摘 要

超結(jié)功率半導(dǎo)體器件是一類具有超結(jié)耐壓層的重要器件，超結(jié)將PN結(jié)引入到常規(guī)“電阻型”耐壓層中，使之質(zhì)變?yōu)?ldquo;結(jié)型耐壓層”，這種質(zhì)變突破傳統(tǒng)功率器件比導(dǎo)通電阻和耐壓之間的Ron,sp ∝VB2.5“硅極限”關(guān)系，使之降低到Ron,sp ∝VB1.32，甚至 Ron,sp ∝VB1.03，超結(jié)器件也因此被譽(yù)為功率半導(dǎo)體器件的“里程碑”。從耐壓層角度回顧功率半導(dǎo)體40年發(fā)展的3個(gè)里程碑，綜述了超結(jié)的發(fā)明、概念與機(jī)理、技術(shù)與新結(jié)構(gòu)，并總結(jié)超結(jié)發(fā)展歷程與趨勢(shì)。

 

引 言

功率半導(dǎo)體器件是電能轉(zhuǎn)換與控制的核心器件，所有電子產(chǎn)品均離不開功率半導(dǎo)體器件，無(wú)論是毫瓦級(jí)的便攜式終端，還是兆瓦級(jí)的高鐵?，F(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面，從傳統(tǒng)的工業(yè)電子、擴(kuò)展到信息通訊、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)和汽車領(lǐng)域，新能源、軌道交通、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)正成為功率半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)的強(qiáng)大引擎。

 

在這些應(yīng)用中，功率MOS和以其為核心的功率集成芯片在整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額占比高達(dá)74%，在2016年功率單管的118億的銷售中，功率MOS占比達(dá) 49%（IHS iSuppli Research，August 30，2017）。超結(jié)的出現(xiàn)，使得器件比導(dǎo)通電阻大幅降，被國(guó)際上譽(yù)為“功率MOS器件的里程碑”，超結(jié)的優(yōu)越特性也帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)需求，有人預(yù)計(jì)2020年市場(chǎng)規(guī)模將高達(dá)22億美元，功率芯片已被視為中國(guó)半導(dǎo)體破局的重要領(lǐng)域。

 

1.功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)3個(gè)里程碑

 

1.1 功率半導(dǎo)體器件與耐壓層

 

與低壓半導(dǎo)體器件相比，功率半導(dǎo)體器件關(guān)態(tài)條件下需承受高電壓，具有耐壓層結(jié)構(gòu)，可以看成低壓控制器件與耐壓層形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。如圖1所示，功率MOS器件可視為低壓MOS漏端D與準(zhǔn)漏端D''之間插入耐壓層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其控制部分工作機(jī)理與低壓MOS基本相同。功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是耐壓層的設(shè)計(jì)。

圖1.功率半導(dǎo)體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

 

理想的耐壓層應(yīng)在關(guān)態(tài)下承受高電壓，在開態(tài)下導(dǎo)通大電流，并實(shí)現(xiàn)兩者之間的快速轉(zhuǎn)換。因此，其基本要求是高耐壓、低導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度，其優(yōu)化的本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用場(chǎng)景下的最佳折衷。

 

1.2 功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)3個(gè)里程碑

 

20世紀(jì)70年代發(fā)明的VDMOS，為承受高耐壓采用具有單一導(dǎo)電型的“電阻型”耐壓層，人們很快發(fā)現(xiàn)其比導(dǎo)通電阻和耐壓之間存在Ron,sp ∝VB2.5極限關(guān)系，使器件功耗隨耐壓劇增。大量研究致力于如何使器件性能盡可能接近甚至突破“硅極限”，從耐壓層演變角度，需要在保證耐壓前提下盡可能增加開態(tài)載流子濃度，功率半導(dǎo)體器件呈現(xiàn)了不同的發(fā)展階段。

 

