文 | 顾远山
编辑 | 顾远山
超级布局造又称复合缓冲层构造(CB,Composite Buffer构造)是陈星弼院士1993年发明的一种由P柱型区域和N柱型区域交叠周期排列的耐压层构造。
与传统耐压层比较，超级结中由于内部横向PN结的存在，反向阻断状态下N柱型区域发出电场线大部分会汇入附近的P柱型区域，形成二维电场分布，使器件的横向尺寸上也承担了一定的电压，缓解了传统器件中Ron和Vb的抵牾。
因此超级布局造自发明之初就不仅仅勾留在理论研究，已被广泛的运用于VDMOS、IGBT、肖特基二极管等构造中，此外超级结在宽禁带材料中同样具有广泛的利用。
但是目前对付超级结与结型势垒掌握肖特基（JBS）二极管结合的理论和运用谈论却较少，而JBS二极管作为一种前辈当代功率二极管。
利用PN结的屏蔽效应改进肖特基二极管中的势垒降落效应，优化肖特基势垒高度，折衷导通功耗和反向阻断功耗，加深传统JBS的P+区深度，将超级布局造引入JBS二极管构造中。
能够进一步提高反向阻断特性，进一步减薄芯片厚度，降落通态压降、打破“硅极限”，因此对付超级结JBS二极管的研究是有必要的。
研究背景
随着新能源汽车、智能电网、轨道交通等领域快速发展，对功率器件的功率密度、频率的哀求越来越高，大量大功率高速开关器件如MOSFET、IGBT、碳化硅MOSFET等不断被运用于干系领域中，这些功率开关器件的不断发展对匹配利用的二极管器件提出了更高的哀求。
二极管须要在更小的体积下承受更大的电压，具有更快速的开关特性并具有更高转换效率。现阶段的双极型器件由于电导调制效应存在。
开关速率低、功耗高；单极型功率二极管由于“硅极限”的存在难以达到较大的功率，以是须要设计一种新型单极型二极管器件知足上述的哀求。
打算方法
2.1超级结 JBS 二极管的构造和事情事理
超级结JBS二极管元胞构造示意图如图1所示，超级结JBS二极管的阳极由肖特基打仗和其周围的P柱区域组成；P柱区域延伸至器件内部；N柱区域在肖特基打仗的下方。
N柱区域与P柱区域共同形成复合耐压层；基于对工艺、本钱等多方面考虑P柱区域不与N+衬底连接，N柱型区域与N+衬底连接；N+区域作为元胞衬底并由其引出器件的阴极。
传统JBS二极管在反向阻断模式下，通过P+区域在器件表面的肖特基打仗处形成势垒，屏蔽肖特基打仗，降落肖特基打仗处的电场，这有利于减小肖特基打仗处的势垒降落效应和热电场发射效应。
超级结JBS二极管将JBS二极管的P+区域结深加深至器件内部，靠近N+衬底的位置，如此大的P+区域结深有利于增加势垒的大小。
通过大结深大浓度的P柱区域与N柱区域共同构成超级布局造，引入电荷耦合效应，电离檀越的正电荷产生的电通量会被耦合出的P柱区域中电离受主的负电荷接管，电力线产生横向的流动，使纵向电场仅在很短的间隔发生衰减。
纵向的电场会呈现近似于矩形的电场分布，超级结JBS二极管内部电场分布优化为二维电场分布，使器件的横向尺寸上也可以承担一定电压，以是电荷耦合效应使得相同厚度的超级结JBS二极管可以承担更高的反向阻断电压。
2.2 超级结 JBS 二极管初始模型参数建立
为易于描述及谈论，建立300V耐压超级JBS二极管初始模型如图2。如图所示，初始模型中设置P柱区域掺杂浓度Np为1e16/cm-3；N柱区域掺杂浓度Nn为8e15/cm-3；器件总厚度为14μm；P柱区域结深为12μm；P柱区域宽度0.55μm；N柱区域宽度为0.7μm。
图中器件内部阴影部分为超级结JBS二极管的电荷耦合区域，在电荷耦合区域中的二维电场分布较为繁芜，只管已经存在一些超级结的二维电场解析理论，但是超级结JBS二极管构造、功能差异于普通超级结器件的事情事理。
一些最优的状态难以通过这些经典的解析模型给出，只能通过数值方法剖析，以是利用SILVACO软件对器件进行剖析、优化。
2.3 导通特性仿真
超级结JBS二极管正引导通时，导通电流既可以从P柱区域流过，也可以通过肖特基打仗由N柱区域流过，当超级结JBS二极监工作在较小的正向偏置电压时。
