【正文】 另一方面，摻氮多晶硅是一種能防止多數(shù)離子污染和水滲透的有效阻擋層，所以，在功率器件中，使用摻氧SI。通過摻進(jìn)適當(dāng)?shù)难踉涌墒苟嗑Ч璧碾娮杪首兏?，最佳合氧量?5～30％，一般能得到最佳的器件特性。用摻氧可改變變多晶硅的電學(xué)性質(zhì)，膜的摻氧水平越低，達(dá)到的電壓就越高。在這種鈍化方法中，表面電場(chǎng)之所以能降低，是因?yàn)樵赟IPOS膜中流過的歐姆電流把結(jié)的型區(qū)的負(fù)電位傳到N型襯底的表面區(qū)，引起表面耗盡層展寬之故。這是一種低壓化學(xué)氣相淀職工藝，主要特點(diǎn)是所形成的膜為半絕緣性。 3) 半絕緣多晶硅鈍化膜 半絕緣多晶硅膜，簡(jiǎn)稱為SIPOS眼?；瘜W(xué)氣相淀積法，一般是采用硅烷或四氯化硅與氨(HN3)或聯(lián)氨(N2H4)在N2或H2的運(yùn)載氣氛中進(jìn)行熱分解，從而在硅表而獲得所需厚度的氮化硅膜，反應(yīng)式分別為 氮化硅膜與SiO2膜相比，主要優(yōu)點(diǎn)是介電常數(shù)高，對(duì)堿金屬離子(Na＋)的阻擋能力強(qiáng)，它的結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)硬耐磨，化學(xué)穩(wěn)定性也好，所以是一種優(yōu)良的介質(zhì)膜。利用硅表面在HFHNO3混合液中生成染色膜的液相鈍化技術(shù)也是可行的一種鈍化技術(shù)。由于是化學(xué)生長(zhǎng)的保護(hù)膜，與硅結(jié)合牢固緊密，鈍化效果好。此種方法簡(jiǎn)便，但SiO2膜的致密性較差，在高壓器件中使用時(shí)，還需在SiO2膜再覆蓋一層有機(jī)保護(hù)膜。生長(zhǎng)SiO2膜的方法有熱生長(zhǎng)和低溫淀積兩種，而適用于高壓大功率器件低溫成膜法有反應(yīng)濺射法和氣相鈍化法兩種所謂反應(yīng)濺射法，就是利用硅做陰極，在直流高壓低真空下（101~102mmHg），產(chǎn)生輝光放電，同時(shí)往真空室里通入少量純氧或氧與氬氣的混合氣。1) 氧化硅膜SiO2介質(zhì)膜是構(gòu)成整個(gè)硅平面工藝的基礎(chǔ)，它既是雜質(zhì)選擇擴(kuò)散的掩蔽膜，又是器件的表面保護(hù)層和鈍化膜。為方便起見，保護(hù)方法也可歸納兩大類，即無機(jī)保護(hù)和有機(jī)保護(hù)。硬鈍化一般是在最后一次的金屬化之前涂覆，因?yàn)橛测g化包括有高溫處理過程，這些硬鈍化包括玻璃材料、硅氧化物和多晶硅等幾種。這種技術(shù)首先用化學(xué)腐蝕去除表面造型引起的表面損傷，接著立即涂覆有機(jī)材料，然后再進(jìn)行固化處理。低壓小功率器件，通常采用平面工藝，這種工藝在硅表面形成薄的、熱生長(zhǎng)的SiO2層，然后在上面覆蓋一層磷硅玻璃。 (a) (b)圖2－18 PIN結(jié)構(gòu)的雙角造型（a）和平面臺(tái)面結(jié)構(gòu)（b） PN結(jié)的表面鈍化與保護(hù)在管芯密封之前，一般都要給器件的結(jié)表面涂覆保護(hù)層，這是因?yàn)楣杵谋砻骐妶?chǎng)很高，經(jīng)過表面造型過的斜角的斷面裸露空氣中，必須涂上一種介質(zhì)覆蓋層或鈍化層。在發(fā)生表面穿通時(shí)，就不是正斜角越小越好，而是斜角越小，表面穿通電壓越低，也即器件的耐壓也越低。但是，如果N區(qū)較窄，耗盡層可能擴(kuò)展到N+區(qū)，形成表面穿通。在低電壓時(shí)，N型層中耗盡區(qū)擴(kuò)展不寬，一般不會(huì)擴(kuò)展到N+區(qū)。