（微电子学与固体电子学专业论文）功率肖特基二极管的可靠性研究.pdf

摘要 摘要 肖特基二极管( s b d ) 作为中、低功率d c d c 电源模块内整流器件的主要 选择，广泛应用于航空航天和舰载武器装备中。由于工作中s b d 的高功耗以及 由此引起的自升温，其可靠性受到严重影响，是电源模块中最容易失效的器件之 一。目前对s b d 进行可靠性评价主要是依照国军标5 4 8 a 、美军标1 0 1 6 等恒定 应力加速寿命试验评价方法，其缺点为所需的样品较多、时间较长、费用高、效 率低，不适于快速评估目前可靠性要求较高的s b d 器件。而恒定电应力温度斜 坡法( c e t i 蝴) 能够很好的解决上述问题。 本文使用恒定电应力温度斜坡法( c e t r m ) 评价了d c d c 电源模块中关键 器件s b d 的可靠性，主要进行了以下三方面的工作： ( 1 ) 在高温条件下，通过测得s b d 在高温环境下的i v 特性曲线，提取出 各支管子的理想因子刀和势垒高度吼这两个主要参数，得出s b d 的理想因子刀 随着温度的增加而减小，势垒高度驴占随着温度的增加而增加的结论；通过s b d 在高温环境下的c - v 特性曲线，提取出各支管子势垒高度口口，得出的势垒高度 由曰随着温度的增加而减小。这个变化趋势与通过i v 特性曲线提取出的势垒高 度的变化刚好相反。 ( 2 ) 利用红外热像仪对s c 0 7 0 h 1 5 0 as b d 正、反向工作时的芯片表面温度 扫描。虽然s b d 在反向工作时，流经s b d 的反向电流很小，但反向工作时s b d 的芯片表面温度分布不均匀，局部的峰值温度超过s b d 正向工作时的芯片温度。 所以s b d 在反向工作时的失效不容忽视。 ( 3 ) 利用温度斜坡法模型，对s c 0 7 0 h 1 5 0 as b d 进行直流电应力、序进温 度应力加速寿命试验，得到s b d 反向漏电流厶、势垒高度中口以及理想因子刀 的退化曲线，确定出失效敏感参数为反向漏电流厶，并在失效机理一致的温度范 围内求出了3 只样品的失效激活能：如l = 1 0 2 e v ，e o = 0 9 8 e v ，e c 4 = 1 0 7 e v ；外 推出室温工作时样品的寿命分别为f c l = 8 9 8 1 0 7 1 1 r ，f 0 = 4 8 l o 7 h r ，t c + = 3 6 5 1 0 71 1 r 。证明了温度斜坡法可以用于预测大功率s b d 的寿命。 ( 4 ) 分析s b d 退化原因如下：高温下s b d 特性退化的主要原因为钠离子 沾污使保护环内形成一个反型层；s b d 在加速寿命试验中特性退化的主要原因 是a 1 s i 界面处出现s i 向a l 中的固态溶解。通过对失效的s b d 进行光发射显微 镜扫描，发现s b d 在反向电压下保护环处电场高，容易发生失效。 关键词可靠性；温度斜坡法模型；激活能；寿命 a b s t r a c t i i；1 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼苎! 曼皇曼曼曼鼍曼皇曼曼曼鼍曼曼皇蔓! 曼! ! ! 鼍! 蔓曼! 蔓! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼量 a b s t r a c t a sam a i nc h o i c eo ff i l t e rr e c t i f i e ri nm e d i u ma n dl o wp o w e rl e v e ld c d cp o w e r s u p p l ym o d u l e ，s h o t t k yb a t t i e rd i o d e s ( s b d ) i sw i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c ea n d t h es h i p b o r n ew e a p o ne q u i p m e n t t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ts e r i o u s l ya f f e c t st h e r e l i a b i l i t yo fs b d ，w h e r es b ds u f f e r e dh i g l lv o l t a g e ，h i g l lc u r r e n t a n dh i g h s e l f - h e a t i n g i ti so n eo f t h em o s te a s yd i s a b l e dc o m p o n e n t si nd c d cp o w e rs u p p l y m o d u l e t h ep r e s e n tm e t h o d so na p p r a i s a l r e l i a b i l i t yo fs b dc r i t i c a l l yr e l yo n c o u n t r ym i l i t a r ys t a n d a r d5 4 8 a ，t h ea m e r i c a nm i l i t a r ys t a n d a r d10 16 ，a n ds oo n h o w e v e r , t h e yr e q u i r em a n ys a m p l e s ，l o n gt e s t i n gt i m ea n dh i g hc o s tw i t hr e s u l t i n gi n l o we f