探索薄基区-缓冲层-透明阳极结构优化方案

具有缓冲层的功率半导体器件，其厚度较相同正向阻断电压的常规器件可减少30％，性能更为优异，二极管、GCT、GTO和IGBT等器件都有这样的设计实例，据此在RSD器件中引入缓冲层结构，以期更好地协调其通态与断态特性。

研究表明，前述可改善RSD开通特性的薄发射极理论，对RSD的快速关断也是有利的。在现代GCT、IGCT、IGBT等先进功率器件中，都涉及一种浅层阳极技术，它是一个厚度薄且掺杂浓度低的阳极发射区。因为关断过程中电子很容易穿透阳极，阳极相对电子而言就像“透明”的一样，所以又称透明阳极结构。

如图4-29所示，在RSD器件中探索“薄基区-缓冲层-透明阳极”的新结构，协调大功率超高速半导体开关RSD的通态、断态和开关特性。

图4-29 RSD的“薄基区-缓冲层-透明阳极”结构示意图

1.“薄基区-缓冲层-透明阳极”结构的特性分析

按照图4-30所示分别计算P＋N-N结构和P^＋ N结构的阻断电压，有如下3点假设：PN结为单边突变结；P^＋N结构与P^＋N^-N结构在相同的临界击穿电场E_max下击穿；W＜X_m，W为P^＋N^-N结构N-区的宽度，X_m为P^＋N结构的空间电荷区在N区的展宽。

图4-30 P^＋N^-N结构和P^＋N结构的阻断电压计算

对于普通P^＋N结构，阻断电压近似为

对于带缓冲层的P^＋N^-N结构，阻断电压近似为

令

则

令

则

K＝2η-η² （4-30）

令K＝0.8，解式（4-30）可得η＝0.553，对于普通P^＋N结

图4-31 两种结构N基区宽度与阻断电压的关系

取不同的数值，通过式（4-29）和式（4-31），可求得P^＋N结构的N基区宽度X_m和P^＋N^-N结构的N基区宽度W。图4-31表示了两种结构N基区宽度与阻断电压的关系，由图可见，在相同耐压等级下，缓冲层结构的芯片厚度明显小于常规结构，以2kV阻断电压为例，P^＋N^-N结构的N基区宽度可比P^＋N结构小49.4μm；而如果芯片厚度相同，缓冲层结构的阻断电压则显然更高，例如当N基区宽度同为280μm时，p^＋n结构的阻断电压计算值为3kV，而P^＋N^-N结构为4kV。X_m和W的二次方项与结构的损耗直接相关，将结果进行归一化处理后表示在图4-32中，所示也容易看出缓冲层的引入对减小通态损耗的作用。

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图4-32 两种结构归一化损耗与阻断电压的关系

透明阳极的特点是使输运到P^＋阳极区的电子在金属电极界面处复合而不引起空穴的注入。图4-33分别表示了P^＋NN^-和P^＋N结构的电流输运及能带示意图。P^＋NN-结构比普通P^＋N结多一个NN-高低结。在外加正向电压U下，对于P^＋NN^-结构，P^＋N结与NN-结所形成的内建电场E₁和E₂方向相反，在N缓冲层内形成了一个能带低谷。在外加正向电压U的作用下，P^＋NN^-结构势垒高度由原来的降低到。其中U_D和分别为热平衡时P^＋N结和NN^-结的内建电动势。对于传统的P^＋N结构，在电压U作用下，P^＋N结的势垒高度由qU′_D降低到q（U′_D-U），其中U′_D为热平衡时P^＋N的内建电动势。

图4-33 P^＋NN^-和P^＋N结构的电流输运及能带示意图

a）P^＋NN^-结构 b）P^＋N结构

对于P^＋NN^-结构，从电流输运的角度看，电子从N^-基区到达阳极要经过以下5个过程：穿过NN^-高低结低的空间电荷区，注入到N缓冲层；在N缓冲层的中性区漂移，到达P^＋N结空间电荷区的边界；穿过P^＋N结的空间电荷区，注入到P^＋发射区；在P^＋发射区的中性区边扩散边复合；在电极表面复合。前3个过程与穿过耗尽层的电子数多少有关，即与势垒高度有关；后两个过程与电子在P＋中性区的复合和输运以及在阳极表面的复合有关。对于P^＋N结构，N基区的电子输运到阳极只需要经过3个过程：穿过P^＋N结的空间电荷区；在P＋发射区的中性区边扩散边复合；在电极表面复合。