但是，過小的正斜角會(huì)使有效陰極面積損失較多，影響導(dǎo)通電流的能力；當(dāng)反向電壓較高時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生表面穿通；而且高阻耗盡層暴露過寬，容易受到沾污二發(fā)生穿通。 整流管的表面造型1. 普通整流管普通整流管是指非穿通結(jié)構(gòu)的整流管，一般采用單正斜角造型。通過再主結(jié)周圍采用多個(gè)電場(chǎng)環(huán)的方法，可以達(dá)到進(jìn)一步提高平面結(jié)擊穿電壓的募得。于是，對(duì)于有兩個(gè)環(huán)的結(jié)構(gòu)其擊穿電壓變?yōu)? （2－70）式中Vpto是主結(jié)到第一個(gè)環(huán)結(jié)的穿通電壓，Vpt1是從場(chǎng)限環(huán)1到場(chǎng)限環(huán)2的穿通電壓，Vt2是由任何曲率效應(yīng)二引起的轉(zhuǎn)折電壓。第一個(gè)場(chǎng)限環(huán)的位置可以這樣考慮：即當(dāng)主結(jié)的電場(chǎng)達(dá)到臨界擊穿電壓值以前，就讓主結(jié)的耗盡層穿通到浮空?qǐng)鱿蕲h(huán)。場(chǎng)限環(huán)是擴(kuò)散形成PN結(jié)的同時(shí)，在其周圍做同樣摻雜的一個(gè)環(huán)形成的，不必增添任何工藝。如果負(fù)電荷面密度足夠高時(shí)，可能導(dǎo)致N型表面形成反型層（溝道），使器件漏電流增加和低壓擊穿，所以在玻璃鈍化時(shí)控制負(fù)電荷是重要的。隨著表面電荷面密度增加，表面電場(chǎng)減小。在負(fù)斜角很小時(shí)，正電荷對(duì)表面電場(chǎng)的影響大為減弱。的負(fù)斜角，在正表面電荷作用下，耗盡層表面形狀發(fā)生了改變。但對(duì)擊穿電壓在(15)kV的器件，原始單晶的電阻率很高，表面電荷的影響不可忽略。多數(shù)情況下，表面輪廓可使最大電場(chǎng)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，而改變介電常數(shù)只能降低30％左右。因此，結(jié)兩邊的有效摻雜水平很低，使得在表面的空間電荷區(qū)增寬，從而使電場(chǎng)減小。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，介電質(zhì)內(nèi)感應(yīng)的偶極子將沿電場(chǎng)方向定向，這種定向的影響可等效為一個(gè)大的偶極電荷，一邊為正電荷，另一邊為負(fù)電荷。介電常數(shù)由1相對(duì)增大4時(shí)，表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)下降。而表面電場(chǎng)降低的程度強(qiáng)烈地取決于重?fù)诫s的斷面分布，顯然平緩的深擴(kuò)散結(jié)有利于得到較低表面電場(chǎng)，因此，負(fù)斜角造型時(shí)，應(yīng)采用深擴(kuò)散低濃度梯度才有利。因而使用負(fù)斜角，最大能限制在4000V左右。由于對(duì)擊穿電壓再4000V以上的器件，要求負(fù)斜角小于1176。圖2－16 采用負(fù)斜角，峰值電場(chǎng)與離表面距離的關(guān)系★結(jié)附近雜質(zhì)濃度及分布的影響當(dāng)輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度較小時(shí)，體內(nèi)的雪崩擊穿電壓得到提高。因?yàn)榇伪砻骐妶?chǎng)仍舊高于體內(nèi)電場(chǎng)，所以器件依然不能達(dá)到理想的擊穿值。