f i c i e n c y s oi t sn o ts u i t a b l et oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo ft h es b dw h i c hh a s l o n gl i f e t i m ea n dh i g l lr e l i a b i l i t y t h ec e t r m ，h o w e v e r , i tc a ns o l v et h o s ep r o b l e m s e x a c t l y m e t h o d ( c e t r m ) i su s e di n t h i sp a p e rt oa p p r a i s a lt h er e l i a b i l i t yo ft h e s b d ，w h i c hi su s e di nd c d cp o w e rm o d u l e s t h i sp a p e rh a sm a i n l yc a r r i e do n f o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： f i r s t l y , b a s e do nt h et e s t i n go fs b d si va n dc vc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e su n d e r h i g ht e m p e r a t u r e ，t h eh i g i lt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs b dw a ss t u d i e d s b d p a r a m e t e r ss u c ha sb a r r i e rh e i g h ta n di d e a l i t yf a c t o rw e r ee x t r a c t e df r o mt h ei - v c h a r a c t e r i s t i cc u l v g s t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h eb a r r i e rh e i g h ti n c r e a s e sa n dt h e i d e a l i t yf a c t o rd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e s c o n t r a r yt oi - vt e s t i n g , s b dp a r a m e t e re x t r a c t e df r o mt h ec - vc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ss h o w e dt h a tb a r r i e r h e i g h td e c r e a s e sw i t ht h et e m p e r a t u r e si n c r e a s e s s e c o n d l y , i n f r a r e dt h e r m a li m a g e rw a su s e dt os c a nt h ec h i ps u r f a c et e m p e r a t u r e o fs b d t h es c a nr e s u l t ss h o wt h a tt h es b d c h i ps u r f a c et e m p e r a t u r ei sd i s t r i b u t i o n u n e v e n l ya n dt h ep e a kt e m p e r a t u r ei ns o m ea r e a si sh i g h e rt h a nt h a to fp o s i t i v e o p e r a t i o n ，a l t h o u g ht h er e v e r s ec u r r e n ti sv e r ys m a l lw h e ns b do p e r a t e su n d e r r e v e r s ev o l t a g e a sr e s u l t ，t h ef a i l u r eo fs b do p e r a t i n gu n d e rr e v e r s ev o l t a g ei s i n d i s p e n s a b l e t h i r d l y , b a s e do nc o n s t a n te l e c t r i c a l s t r e s sa n dt e m p e r a t u r er a m ps t r e s s m e t h o d ( c e t r m ) ，t h ed i r e c t c u r r e n te l e c t r i cs t r e s sa n dt e m p e r a t u r er a m pl i f e a c c e l e r a t i o nt e s th a sb e e nc a r r i e do ns c 0 7 0 h15 0 asb d t h et e s to b t a i l l 8t h e d e g e n e r a t e dc a l v e so fs b dr