由于器件中PN结的开启电压大于肖特基打仗的开启电压，以是此时器件仅通过N柱区域导通电流，较小正向偏置电压下的超级结JBS二极管的电飘泊布如图4（a）。
当超级结JBS二极管的正向偏压连续增加时，P柱区域和N柱区域之间的PN结注入到N柱区域的少数载流子浓度增加，终极注入的少数载流子浓度会超过N柱区域浓度，形成大注入，此时超级结JBS二极管成为另一种器件——超级结MPS二极管。
图3（b）为超级结JBS二极管正向偏置电压较大时，器件已经变为超级结MPS二极管，超级结MPS二极管中的空穴电飘泊布。
如图3（b）中所示，超级结MPS二极管的阳极加载1V时，P柱区域向N柱区域大量注入空穴电流，已经形成大注入，高浓度的自由电子降落N柱区域电阻，形成器件中的电导调制效应
2.4 N 柱区域对正向特性影响
超级结JBS二极管的正引导通电流仅仅流过N柱区域，显然可以看出N柱区域浓度、N柱区域宽度越大越有利于正向电流的导通。
然而N柱区域宽度的增加会导致器件元胞宽度的增加，元胞宽度的增加使器件中能够引入的电荷量减少。增加器件的正引导通电阻Ron；N柱区域宽度过于小时。
不仅仅不利于正向电流导通还使器件中增加了寄生JFET效应，使器件的正引导通电阻Ron明显上升。
乃至会改变器件的击穿机理,以是N柱区域的浓度越大器件的导通电阻Ron越小，越利于正引导通电流的导通；N柱区域的宽度的减少会先使正引导通电阻Ron降落，随着寄生效应的增加使正引导通电阻Ron又开始快速增加。
2.5 P 柱区域浓度对正向特性影响
通过剖析超级结JBS二极管的正引导通过程显然可以看出，由于超级结JBS二极管正引导通时，电流紧张的导通通道为N柱区域，以是越大浓度的N柱区域浓度越有利于电流的正引导通。
当器件的宽度及厚度确定时，P柱区域浓度和P柱区域宽度对正引导通电流的影响不大，但P柱区域浓度和P柱区域宽度的优化不仅是影响超级布局造耐压的关键。
也是影响超级结JBS二极管的导通电阻的关键，以是将初始模型中超级结JBS二极管的P柱区域浓度从0.8e16/cm2增加到1.1e16/cm2。
图4为四种不同P柱区域浓度器件的正引导通特性仿真结果。通过图5的仿真结果可以看出：当超级结JBS二极监工作较低的正向偏置电压时，P柱区域不影响超级结的正引导通特性，当器件开始进入大注入状态，P柱区域浓度越大，正引导通电流越大。
既P柱区域浓度仅影响器件进入大注入后的正引导通电流，但是由于大注入状态不属于单极型器件范畴，器件的事情事理已不同于超级结JBS二极管，不做进一步的谈论。
结论
本文从超级结JBS二极管的事情事理出发，利用一种先根据需求的电流密度确定N柱区域浓度再匹配其他参数的设计方法设计了一种300V耐压的超级结JBS二极管。对超级结JBS二极管进行了仿真剖析，结果表明：超级结JBS二极管的N柱区域浓度及N柱区域宽度的增加均有利于器件导通特性。
为了兼顾阻断特性，首先根据器件实际正引导通电流密度哀求或空想的电流密度值和器件正引导通Ron确定N柱区域浓度和器件N柱区域宽度，在此根本上优化P柱区域浓度、宽度参数在最佳的电荷耦合范围。
超级布局造的加入改进了普通JBS二极管的二维电场分布，降落器件的尺寸；当超级结JBS二极管通过加大正向偏置电压，会导致PN结注入，产生电导调制效应。
进一步降落器件的导通电阻，形成另一种复合型二极管——超级结MPS二极管。通过超级结JBS二极管与普通JBS二极管、通用超级结二极管的仿真比拟可以创造。
在相同300V耐压条件下，超级结JBS二极管的N柱区域浓度、器件纵向尺寸等器件参数相较于普通JBS二极管均有较大的提升；超级结JBS二极管正引导通特性、反向阻断特性均远远优于普通JBS二极管。
反向泄露电流等参数乃至与通用超级结二极管这种双极型器件处于同一水平。以是超级布局造的引入不仅大幅优化了超级结JBS二极管的器件参数。
还对器件的性能大幅的提升，为进一步挖掘硅材料极限，增加功率器件功率密度，提升功率器件转换效率供应一种新的设计思路。
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