模擬計(jì)算結(jié)果表明，負(fù)斜角造型有一個(gè)與正斜角造型不同的重要特點(diǎn)，即電場(chǎng)不是單調(diào)地從表面向體內(nèi)減弱，而是如圖2－16所示，而且此處的電場(chǎng)強(qiáng)度比體內(nèi)的還要大一些。這是因?yàn)樵谳p摻雜（N）一側(cè)耗盡層縮小到PN結(jié)處已被固定，隨負(fù)斜角的再減小，而重?fù)诫s（P+）側(cè)耗盡層擴(kuò)展繼續(xù)增大的結(jié)果。（[美] , 《功率半導(dǎo)體器件工作原理和制造工藝》 , 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1982年09月第1版 , 第60頁）2）負(fù)斜角負(fù)斜角就是表面斜角使結(jié)的面積由高濃度向低濃度區(qū)增大，即斜角削去部分主要在高濃度邊，如圖2－15所示，空間電荷區(qū)在輕摻雜（N）區(qū)被壓縮，而在重?fù)诫s（P+）區(qū)則擴(kuò)展。因而，對(duì)所有高壓結(jié)都選擇這一技術(shù)?？傊?，正斜角能使空間電荷區(qū)表面展寬，顯著地減小表面電場(chǎng)，從而提高表面擊穿電壓，所以采用正斜角較為有利。由此看出，正斜角θ越小，表面電場(chǎng)越弱。圖2－13 正斜角的表面電場(chǎng)正斜角之所以可以降低表面電場(chǎng)，是由于表面有一定的斜角，為了保持電荷平衡，結(jié)的輕摻雜邊耗盡層必須沿表面擴(kuò)展，其結(jié)果使表面空間電荷區(qū)寬度xs大于體內(nèi)空間電荷區(qū)寬度xB，如圖2－14所示，從而使表面電場(chǎng)降低。 ★最大電場(chǎng)值隨傾斜角減小單調(diào)地下降 ★最大電場(chǎng)的位置隨傾斜角減小而離開合金結(jié)和進(jìn)入輕摻雜的一側(cè)。圖2－13表示在600伏反向偏壓下的這種突變P+N結(jié)，圖中還示出了沿不同正傾斜角表面計(jì)算得到的電場(chǎng)強(qiáng)度值。一般可采用保護(hù)環(huán)、場(chǎng)板、耗盡層腐蝕及結(jié)延伸給予改善1. 表面斜角造型技術(shù) 電力半導(dǎo)體器件廣泛采用斜角造型以提高表面耐壓。 對(duì)于大面積、深結(jié)的電力半導(dǎo)體器件，結(jié)的末段常常延伸至表面，通常采用斜角結(jié)構(gòu)以降低表面電場(chǎng)。為提高器件的表面耐壓，一避免電場(chǎng)局部集中，使表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻。在外加很高反向電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)存在很強(qiáng)的電場(chǎng)，當(dāng)結(jié)表面有沾污或損傷（如工藝過程中的碰、撞等造成掉邊、裂紋、劃道等）時(shí)，更容易形成電場(chǎng)局部集中，使表面首先發(fā)生擊穿。 表面PN結(jié)的擊穿主要是表面電場(chǎng)增強(qiáng)的結(jié)果。反之，則由體內(nèi)PN結(jié)的擊穿電壓決定。表面和體內(nèi)PN結(jié)對(duì)器件耐壓的影響可以用如圖2－12所示的圖2－12表面PN結(jié)與體內(nèi)PN結(jié)的等效電路與特性 等效電路說明。在表面附近空間電荷區(qū)發(fā)生彎曲，這種彎曲還會(huì)受到表面電荷的影響，使表面空間電荷區(qū)進(jìn)一步彎曲。