圖2給出功率半導(dǎo)體40年發(fā)展的3個(gè)里程碑：（a）里程碑I阻型耐壓層器件，器件耐壓層為具有N或P單一導(dǎo)電類型的低摻雜半導(dǎo)體層，其特性受“硅極限”限制，典型結(jié)構(gòu)為常規(guī)VDMOS器件；（b）里程碑II電導(dǎo)增強(qiáng)阻型耐壓層，通過(guò)將PN結(jié)正向注入特性引入到阻型耐壓層中，大注入非平衡載流子增加開態(tài)載流子濃度，典型結(jié)構(gòu)為IGBT；（c）里程碑III結(jié)型耐壓層，將異型摻雜引入到耐壓層內(nèi)部形成周期性交替摻雜的耐壓層結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將PN結(jié)反向耗盡特性引入到耐壓層內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)兩區(qū)之間的電荷平衡，典型結(jié)構(gòu)為本文重點(diǎn)闡述的超結(jié)，耐壓層從“阻型”到“結(jié)型”的轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛪簩咏Y(jié)構(gòu)的一次質(zhì)變。

 

（a）里程碑Ⅰ：阻型耐壓層   （b） 里程碑Ⅱ：阻型+正向注入

（c）里程碑Ⅲ：結(jié)型耐壓層

圖2.功率半導(dǎo)體器件40年發(fā)展的3個(gè)里程碑

 

從上面的論述可以看出，耐壓層演變的特點(diǎn)是巧妙地將PN結(jié)的正向與反向特性引入常規(guī)阻型耐壓層中，從而實(shí)現(xiàn)耐壓層電阻降低。 

 

2.超結(jié)概念與機(jī)理

2.1 二維電荷場(chǎng)調(diào)制與電荷平衡

 

與阻型耐壓層相比，超結(jié)結(jié)型耐壓層由于內(nèi)部引入PN結(jié)，關(guān)態(tài)條件下N區(qū)電離正電荷發(fā)出電場(chǎng)線大部分流向毗鄰P區(qū)電離負(fù)電荷，在耐壓層內(nèi)部引入顯著的二維場(chǎng)效應(yīng)，這種復(fù)雜場(chǎng)調(diào)制極大降低器件表面電場(chǎng)峰值并優(yōu)化了體內(nèi)場(chǎng)分布。結(jié)型耐壓層電場(chǎng)線與零電勢(shì)邊界條件下由電離電荷產(chǎn)生的電荷場(chǎng)Eq(x,y) 分布，如圖3所示，其中W為超結(jié)條寬度，由于耐壓層內(nèi)部電場(chǎng)線橫向流走，導(dǎo)致AA′上大部分區(qū)域電離電荷產(chǎn)生縱向場(chǎng)為零，只有在表面A點(diǎn)所在P+N結(jié)位置產(chǎn)生局部電場(chǎng)分布，高電場(chǎng)在縱向很短的距離d（據(jù)筆者計(jì)算d≈0.78W）范圍內(nèi)以指數(shù)函數(shù)迅速衰減，由于對(duì)稱性在A′點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)的電場(chǎng)峰值，BB′線上電場(chǎng)可以類似分析。

 

圖3.超結(jié)電荷場(chǎng)分布

 

上述橫向電荷場(chǎng)對(duì)縱向電荷場(chǎng)調(diào)制使得超結(jié)關(guān)態(tài)條件下二維場(chǎng)分布如圖4所示，結(jié)型耐壓層內(nèi)部電場(chǎng)呈周期函數(shù)分布，以耐壓層縱向中線電場(chǎng)為例，峰值位于每個(gè)PN結(jié)面，谷值位于每個(gè)P條或N條中心位置。器件結(jié)型耐壓層端面亦呈現(xiàn)周期性峰值分布，與內(nèi)部不同，其波峰與波谷皆位于每個(gè)P條或N條中心位置上，峰值位于上表面P+N結(jié)或者下表面N+P結(jié)位置，而谷值位于P+P或N+N結(jié)位置。縱向高電場(chǎng)局限在W距離內(nèi)，因此耐壓層內(nèi)部縱向場(chǎng)分布幾乎不受影響。且隨長(zhǎng)度增加，高場(chǎng)區(qū)保持相同分布且與表面相對(duì)位置不變。 