e v e r s ec u r r e n tl r b a r r i e rh e i g h t 西ba n di d e a lf a c t o rn 1 i i - 北京工业大学工学硕士学位论文 t h ef a i l u r es e n s i t i v ep a r a m e t e ri s 厶t h e ng e t sf a i l u r ea c t i v a t i o ne n e r g i e s o f3 s a m p l e s ：e c t = 、0 2 e v , e c l = ：0 9 8 e v , e c 尸1 0 7 e vi nt h ef a i l u r em e c h a n i s mc o n s i s t e n t t e n l p c r a t u r er a n g e ；t h ea v e r a g e l i f e t i m e a r e l c 尸8 9 8 1 0 7 h r , f c j = 4 8 10 h r , f 萨3 6 5 x10 7 h ra tr o o mt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y i tp r o v e st h a tt h ec o n s t a n te l e c t r i c a l s t r e s sa n dt e m p e r a t u r er a m ps t r e s sm e t h o dc a nb ea p p l i e di n t h eq u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o no nt h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs b d a tl a s t ，t h ed e g e n e r a t i o nm e c h a n i s m so fs b d a r e ：t h em a i nr e a s o nl e a d st os b d c h a r a c t e r i s t i c sd e g r a d a t i o ni nh i g ht e m p e r a t u r e ，w h i e ht h ef o r m a t i o no fi n v e r s i o n l a y e ri ng u a r dr i n gi sa f f e c t e db ys o d i u mi o n w h i l s t ，t h em o s ti m p o r t a n tr e a s o no f s b dc h a r a c t e r i s t i c sf a i li nt h ea c c e l e r a t e dl i f et e s ti ss i s o l i dd i s s o l v e di na 1i nt h e s u r f a c eo f a l s i a c c o r d i n gt os c a n n i n gt h ef a i l e ds b db yp h o t o e m i s s i o nm i c r o s c o p e ， t h er e s u i t ss e tu pt h a tu n d e rt h er e v e r s ev o l t a g et h ee l e c t r i cf i e l dn e a rg u a r dr i n gi s v e r yh i g hw h i l es b d i se a s yl e a d st ot h ei n e f f e c t i v e k e yw o r d sr e l i a b i l i t y ；c o n s t a n t e l e c t r i c a ls t r e s sa n dt e m p e r a t u r er a m ps t r e s s m e t h o d ( c e t r m ) ；a c t i v a t i o ne n e r g y ；l i f e t i m e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 瑟熟日期：迦盟：主：刭 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趑导师签名：彪日期幽：塑 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 d c d c ( 直流直流转换) 电源模块是一种运用功率半导体开关器件实现 d c d c 功率变换的开关电源【ij 。它广泛应用在电机拖动、不间断电源、加热与照 明、电化学、电弧焊、高压直流输电、有源滤波、无功补偿、计算机、通信等工 业领域中【2 1 。在军事领域中，d c d c 电源模块以其体积小、重量轻、功率密度高、 转换效率高、可靠性高等优点，广泛应用于军事电子控制系统，如车载、机载、 舰载和地面的武器装备中。作为电力电子技术的一个重要分支，开关电源在欧、 美、日等世界各国，得到广泛的研究，正在以前所未有的速度，朝着轻型、高效、 高频、模块化和集成化的向发展。 在d c d c 模块电源结构中主要的元器件有：脉宽调制器( 控制转换效率) 、 光耦合器( 输入与输出隔离，避免前后级干扰，并把取样信息传递给p w m ，保持 输出电压的稳定) 、v d m o s ( 功率转换部件，利用其良好的开关特性提高转换效 率) 和肖特基二极管( 整流输出，是功率输出的主要部件) 。 