下面著重討論正、負(fù)斜角造型并介紹其它技術(shù)，分析其影響因素，對(duì)電力器件的表面保護(hù)技術(shù)做簡(jiǎn)要闡述。為了獲得穩(wěn)定的體內(nèi)雪崩擊穿特性，必須降低表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，使表面擊穿電壓高于體內(nèi)雪崩擊穿電壓。 表面造型與保護(hù) 以上所述都是體內(nèi)PN結(jié)的擊穿現(xiàn)象。由此表明,在擊穿電壓VPT一定時(shí),有一個(gè)最小的基區(qū)寬度WI,而且必須在電阻率為ρno的條件下,實(shí)現(xiàn)理想的平行平面結(jié)的擊穿,才有可能達(dá)到耐壓要求。（王彩琳 聶代祚 平面型電力半導(dǎo)體器件擊穿電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì) 半導(dǎo)體技術(shù) 1997年第6期 40~44）圖2－10 穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓VPT隨電阻率的變化關(guān)系根據(jù)（2－65）式，由dwI/dρn=0，求得當(dāng)ρn=ρno時(shí)，wI最小值為 (266)此時(shí)， (267)圖2－11穿通結(jié)構(gòu)二極管的擊穿電壓隨最佳電阻率ρno及最佳基區(qū)寬度wIm的關(guān)系式中,VPT的單位為kV,WI的單位為μm,ρno的單位為Ω其耐壓設(shè)計(jì)過程如下：1) 由可重復(fù)峰值電壓VRRM確定PIN整流管的穿通電壓VPT (260)2) 確定滿足耐壓，并且使I(N)區(qū)厚度最小的I區(qū)電阻率ρno和最小的 I區(qū)厚度wIm 通過前面的分析，我們知道 (261)式中 （2－62） (2－63) （2－64）將（2－64）代入（2－63）在代入（2－61）得 （2－65）當(dāng)基區(qū)厚度wI一定時(shí),穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓VPT在電阻率ρn不太高的情況下,隨電阻率ρn的增加而增加,但并不是單調(diào)遞增的關(guān)系,當(dāng)電阻率達(dá)到一定程度時(shí),電阻率的增加反而會(huì)使擊穿電壓下降,其中存在一個(gè)峰值VPTmax,如圖2－10所示。4) 確定N區(qū)的厚度wN 為確保wN＞xmB，wN取值為 (259)2. 穿通結(jié)構(gòu)二極管（PIN）的耐壓設(shè)計(jì) 穿通結(jié)構(gòu)二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是高阻區(qū)（I區(qū)）為低摻雜的N區(qū)或P區(qū)，而且I區(qū)的寬度小于雪崩擊穿時(shí)空間電荷區(qū)在該區(qū)的展寬，即I區(qū)全部為空間電荷區(qū)，其電場(chǎng)分布如圖2－8所示。設(shè)計(jì)步驟如下：1) 由可重復(fù)峰值電壓VRRM確定整流管的不重復(fù)峰值電壓VRSM(即雪崩擊穿電壓VB) (256)2) 由雪崩擊穿電壓VB確定N區(qū)的電阻率ρn (257)式中C=94~106。P＋和N＋的作用在于改善整流管正向特性和金屬形成歐姆接觸。圖2－8 穿通結(jié)的電場(chǎng)分布 功率二極管的結(jié)構(gòu)主要有普通的P+N結(jié)結(jié)構(gòu)（即非穿通結(jié)構(gòu)）和PIN結(jié)構(gòu)（即穿通結(jié)構(gòu)），下面分這兩種情況討論二極管耐壓的設(shè)計(jì)。 