 

圖4.超結(jié)二維電場(chǎng)分布

 

常規(guī)理論認(rèn)為，理想的超結(jié)器件需滿足耐壓層內(nèi)部電場(chǎng)線全部從N區(qū)指向P區(qū)，即滿足電荷平衡條件以實(shí)現(xiàn)縱向場(chǎng)分量為矩形，電荷非平衡將導(dǎo)致器件耐壓降低。然而筆者發(fā)現(xiàn)，在開態(tài)條件下，當(dāng)考慮載流子電荷影響時(shí)，巧妙應(yīng)用電荷非平衡可以降低器件損耗并增加器件的安全工作區(qū)。 

 

2.2 超結(jié)理論發(fā)展

 

超結(jié)器件出現(xiàn)后，不同研究者分別對(duì)其進(jìn)行理論分析：一維近似法將超結(jié)在耐壓方向上視為具有均勻場(chǎng)的一維PIN、垂直耐壓方向上視為一維PN結(jié)，兩個(gè)方向上電場(chǎng)同時(shí)達(dá)到Ec時(shí)最優(yōu)?；蛘邔⒊Y(jié)電場(chǎng)看成耐壓方向與垂直耐壓方向上兩個(gè)一維場(chǎng)的疊加，可得到類似結(jié)果。一維近似主要用于超結(jié)器件的概念分析或者參數(shù)估算。

 

超結(jié)二維場(chǎng)優(yōu)化法建立在二維精確解析場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，其二維精確解在超結(jié)發(fā)明后很長(zhǎng)一段時(shí)間才于1998年由電子科技大學(xué)陳星弼院士率先提出，進(jìn)一步將擊穿時(shí)耐壓層恰好全耗盡選為優(yōu)化條件，從而獲得經(jīng)典Ron,sp ∝VB1.32關(guān)系。此外，還提出一種分區(qū)求解二維泊松方程的方法，結(jié)論類似，不再贅述。

 

上述優(yōu)化方法均未給出超結(jié)器件的最低比導(dǎo)通電阻Ron,min。由于超結(jié)二維場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)擊穿條件下圖3中A ′和B ′局部非全耗盡時(shí)器件Ron,sp更低，筆者團(tuán)隊(duì)基于該特性提出超結(jié)非全耗盡（nonfull depletion，NFD）模式，通過(guò)全域Ron,sp優(yōu)化尋求Ron,min，理論上證明新模式下平衡對(duì)稱超結(jié)滿足：

Ron,sp=1.437×10-3W1.108VB1.03（mΩ·cm²）（1）

圖5給出超結(jié)Ron,sp-VB關(guān)系與傳統(tǒng)硅極限Ron,sp ∝ VB2.5關(guān)系比較，與傳統(tǒng)“硅極限”相比，超結(jié)器件Ron,sp正比于超結(jié)條寬度W，依賴于元胞尺寸，因此在一定范圍內(nèi)（W>0.2μm）可以通過(guò)工藝改進(jìn)縮小元胞寬度增加摻雜濃度的形式進(jìn)一步降低Ron,sp。

 

圖5.超結(jié)與Ron，sp - VB關(guān)系與傳統(tǒng)“硅極限”比較

 

器件Ron,sp主要由耐壓層長(zhǎng)度與摻雜濃度決定，為實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓，不同類型的耐壓層長(zhǎng)度無(wú)顯著差異，因此超結(jié)突破常規(guī)“硅極限”的實(shí)質(zhì)是突破了器件摻雜濃度與VB的依賴關(guān)系。圖6給出NFD、FD超結(jié)與常規(guī)阻型耐壓層濃度變化規(guī)律，圖中采用100V器件優(yōu)化摻雜濃度進(jìn)行歸一化。由于阻型耐壓層摻雜濃度依賴于耐壓層長(zhǎng)度，其優(yōu)化摻雜濃度隨VB顯著降低，而NFD超結(jié)摻雜濃度甚至隨 VB略有增加。這種變化源于結(jié)型耐壓層摻雜劑量由超結(jié)條寬度W決定，且?guī)缀酹?dú)立于耐壓層長(zhǎng)度。 

