设计深结复合结终端器件

对于晶闸管类的深结器件，通常采用机械磨角或横向变掺杂技术。下面以波状基区GCT为例来介绍三种新的复合结终端结构。

1.场限环-斜角复合结终端结构

根据波状基区门极换流晶闸管（CP-GCT）的结构特点，提出了一种场限环-负斜角复合结终端结构，如图7-32所示。它是在CP-GCT主结外侧设置一个或者多个p型场限环，然后利用传统的机械磨角工艺形成负斜角结构。结终端区的p^-场限环可以与有源区的p基区同时形成。于是在结终端区和有源区相邻处存在一个p⁺连通区，使主结承担分压减小。如果p⁺连通区较宽，则场限环不能起到有效作用，击穿会发生在主结p⁺区磨角斜面处。此外，角度对终端击穿电压的影响较小，但会影响p⁺连通区处的电场强度。当角度较小时，空间电荷区展宽较大，p⁺连通区处的电场强度较低。

图7-32 场限环-负斜角复合结终端结构

表7-2为场限环-斜角复合结终端的击穿电压与其结构参数之间的关系。其中s₁和s₂分别表示主结与第1环结、第1环与第2环之间的掩模宽度。可见，随斜角增加，终端击穿电压有所下降，同时空间电荷区的扩展宽度减小，都可实现体内击穿电压（5078V）的98%以上，而传统的斜角结终端结构（即s₁=s₂=0），只能实现体内击穿电压的81%。这说明采用该复合结终端结构，可有效地分散结终端区的电场集中，从而大大提高结终端的击穿电压。

表7-2 场限环-斜角复合结终端的击穿电压与结构参数之间的关系

图7-33所示为负斜角为2.5°时场限环-斜角复合结终端与传统负斜角结终端在300K和420K下的击穿特性曲线。可见，复合结终端结构在常温下的击穿电压略低于体内击穿电压，但明显高于传统负斜角结构；在420K下场限环-斜角复合结终端的击穿电压接近体内击穿电压，也远高于传统结构，并且漏电流密度也稍低于传统负斜角结构。

图7-33 场限环-斜角复合结终端与传统斜角结终端及体内击穿特性的比较

2.阶梯掺杂延伸型复合平面结终端结构

阶梯掺杂延伸型复合平面结终端结构如图7-34所示^[43]，是通过离子注入及高温推进在CP-GCT主结外侧依次形成两级p和p^-延伸区，且第一级延伸区的掺杂浓度、结深比第二级延伸区的更高，只是宽度更窄。图中w₁和w₂分别表示两级延伸区掺杂窗口的宽度、d₁和d₂表示两级延伸区的深度、s₁和s₂分别表示主结与第一级延伸区和第一级与第二级延伸区的掩模宽度。这种复合结终端结构结合了结终端延伸、横向变掺杂以及场限环结构的设计思想，其耐压原理与单个平面结终端相似，通过选取合适的结深与各延伸区宽度及掺杂浓度，在减小曲率的同时，使两级延伸区pn结上的峰值电场强度与主结尽量接近，并承担最大的分压，从而提高终端耐压。

图7-34 阶梯掺杂延伸型复合结终端结构(www.xing528.com)

该复合结终端的击穿电压U_BRS随各结构参数的变化如图7-35所示，随w₁增加，U_BRS先增加而后减小；随w₂增加，U_BRS增加，且增加的幅度越来越小。随s₁和s₂的增加，U_BRS都是先增加而后减小，且当s₁=20μm、s₂=40μm时，U_BRS最大达到5149V。当d₁确定时，U_BRS随d₂的增加先增加后下降；当N_S1为5×10¹⁵cm^-3、N_S2为9×10¹⁴cm^-3时，U_BRS最大。由于实际工艺中结深与表面掺杂浓度有关，为了获得不同的结深，两级延伸区的表面掺杂浓度不宜相近。如果N_S1取在（1～3）×10¹⁶cm^-3、N_S2取在（7～9）×10¹⁴cm^-3，则终端击穿电压可达到体内击穿电压的90%以上。这说明该结终端结构参数所允许的工艺容差范围较宽，可以为器件的制作提供更大的自由度。

图7-35 终端击穿电压U_BRS随终端结构参数的变化

图7-36比较了在300K和420K下该阶梯掺杂延伸型复合结终端的击穿特性与体内击穿特性曲线比较。在300K温度下，终端击穿电压为5078V，达到体内击穿电压的95%，且高温漏电流较小。这说明采用该平面复合结终端不仅可以大大减小结终端面积，降低漏电流，同时提高器件的高温稳定性。

图7-36 阶梯形平面复合结终端击穿特性曲线

3.台阶形沟槽-场限环复合结终端

台阶形沟槽-场限环复合结终端结构如图7-37所示^[44]，是在主结外侧设置了两个宽度相同、但间距不同的场限环，并通过刻蚀工艺选择性地去除高掺杂浓度的部分p⁺区，使沟槽成台阶形。该复合结终端的耐压原理与场限环的基本相同，通过选择性地去除场限环表面重掺杂浓度的p⁺区，可有效地控制空间电荷区的电荷量，迫使其耗尽区扩展，以降低表面电场强度。在主结与两个场限环表面存在p⁺连通区，可使结终端弯曲度变小，有利于缓解表面电场集中。此外，为了提高结终端耐压的稳定性，将结终端阳极侧的p⁺区用n⁺区替代，使空穴的注入效率γ_p降为零，不仅可以有效缓解导通期间结终端区与有源区交界处的电流集中，而且可以显著降低结终端区的高温漏电流。

为了提高终端击穿电压，需要对槽深和环间距进行严格控制，确保击穿先发生于体内，从而降低表面因素对耐压的影响。通过仿真得到该复合结终端在300K和420K高温下的结终端击穿特性曲线如图7-38a所示。可见300K下的终端击穿电压为5050V，可达到其体内击穿电压的95.4%左右，且两者在高温下的漏电流密度接近。值得注意的是，若保持结终端尺寸不变（1.61mm）、将结终端阳极侧p⁺区改为n⁺区时，在300K下终端击穿电压上升到约为5190V，达到其体内击穿电压的98.1%左右，并且400K下的漏电流也显著减小。如图7-38b所示。可见，在终端阳极侧引入n⁺区，不仅可以提高终端耐压，而且可以大大改善其高温稳定性，但同时也增加了工艺难度。在逆导器件的终端设计中，采用这种终端结构，使终端阳极侧的n⁺区与二极管的阴极区同时形成，可以更好地发挥其优越性。

图7-37 台阶形沟槽-场限环终端结构

图7-38 台阶形沟槽-场限环复合结终端击穿特性曲线

相比较而言，场限环-负斜角复合结终端结构的终端击穿电压最高，且工艺简单，容易实现，但只适合圆形芯片。阶梯掺杂延伸型复合结终端与台阶形沟槽-场限环复合结终端结构工艺较为复杂，成本较高，但通用于圆形芯片和方形芯片。由于结终端结构参数与有源区密切相关，并取决于芯片制作工艺，需要严格控制采用，以达到预期目的。