圖2－8示出了這種二極管擊穿時(shí)的電場(chǎng)分布，圖中虛線為假定耗盡層不穿通的情形；因而三角形表示突變P+N結(jié)擊穿時(shí)的電場(chǎng)分布，假定選用相同摻雜的材料，擊穿時(shí)具有相同的最大電場(chǎng)Ecr，因此兩種結(jié)構(gòu)的擊穿電壓之比等于相應(yīng)面積之比，由圖2－8得到 (254)若令η＝wI/xB，上式可寫為 (255) 式中η＝wI/xB＜1。在通常采用的P+NN+（由于N區(qū)的摻雜濃度很低，所以又稱為PIN結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)中，輕摻雜濃度的之間區(qū)較薄，做成穿通結(jié)構(gòu)。 P+NN+二極管的擊穿電壓 前面曾指出，采用P＋－N結(jié)構(gòu)，輕摻雜區(qū)較寬，耐壓能力得到提高，但正向壓降大，功耗增加；另外，材料利用率不高。 對(duì)于平行平面結(jié)，單邊突變P＋N結(jié)的情況，施加反向電壓后，空間電荷區(qū)的展寬主要在輕摻雜區(qū)一側(cè)。因此，本節(jié)將討論二極管的擊穿電壓的計(jì)算及二極管阻斷特性的設(shè)計(jì)。 二極管的反向耐壓特性與耐壓設(shè)計(jì) 電力半導(dǎo)體器件的反向擊穿電壓是它的重要特性之一，而且擊穿電壓同最大正向電流一起決定了器件的功率容量。在電力電子應(yīng)用技術(shù)方面，要求快速二極管具有軟恢復(fù)特性，此鐘情況下，除了采取減小基區(qū)寬度和降低少子壽命的技術(shù)外，還可從擴(kuò)散的雜質(zhì)分布和結(jié)構(gòu)方面來控制。 低頻工作的功率整流管的關(guān)斷時(shí)間并不重要，但對(duì)快速二極管，對(duì)反向恢復(fù)時(shí)間有一定要求，希望盡量短些。 由圖2－7（b）看出，在t=tOL時(shí)，基區(qū)中移去的電荷QL和QR分別從左邊和右邊流出，因而有 （2－45）如果曲線段AB按直線近似，那么 （2－46）基于上述分布，反向電流 （2－47）由電荷控制原理得到 （2－48）聯(lián)立上述三式得到 （2－49）由式（2－20）求出n(d)代入上式得到 (250)類似方法得到 （2－51） 以上分析可知，要減小反向恢復(fù)時(shí)間，就要減小正向時(shí)的儲(chǔ)存電荷和提高反向時(shí)對(duì)儲(chǔ)存電荷的掃出速度、減小正向時(shí)的儲(chǔ)存電荷勢(shì)必增加正向電阻，所以主要是提高儲(chǔ)存電荷消失的速度來縮短關(guān)斷時(shí)間。直到t=t3，二極管反向電流減小到反向飽和電流，近似承受反向電壓為止。I區(qū)中的非平衡載流子并未完全消失。 二極管反向恢復(fù)過程中，載流子的變化如圖2－7所示?？梢姡O管的PI結(jié)將首先形成空間電荷區(qū)，承受一部分反向電壓，它所對(duì)應(yīng)的時(shí)間是t1。對(duì)硅而言，μn=3μp，所以， （2－44）因此，PIN二極管陽極側(cè)移出的電荷要比陰極側(cè)快得多。反向電流是由中間基區(qū)流入P區(qū)的空穴和流入N區(qū)的電子維持，這個(gè)反向電流要持續(xù)到一個(gè)結(jié)上開始形成空間電荷為止。在t＝0時(shí)刻，對(duì)二極管施加反向電壓VR，I基區(qū)中儲(chǔ)存的載流子改變運(yùn)動(dòng)方向，以反向電流形式流出，反向電流IR=VR/R。圖2－6 PIN二極管反向恢復(fù)過程中，電流、電壓的變化在t≤0時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，其穩(wěn)態(tài)正