 

圖6.歸一化摻雜濃度比較

 

圖7表明超結(jié)在不同耐壓級(jí)別上都實(shí)現(xiàn)了對(duì)“硅極限”的突破。以文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，分別采用寬度為1.3μm的P條和1.7μm的N條，實(shí)現(xiàn)VB為685V，Ron,sp僅為7.8mΩ·cm²，傳統(tǒng)“硅極限”在相同VB下Ron,sp為 101.9mΩ·cm²，超結(jié)器件Ron,sp降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前實(shí)驗(yàn)獲得的超結(jié) Ron,sp主要位于式（1）中W為5μm所對(duì)應(yīng)關(guān)系以上。

 

圖7.超結(jié)Ron，sp水平

 

超結(jié)概念也被引入到橫向器件中以降低器件的功率損耗，由于橫向超結(jié)可以通過(guò)表面注入形成且與常規(guī)CMOS工藝兼容，橫向超結(jié)器件已成為高壓功率集成技術(shù)的重要發(fā)展方向。與縱向超結(jié)器件不同，橫向器件常常將超結(jié)置于P型襯底之上，表面超結(jié)區(qū)由于受到襯底輔助耗盡（substrate-assisted depletion，SAD）效應(yīng)的影響，導(dǎo)致耐壓降低。

 

襯底輔助耗盡效應(yīng)可以通過(guò)等效襯底（equivalent substrate，ES）模型描述 ，其原理如圖8所示。將除超結(jié)之外的耐壓結(jié)構(gòu)，即電荷補(bǔ)償層（chargecompensation layer，CCL）與襯底視為一個(gè)整體，定義為等效襯底ES，研究其整體對(duì)表面超結(jié)的調(diào)制作用。

 

圖8.等效襯底ES模型

 

ES模型揭示了襯底輔助耗盡效應(yīng)的本質(zhì)是襯底電離電荷影響表面超結(jié)電荷平衡，致使P條非全耗盡而N條全耗盡，器件耐壓降低。為消除其影響，理論上ES層需滿足的理想襯底條件：

 

（a）電中性條件：ES凈電荷QES→0，等效襯底為準(zhǔn)電中性，超結(jié)中N區(qū)和P區(qū)之間的電荷平衡得以滿足。

（b）均勻表面場(chǎng)條件：E (x,y,0) = 常數(shù)，等效襯底均勻表面場(chǎng)條件避免器件表面提前擊穿。

 

一種實(shí)現(xiàn)理想襯底條件的版圖如圖9所示，在超結(jié)耐壓方向上通過(guò)開不同窗口形成優(yōu)化摻雜分布使得CCL與襯底保持電荷平衡，同時(shí)調(diào)制ES電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)矩形分布。

 

圖9.滿足理想襯底條件的橫向超結(jié)版圖

 

3.超結(jié)工藝技術(shù)與新結(jié)構(gòu)

 

由于結(jié)型耐壓層實(shí)現(xiàn)難度較大，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)超結(jié)器件的研究主要體現(xiàn)在工藝上，包括耐壓層實(shí)現(xiàn)技術(shù)與終端技術(shù)。同時(shí)將超結(jié)耐壓層用于不同的功率半導(dǎo)體器件中，實(shí)現(xiàn)特性改善或形成新型功率半導(dǎo)體器件。

 

3.1 工藝技術(shù)

 