根据P^＋N结的电流输运关系，在P^＋发射区空间电荷区边界W_p处的电子电流密度J_n可表示为

式中，D_n为电子在透明阳极区的扩散系数；L_n为相应的电子扩散长度，由D_n和过剩电子寿命τ_n决定：δn_n→p为W_p处的过剩电子浓度。

由式（4-32）可见，阳极的电子电流密度取决于发射区空间电荷区边界处的过剩电子浓度以及电子在中性阳极区的扩散和复合。当外加电压一定时，W_p处的过剩电子浓度保持不变，则J_n主要取决于电子在中性阳极区内的扩散和复合。

令v_dn＝D_n／L_n为有效复合速率，则式（4-32）可表示为

对普通P^＋N结，阳极区较厚且掺杂浓度较高，满足t_p-W_p≫L_n，其中t_p为P^＋发射区与电极交界处，有效复合速率可表示为

v_dn＝D_n／L_n

对阳极区较薄的浅P^＋N结，t_p-W_p≤L_n，则有效复合速率为

v_dn＝D_n／（t_p-W_p）

而对透明阳极，发射区厚度很薄且掺杂浓度较低，中性阳极区比上述两种P^＋N结更短，满足t_p-W_p≪L_n，所以电子在中性阳极区的复合几乎可以忽略不计，即认为电子从W_p处扩散到阳极表面的欧姆接触处，浓度始终保持不变。由于欧姆接触处的载流子浓度通常维持在平衡浓度附近，所以要求透明阳极欧姆接触的复合速率必须很大。可以认为透明阳极的欧姆接触是“高表面复合速率”的欧姆接触，其有效复合速率v_dn用表面复合速率v_sn来描述，即v_dn＝v_sn。所以，过剩电子在普通阳极区内可以完全复合，而在透明阳极区内来不及复合，只能在阳极表面进行快速复合，抽取速度快，且不会引起空穴注入。

2.实验结果与讨论

对实验室制备某同批次管芯的阻断电压测试结果进行了统计，分布图如图4-34所示。在其他各项工艺相同的情况下，引入缓冲层结构的管芯阻断特性明显优于常规结构，主要的电压分布在1.4kV和1.5kV，还有11.8％的管芯阻断电压达到1.6kV。而常规结构中有36.8％阻断电压在1.0kV以下，最高值为1.5kV。此结果证明了同等芯片厚度条件下缓冲层结构对阻断特性的改善。

图4-34 缓冲层结构和常规结构的实验室制备管芯的阻断电压分布

a）缓冲层结构 b）常规结构

图4-35 缓冲层浓度对开通特性的影响

a）合理缓冲层浓度 b）缓冲层浓度偏高

需要注意的是，虽然提高缓冲层浓度、增加其宽度有利于对N^-基区的电场进行压缩，但同时也会减小P^＋-N-P等效晶体管的电流放大系数，降低发射效率，从而增加通态损耗。尤其对于透明阳极P^＋发射区掺杂浓度本来不高的情况下，要使其在RSD导通时对基区进行有效注入，必须将缓冲层的浓度和厚度控制在合适的范围。在新一代的GCT和IGBT器件中，通常将与透明阳极相结合的缓冲层称为电场截止层FS（Filed-Stop），它与通常所说的PT结构中的缓冲层有所区别，其具体的结构参数必须与透明阳极相配合。实验中一般控制RSD缓冲层浓度在10¹⁶～10¹⁷cm^-3、宽度在10μm左右。下面的实验结果很能说明这个问题：正常缓冲层工艺制作出的N层表面浓度用四探针法测得的mV数约在8～10mV，某次实验由于其中一片芯片扩缓冲层的一面贴于附着高浓度磷的硅舟上，得到的表面浓度mV数达0.29mV，结果该芯片开通一次后损坏，波形图如图4-35所示。开通条件为：主电压为3kV，预充电压为1.5kV，磁开关绕线3匝，负载为0.25Ω，分流器分流比为609A／V。其中图4-35a为同批次合理缓冲层浓度管芯堆体的开通波形，从电压波形看开通过程均匀，开通后管芯亦完好；图4-35b为缓冲层浓度偏高的管芯堆体开通波形，从电压波形可看到明显尖峰（圆圈标示），说明开通过程出现局部化，据分析此即为缓冲层浓度过高、影响导通过程阳极的有效注入所致，RSD损耗增大使图4-35b的电流峰值略小于图4-35a。