaco TCAD 仿真软件来模拟仿真SBD 二极管结构及其横向和纵向电场。仿真前，确定元胞间距为1.25μm，反向电压为50V。根据如下公式：

计算出N-漂移区的浓度为8×1015cm-3，然后确定衬底的浓度为1×1020cm-3。利用仿真软件中的atlas 模块进行器件结构仿真，仿真结果如图2 所示。其后，选用迁移率受杂质浓度影响的模型、迁移率受电场影响的模型、SRH 复合模型、俄歇复合模型和能带变窄模型进行反向阻断特性仿真，再使用工具栏中的cutline 工具确定横纵向电场，仿真结果如图3 所示。

图2 仿真得到的SBD 二极管结构

图3 仿真得到的SBD 二极管电场分布

由图中可以看出，SBD 二极管结构的漂移区和金属电极完全接触，横向电场均匀地分布在肖特基接触的表面且保持恒定，最大电场强度发生在肖特基接触表面且等于横向电场，纵向电场从肖特基表面处的最大电场逐步减小。

3.2 JBS 二极管仿真

用Silvaco TCAD 仿真软件来模拟仿真JBS 二极管结构以及其横向和纵向电场。确定元胞间距为1.25μm，漂移区浓度为8×1015cm-3，衬底浓度为1×1020cm-3。在JBS 二极管中，增加了高掺杂且为高斯分布的P+结，确定P+结结深为0.5μm，浓度为1×1019cm-3。利用仿真软件中的atlas 模块进行器件结构仿真，仿真结果如图4 所示。其后，选用迁移率受杂质浓度影响的模型、迁移率受电场影响的模型、SRH复合模型、俄歇复合模型和能带变窄模型进行反向阻断特性仿真，再使用工具栏中的cutline 工具确定横纵向电场，结果如图5 所示。

图4 仿真得到的JBS 二极管结构

图5 仿真得到的JBS 二极管电场分布

由图中可以看出，P+区的存在阻挡了一部分肖特基接触，在肖特基接触处减小了横向电场，使得中心处纵向电场开启电压减小；肖特基最大电场强度不发生在表面处。SBD 二极管和JBS 二极管的阻断特性对比见图6。结合图中的对比情况与上述原理分析，可证明：添加了一个高掺杂的P+结后，可有效地抑制肖特基势垒降低效应，增大阻断电压峰值，从而改善了器件的反向阻断特性。

图6 SBD 与JBS 二极管的阻断特性对比

4 PN 结对JBS 阻断特性的影响分析

4.1 PN 结宽度的影响

在JBS 中，PN 结的存在改变了肖特基台面的垂直电场分布，进而能够改善其阻断特性。在整个器件结构中，PN 结所占面积的比例对阻断特性有直接的影响。可在保证P+区的横向宽度和圆柱形弧度以及结深保持不变的前提下，通过改变元胞宽度来调整PN 结所占面积的比例。在仿真中，P+区横向宽度为0.765μm，结深为0.5μm，元胞宽度设定为1.0μm、1.25μm、1.5μm 和2.0μm，即PN 结相对宽度（PN 结宽度与元胞宽度的比值）分别为0.765、0.612、0.51、0.383。基于上述参数设定，对其构成的结构进行电场分布和阻断特性的仿真。

图7 为不同PN 结相对宽度下肖特基表面的横向电场分布情况的仿真结果。从图中可以看出，PN结的引入使肖特基表面的电场不再恒定，而是越接近PN 结的肖特基表面电场强度越小，在肖特基中心处电场强度达到最大值；随着PN 结相对宽度的增加，最大电场强度减小。图8 为不同PN 结相对宽度下，肖特基结中心处的纵向电场分布。从中可以看出，PN 结的引入使肖特基最大电场强度不发生在表面，而且随着PN 结相对宽度的增加，最大电场强度距表面的距离也要增加。

图7 不同台面宽度下的表面电场

图8 不同台面宽度下的中心处纵向电场

PN 结的存在使肖特基表面电场强度减小，这使得肖特基二极管的镜像力势垒降低效应和隧穿效应减弱，因此阻断特性能够得到改善。图9 为不同PN结相对宽度下的阻断特性的对比。从图中可以看出，PN 结的引入改善了器件的阻断特性，漏电流减小，阻断电压提高，而且随着PN 结相对宽度的增加，改善效果更加明显。在反向电压为60V 时，PN 结相对宽度分别为0.383、0.51、0.612 和0.765 时的漏电流分别为0.58nA、0.24nA、0.15nA 和0.09nA。随着PN相对宽度的增加，转折电压有所提高，最终接近PN结的雪崩击穿电压。

图9 不同台面宽度下的JBS 反向阻断特性

4.2 结深的影响

PN 结的结深也对JBS 二极管的二维电场分布和反向特性有影响。为了进行比较，确定该结构的肖特基接触面积相对于元胞宽度为1.25μm 的整流器的结构尺寸。其中结深分别取0.5μm，1.0μm 和1.5μm。在此，还增加一个接近衬底的结深以作对比。图10 为不同结深下的肖特基表面横向电场的变化；图11 为不同结深下肖特基台面中心处纵向电场分布的变化，图12 为不同结深下的JBS 的阻断特性。

图10 不同结深下的表面横向电场

图11 不同结深下的肖特基中心处纵向电场

从这些仿真结果中可以看出，随着PN 结结深的增加，横向电场作用使表面的电场减小，同时使最大电场不发生在肖特基表面位置。

由图10 和11 还可知，结深越接近衬底，表面处的电场越小，最大电场位置越远离表面。当结深接近衬底时，肖特基表面的电场强度与PN 结表面的电场强度近似相等。这也意味着，其阻断特性与PN 结的阻断特性近似。图12 也证明了这一点，随着结深的增加，阻断特性得到改善，漏电流减小，阻断电压增加。

5 结 束 语

JBS 二极管中的PN 结使肖特基结构的电场呈二维分布，改变了纯肖特基二极管的一维电场分布，进而改善了肖特基二极管的阻断特性。减小肖特基面积，增加PN 结的结深皆有利于JBS 阻断特性的提高。PN 结的存在可以减小反向漏电流，提高击穿电压。适当调整接触面积和结深参数，可切实有效地提升和改善器件的特性，此方法可应用在器件的实际生产中，也可为新品研发提供思路。