超結(jié)工藝的難點(diǎn)是如何在耐壓層內(nèi)部引入周期性的異型摻雜，如圖10所示為多次外延摻雜工藝，其中第一種方法通過(guò)多次外延一定濃度的N型區(qū)，然后僅采用P型注入補(bǔ)償形成超結(jié)P區(qū)；第二種方法是每次外延濃度較低，然后同時(shí)引入N和P型注入，分別形成超結(jié)的N區(qū)和P區(qū)，第二種工藝可以控制更好的均勻性，但工藝上需增加一次光刻與注入。此類工藝的優(yōu)點(diǎn)是形成超結(jié)耐壓層的晶格質(zhì)量較好，缺陷與界面態(tài)少。然而為形成較好超結(jié)形貌，每次外延層厚度相對(duì)固定且較薄，外延次數(shù)將隨著器件耐壓增大而增多，導(dǎo)致成本增加。

 

（a）單雜質(zhì)注入

（b）雙雜質(zhì)注入

圖10.多次外延工藝

 

另一種結(jié)型耐壓層實(shí)現(xiàn)工藝基于深槽刻蝕，如圖11所示，其中圖11（a）給出具有刻蝕槽的耐壓層結(jié)構(gòu)。通過(guò)在超結(jié)耐壓層中刻蝕形成一定深寬比的槽，再對(duì)槽內(nèi)部摻雜。第一種方式是在槽內(nèi)外延填充P型硅，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光平坦化實(shí)現(xiàn)超結(jié)耐壓層，拋光后耐壓層如圖11（b）所示。還可以在槽壁上形成薄氧化層結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行多晶硅填充形成耐壓層；第2種方式是采用傾斜注入分別在槽壁上形成N區(qū)和P區(qū)，這樣可以控制N和P型雜質(zhì)的注入劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷平衡，如圖11（c）所 示；第3種方式通過(guò)對(duì)槽壁氣相摻雜形成P型區(qū)，如圖11（d）所示。此外，還可以在槽壁選擇性外延薄層N與P型硅或者是直接通過(guò)P型雜質(zhì)擴(kuò)散形成超結(jié)耐壓層。采用刻槽填充工藝實(shí)現(xiàn)的超結(jié)耐壓層較多次外延技術(shù)更易實(shí)現(xiàn)較小的深寬比，同時(shí)形成的超結(jié)N區(qū)與P區(qū)摻雜分布也較均勻，有利于降低 Ron,sp。

 

（a）深槽刻蝕工藝

（b）外延填充

（c）斜角注入摻雜

（d）氣象摻雜

圖11.深槽工藝

 

為實(shí)現(xiàn)超結(jié)器件終端區(qū)高耐壓，有兩種典型超結(jié)器件終端結(jié)構(gòu)，如圖12所示。圖12（a）表示具有變摻雜的終端結(jié)構(gòu)，對(duì)多外延型工藝，可以改變P型注入?yún)^(qū)窗口，P型摻雜濃度從元胞到終端方向逐漸降低，保持終端區(qū)新的電荷平衡。基于深槽刻蝕的超結(jié)器件則主要通過(guò)優(yōu)化終端區(qū)刻蝕窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)類似變摻雜終端。圖12（b）給出采用常規(guī)表面終端技術(shù)的超結(jié)器件終端結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將結(jié)型耐壓層埋入器件體內(nèi)，減少超結(jié)內(nèi)部PN結(jié)對(duì)器件表面場(chǎng)的影響，同時(shí)在器件終端區(qū)表面采用常規(guī)結(jié)終端技術(shù)實(shí)現(xiàn)高耐壓。

 

（a）變摻雜終端

（b）表面終端技術(shù)

圖12.典型超結(jié)器件終端結(jié)構(gòu)

 

超結(jié)不僅可以用來(lái)降低器件比導(dǎo)通電阻，同時(shí)可用以優(yōu)化電場(chǎng)分布，如圖13所示為基于超結(jié)的終端結(jié)構(gòu)，在常規(guī)浮空?qǐng)鱿蕲h(huán)間引入表面超結(jié)，建立新的電荷平衡，削弱了界面寄生電荷的影響，縮小終端區(qū)面積。

 

圖13.基于超結(jié)的終端結(jié)構(gòu)

 