本课题是北京工业大学微电子可靠性实验室与电子4 3 所合作的关于 d c d c 模块电源可靠性”项目中的一部分。该模块为h h w x x x x 型，已广泛应 用于我国的武器装备系统。d c d c 模块的原理图如下所示： 图1 1电源模块的组成 f i g 1 - 1t h ep a r t m e n t so f p o w e rs u p p l ym o d u l e 北京工业大学工学硕士学位论文 该模块的主电路图为： + p 倒l l ， u u 1 一斋曹w 野w v w 。i v v n ： - 图1 - 2d c d c 电源模块的主电路图 f i g 1 - 2t h em a i nc i r c u i to fd c d cp o w e rs u p p l ym o d u l e 图1 2 中的s c 0 7 0 h 1 5 0 a 即为h h w x x x x 模块中用作整流输出的肖特基二 极管。 4 3 所统计的近五年来( 2 0 0 1 - - 2 0 0 5 年共5 9 0 0 支) “关于h h w x x x x 产品 失效统计分析情况”的报告结果说明，该模块中，肖特基二极管是该模块可靠性 的薄弱环节和关键环节，是失效发生率最高的元器件之一。这主要是因为： ( 1 ) 感性负载，在开关过程中电流( d i d t ) 、电压( d v d t ) 变化很大，极易导致器 件损伤；当芯片焊接质量差，更会加速这一过程； ( 2 ) 大电流时易产生电迁移； ( 3 ) 开关损耗和导通损耗大，且为主要的热源之一。 1 2 课题的研究意义 半导体器件是开关电源中的关键器件也是最容易失效的器件，因此，对半导 体器件可靠性的研究具有重要的意义。随着科学技术和工艺水平的不断发展，半 导体器件和集成电路的可靠性水平越来越高：另一方面，由于竞争日趋激烈，产 品更新换代的速度越来越快，研制生产的周期越来越短，这就使得现行标准及常 规评价方法已不能满足需要。新产品研制和旧产品性能改进的周期缩短至l 至2 年或更短。如何快速评价这些器件、产品的可靠性水平( 如失效机理、寿命、失 效率、标准偏差等等) ，及时提供相关的可靠性信息，已成为十分迫切需要解决 的问题。 针对半导体器件可靠性评价中所存在的以上问题，本课题的研究具有如下实 践和理论意义： ( 1 ) 本论文针对d c d c 电源模块中关键器件肖特基二极管( s h o t t k yb a r r i e r d i o d e ，s b d ) 可靠性低的现状，利用恒定电应力、序进温度应力的温度斜坡加 第1 苹绪论 速寿命试验，得到s b d 失效过程中各参数的动态退化数据，并利用温度斜坡法 模型得到s b d 的失效激活能、寿命等可靠性评价指标，对于航天和军工领域 d c d c 电源模块整体性能的评价和提高具有重要的指导意义； ( 2 ) 针对高温环境对功率s b d 器件性能影响较大的问题，研究了功率s b d 在高温环境下，其主要参数随温度的变化情况； ( 3 ) 利用红外热像仪对功率s b d 器件进行温度扫描。得出了h h w x x x x 型 电源模块所使用的s c 0 7 0 h i s o as b d 芯片在正、反向工作时的温升数据。 本实验所采用的恒定电应力、序进温度应力的温度斜坡法源自序进应力加速 寿命试验，相对常规方法具备以下优点： ( 1 ) 大大缩短试验时间： ( 2 ) 可以得到在失效变化过程中，不同时间段的不同激活能，便于掌握产品随 应力而发生失效的形式、失效模式和失效机理的变化，能够对多失效机理进行研 究。常规方法是对寿命进行统计，得到一个平均寿命和激活能，不便于观察产品 安全承受应力的范围、发生失效的应力水平及产品特性值随应力退化的趋势分布 等有关应力余量的问题； ( 3 ) 所需要样品少，可对一组样品多个不同温度段进行积分运算，得到其外推 寿命和激活能，而不是通常需要的多组样品； ( 4 ) 帮助确定筛选条件，为制定合理的筛选方案提供依据。 由此可见，恒定电应力、序进温度应力的温度斜坡法可以为器件的改进及时 提供信息，对于器件的生产、推广和使用都具有重要意义。对于量少、质高、价 格昂贵、制造周期短的器件，特别是为军工和重点工程配套的元器件更具有特殊 意义。 1 3 国内外研究现状 肖特基二极管具有开关频率高、正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较 低，以致于限制了其应用范围。像在开关电源( s m p s ) 和功率因数校i e ( p f c ) 电路 中作为功率开关器件的续流二极管、变压器次级中l o o v 以上的高频整流二极管、 r c d 缓冲器电路中的6 0 0 v - - 1 2 0 0 v 高速二极管以及p f c 升压用6 0 0 v a - - 极管等，只 有使用快速恢复外延二极管( f r e d ) 和超快速恢复二极管( u f r d ) 。目前u f r d 的 反向恢复时间也在2 0 n s 以上，根本不能满足像空间站等领域用1 m h z , 3 m h z 的 s m p s 需要。即使是硬开关为l o o k h z 的s m p s ，由于u f r d 的导通损耗和开关损耗 均较大，壳温很高，需用较大的散热器，从而使s m p s 体积和重量增加，不符合 小型化和轻薄化的发展趋势。长期以来，发展i o o v 以上的高压肖特基二极管， 一直是人们研究的课题和关注的热点。近几年，肖特基二极管已取得了突破性的 进展，1 5 0 v 和2 0 0 v 的高压肖特基二极管已经上市，使用新型材料制作的超过 北京工业大学工学硕士学位论文 1 0 0 0 v 的肖特基二极管也研制成功，从而为其应用注入了新的生机与活力d 】。 