對(duì)橫向叉指型超結(jié)器件而言，由于表面超結(jié)結(jié)深較淺，容易在終端指尖位置提前擊穿，為解決此問(wèn)題，作者團(tuán)隊(duì)提出如圖14所示的襯底終端技術(shù)，通過(guò)將部分襯底電荷引入到器件表面，降低曲率效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)終端區(qū)新的電荷平衡，提高器件耐壓，且具有工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)。
 

圖14.襯底終端結(jié)構(gòu)

 

3.2 超結(jié)新結(jié)構(gòu)

3.2.1 縱向超結(jié)結(jié)構(gòu)

 

對(duì)超結(jié)功率MOS器件而言，大量新結(jié)構(gòu)致力于如何利用兼容工藝改善器件特性，圖15給出幾種改善器件特性的典型結(jié)構(gòu)。圖15（a）為部分超結(jié)結(jié)構(gòu)，超結(jié)器件給定元胞寬度下N區(qū)和P區(qū)的深寬比隨器件VB增加而增加，工藝難度增加。部分超結(jié)結(jié)構(gòu)降低工藝難度，在相同深寬比條件下實(shí)現(xiàn)比全超結(jié)器件更低的Ron,sp且利于器件的反向恢復(fù)特性。

 

為了改善超結(jié)體二極管的反向恢復(fù)特性，通過(guò)集成肖特基二極管，提出如圖 15（b）所示的變形結(jié)構(gòu)，通過(guò)肖特基結(jié)的反向抽取作用，削弱載流子存儲(chǔ)效應(yīng)；隨著器件元胞寬度的進(jìn)一步縮小，可能導(dǎo)致超結(jié)兩個(gè)P條之間距離過(guò)小難以形成溝道區(qū)，因此提出如圖15（c）所示的溝道與超結(jié)元胞相垂直的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適用于窄元胞器件，減少溝道區(qū)工藝難度；此外還可以通過(guò)版圖優(yōu)化減少部分溝道區(qū)面積，以實(shí)現(xiàn)更低的電磁干擾（EMI）噪聲。

 

圖15.改善超結(jié)MOS特性的新結(jié)構(gòu)

 

超結(jié)作為一種典型的結(jié)型耐壓層結(jié)構(gòu)，用于不同的器件可實(shí)現(xiàn)不同的功率半導(dǎo)體器件，典型結(jié)構(gòu)如圖16所示。圖 16（a）為超結(jié)IGBT結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)IGBT相比，超結(jié)IGBT一方面通過(guò)電場(chǎng)調(diào)制縮小漂移區(qū)長(zhǎng)度，另一方面還可以引入準(zhǔn)單極傳導(dǎo)模式，即大注入電子和空穴分別流經(jīng)低阻的超結(jié)N區(qū)和P區(qū)，器件關(guān)斷時(shí)通過(guò)內(nèi)部PN結(jié)耗盡區(qū)擴(kuò)展可以迅速抽取過(guò)剩載流子，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷；作者團(tuán)隊(duì)提出如圖16（b）所示的具有雙向耐壓特性的超結(jié)IGBT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)打破了一般超結(jié)IGBT正向壓降與超結(jié)區(qū)摻雜的依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)開態(tài)雙極高電導(dǎo)調(diào)制與關(guān)態(tài)準(zhǔn)單極關(guān)斷特性。如果將超結(jié)耐壓層用于二極管結(jié)構(gòu)，則形成圖16（c）和 16（d）所示的超結(jié)junctionbarrier schottky rectifier（JBS）和 schottky barrier diode（SBD）器件結(jié)構(gòu)，由于超結(jié)區(qū)的摻雜濃度很高，肖特基結(jié)開啟后有更小的正向壓降和更大的電流密度。同時(shí)由于反向阻斷狀態(tài)下P區(qū)之間的N型漂移區(qū)的耗盡層重疊形成勢(shì)壘，使器件反向漏電流降低。超結(jié)SBD器件還可采用槽型電極結(jié)構(gòu)來(lái)降低肖特基接觸位置的電場(chǎng)，降低反向漏電。

 

圖16.具有超結(jié)耐壓層的新型功率半導(dǎo)體器件

 

電荷平衡不僅可以通過(guò)PN結(jié)電離電荷實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)金屬絕緣層半導(dǎo)體（metal insulator semiconductor，MIS）介質(zhì)耦合實(shí)現(xiàn)，如圖17所示。其中圖17（a）和圖17（b）為具有高K介質(zhì)的復(fù)合耐壓層結(jié)構(gòu)，器件耐壓時(shí)大部分電通量通過(guò)高K介質(zhì)流向表面，從而優(yōu)化了硅層區(qū)電場(chǎng)；圖17（c）和圖17（d）為典型的體內(nèi)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，通過(guò)體內(nèi)場(chǎng)板在耐壓層內(nèi)部引入電荷，與硅層電離電荷保持平衡，優(yōu)化體內(nèi)電場(chǎng)降低器件Ron,sp。

 

圖17.采用電荷平衡概念的新結(jié)構(gòu)

 

3.2.2 橫向超結(jié)結(jié)構(gòu)

 

橫向超結(jié)器件的發(fā)展主要集中在如何消除襯底輔助耗盡效應(yīng)，典型方法有兩種。第1種方法如圖18所示，通過(guò)采用圖18（a）藍(lán)寶石襯底或者圖18（b）刻蝕去除硅襯底，其共同點(diǎn)都是消除襯底電位對(duì)表面超結(jié)區(qū)的影響，解決縱向耐壓低的問(wèn)題。該方法可以很好地抑制襯底輔助耗盡效應(yīng)，但具有工藝不兼容或者材料成本高的特點(diǎn)。

 

圖18.去除襯底影響的橫向超結(jié)結(jié)構(gòu)

 

第2種方法如圖19所示，其基本思想是電荷補(bǔ)償，通過(guò)在耐壓層中引入補(bǔ)償電荷，與襯底電離電荷保持電荷平衡從而抑制襯底輔助耗盡效應(yīng)的影響。從空間維度可以分為圖19（a）、圖19（b）x方向補(bǔ)償，主要是通過(guò)在超結(jié)區(qū)下方添加深N阱或者N緩沖層的形式實(shí)現(xiàn)；圖19（c）、圖19（d）y方向補(bǔ)償，超結(jié)區(qū)位于靠近源區(qū)，漏區(qū)為單一摻雜的N型摻雜，特別對(duì)SOI器件，為解決其耐壓較低的問(wèn)題，可以采用局部薄層結(jié)構(gòu)；圖19（e）、圖19（f）z方向補(bǔ)償，通過(guò)設(shè)計(jì)使超結(jié)N區(qū)和P區(qū)為非對(duì)稱形狀實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，與縱向器件類似，P區(qū)亦可采用高K介質(zhì)。

 

圖19.電荷補(bǔ)償橫向超結(jié)結(jié)構(gòu)

 

3.3 寬禁帶超結(jié)功率半導(dǎo)體器件

 

超結(jié)概念同樣被應(yīng)用到寬禁帶半導(dǎo)體材料如SiC和GaN中，超結(jié)概念與理論完全適用，由于禁帶寬度更大，相同深寬比條件下，寬禁帶半導(dǎo)體超結(jié)器件對(duì)Ron,sp - VB關(guān)系的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在系數(shù)項(xiàng)，可以降低約3個(gè)數(shù)量級(jí)，特別在超高壓領(lǐng)域非常具有吸引力。

 

如圖20所示是典型SiC基超結(jié)器件，采用與硅基類似的深槽刻蝕注入摻雜工藝實(shí)現(xiàn)，并且在槽內(nèi)填充介質(zhì)實(shí)現(xiàn)結(jié)型耐壓層結(jié)構(gòu)，該工藝比較容易實(shí)現(xiàn)較高深寬比的超結(jié)區(qū)。對(duì)GaN材料而言，可以通過(guò)異型摻雜形成一般結(jié)型耐壓層結(jié)構(gòu)，還可以利用疊層結(jié)構(gòu)中電荷平衡極化電荷同時(shí)形成二維電子氣與二維空穴氣，典型結(jié)構(gòu)如圖21所示。器件開態(tài)時(shí)電子氣和空穴氣同時(shí)參與導(dǎo)電，降低器件導(dǎo)通電阻，關(guān)態(tài)時(shí)極化電荷自動(dòng)滿足電荷平衡，優(yōu)化耐壓層電場(chǎng)，從而形成新型的電荷平衡耐壓層結(jié)構(gòu)。

 

圖20.碳化硅基超結(jié)器件
 

圖21.氮化鎵基超結(jié)器件

 

3.4 超結(jié)功率半導(dǎo)體器件發(fā)展歷程

 

綜上所述，超結(jié)發(fā)展歷程如圖22所示。超結(jié)結(jié)型耐壓層高壓低比導(dǎo)通電阻特性可實(shí)現(xiàn)高功率密度與低成本下的低損耗，理論上實(shí)現(xiàn)比導(dǎo)通電阻與耐壓的從Ron,sp ∝VB2.5關(guān)系降低到Ron,sp ∝VB1.32甚至Ron,sp ∝VB1.03關(guān)系，橫向超結(jié)器件優(yōu)化可由等效襯底模型統(tǒng)一描述。

 

圖22.超結(jié)發(fā)展歷程

 

隨著元胞寬度進(jìn)一步縮小，寄生JFET效應(yīng)及齊納擊穿等變得更加顯著，經(jīng)筆者計(jì)算，齊納擊穿限制下硅基超結(jié)的條寬極限約為0.1～0.2μm；超結(jié)概念完全適用于SiC、GaN等其他半導(dǎo)體材料，突破對(duì)應(yīng)“硅極限”關(guān)系；另一方面，超結(jié)概念還被拓展到IGBT、SBD等其他功率半導(dǎo)體器件中，實(shí)現(xiàn)電荷平衡的耐壓層結(jié)構(gòu)，并向著更高可靠性、更高開關(guān)速度的方向發(fā)展。

 

4.超結(jié)功率半導(dǎo)體器件展望

 

總結(jié)起來(lái)，目前在理論方面已經(jīng)對(duì)超結(jié)器件做了較為深入的研究，獲得了其理論最低Ron,sp。然而，在實(shí)驗(yàn)方面，超結(jié)器件特性仍有很大的提升空間，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Ron,sp ∝VB1.03最低理論比導(dǎo)通電阻相比，在W為5～10μm范圍內(nèi)，Ron,sp可以再降低20%～40%，而在W寬度為1～4μm范圍內(nèi)，Ron,sp降低量達(dá)60%～80%，余量可觀。橫向超結(jié)器件是高壓功率集成技術(shù)的重要發(fā)展方向，目前研究主要集中在如何消除襯底輔助耗盡效應(yīng)提高耐壓，然而超結(jié)本身優(yōu)越的低阻特性尚待挖掘，特別采用具有縱向高深寬比的超結(jié)可以大幅降低 Ron,sp，作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的具有N-top的橫向超結(jié)器件以及多次注入形成的NFD 橫向超結(jié)器件，Ron,sp均較Triple RESUF器件更優(yōu)。因此橫向可集成超結(jié)器件有望成為Triple RESUF之后的下一代低阻可集成器件。

 

文獻(xiàn)來(lái)源：

 

張波, 章文通, 蒲松,等. 超結(jié)功率半導(dǎo)體器件[J]. 微納電子與智能制造, 2019, 1 (1): 5-19.

ZHANG Bo, ZHANG W T, PU S, et al. Superjunction power semiconductor devices[J]. Micro/nano Electronics and Intelligent Manufacturing, 2019, 1 (1): 5-19.

《微納電子與智能制造》刊號(hào)：CN10-1594/TN

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