在s b d 金属接触的边缘，由于电力线集中，电场强度增加，因而隧道效应 明显，导致反向漏电流增加，反向特性变“软”，使击穿电压大大低于平面结。为 了降低甚至消除金属电极的边缘效应，提高结边缘的击穿电压，除了采用不使用 电荷积累的表面工艺外，并提出了多种旨在改变耗尽层边缘的曲率效应的终端结 构。目前最常用的两种s b d 的终端结构如图1 3 所示。图1 3 ( a ) 所示的结构为金 属场板结构。这种结构的特点是将势垒金属扩展到金属边缘的氧化层上。由于场 板所加电压的作用，电场力迫使表面耗尽层扩展到场板边缘之外，大大减小了耗 尽层的曲率，并使高电场点远离肖特基结。实验发现，若金属极板上再淀积一层 高腐蚀率的磷硅玻璃，就会显著地改善击穿特性【4 l 。 另一种方法是通过局部氧化的平面工艺，在金属电极边缘处形成一层二氧化 硅。最常用的方法是在肖特基势垒金属的边缘扩散一p 型场环( 图1 3 ( b ) ) 。该场 环能明显减小边缘处的电场强度d j 。 ( a ) 属 图1 3 两种常用的终端结构 f i gl 一3t w ok i n d so ft e r m i n a ls t r u c t u r e 虽然目前，肖特基二极管正向着大功率、高耐压、高频率方面发展，但对于 肖特基可靠性方面的研究，尤其是国内，却报道得很少。鉴于目前肖特基二极管 的用途广泛，故从器件可靠性物理角度对它进行分析，是十分必要的。 1 4 课题主要研究内容 本课题是总装备部十一五预研项目的部分内容，论文类型属于应用基础研 究。 本论文主要研究内容分为以下几部分： ( 1 ) 分析模块电源中肖特基二极管的敏感参数、失效机理和失效模式。 ( 2 ) 选择合适的肖特基二极管参数提取方法，根据所测得的肖特基二极管特 性曲线，提取出二极管的敏感参数； 第1 覃绪论 liii ( 3 ) 建立适合肖特基二极管的温度斜坡法模型，选取合适的电、热应力，按 照肖特基二极管的工作要求搭建试验测试电路。在温度斜坡法模型的基础上提取 出肖特基二极管的失效激活能，并外推出其寿命。 ( 4 ) 考察肖特基二极管在高温条件下，其主要参数的退化情况： ( 5 ) 利用红外热像仪考察s b d 芯片在正、反向条件下工作时的温升情况； ( 6 ) 对肖特基二极管进行失效分析，同时提出改进措施。 第2 章s b d 原理、结构与工艺 ii_ii!i 第2 章s b d 原理、结构与工艺 2 1s b d 的结构与工艺 2 1 1s b d 的发展历史 金属半导体接触的整流性质是一个古老的固体物理问题【6 】。它的发现可以 追溯到1 8 7 4 年b r a u n 对金属硫化铜( 或硫化铁) 导电性质不对称性的研究。虽 然由钨丝和硫化铅等矿石组成的点接触式整流器曾被广泛用作早期的无线电检 波器，然而人们对其整流机理却并不了解。直到1 9 3 8 年，s c h o t t k y 第一个较为 系统地研究了金属半导体接触，指出在界面附近的半导体一侧存在一个势垒， 还近似地确定了势垒的形状和电流输运机制，并在量子力学的基础上，提出了扩 散理论，较好的解释了这种电流电压的非对称性和电流的输运机制，故后来常 把金属半导体接触形成的势垒成为肖特基势垒。差不多同时，m o t t t 7 】也提出了相 似的理论。b e t h e 在1 9 4 2 年提出的热发射理论使人们对金属半导体接触整流机 理的认识产生了一个飞跃【8 】。根据其理论，肖特基势垒高度等于金属的功函数与 电子亲和势之差。但之后对共价键半导体的研究表明，肖特基势垒高度几乎与金 属的功函数无关。1 9 4 7 年b a r d e e n 9 】提出半导体表面态将表面费米能级“钉扎”在 半导体禁带中的理论来解释这一实验事实。b a r d e e n 理论就将半导体表面电子态 的研究与金属半导体界面的研究联系在一起【l0 1 。所以这种与金属功函数无关的 接触势垒就称为巴丁势垒。此后，有很多关于肖特基势垒物理研究的报道【i l 一1 ”， 进入上世纪8 0 年代后，由于器件工艺技术的发展，肖特基二极管的发展逐步走 向成熟【i4 1 。 2 1 2s b d 的结构 肖特基二极管的内部结构如图2 1 所示。它以n 型半导体为基片，在上面形成 含有掺杂剂的旷型外延层，阳极采用金属作材料，二氧化硅用来消除边缘区域 的电场，提高管子的耐压值。n 型基片具有很小的导通电阻，其掺杂浓度较n _ 型层要高1 0 0 倍。在n 型基片下面形成矿型阴极层，其作用是形成欧姆接触。通 过调整结构参数，可在基片与阳极金属之间形成合适的肖特基势垒。加上正偏电 压时，即金属接正极、n 型基片接负极，势垒变窄；a n 反偏电压时，势垒变宽。 可见，在肖特基二极管的结构中，金属与半导体之间既有欧姆接触，又有肖特 基势垒【1 5 】。 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 沥阳扩峪蝉 n n n + 阴极一 图2 1s b d 的内部结构图 f i g2 - 1t h ei n t e r n a ls 咖c m f o fs b d 一个封装好的二极管的等效电路图如图2 2 所示【1 6 】： c 图2 2s b d 的等效电路图 f i g2 - 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs b d 其中，弓为s b d 的结电阻；q 为s b d 的结电容；r s 为串联电阻， r s = r 。+ r 妯+ r 。+ r 。2 p 。- f + p ：x d + p ：石1 + p _ a _ q c ；始为耗尽区宽度；形为外延层厚 度p 为衬底厚度；p z 和助为非耗尽外延层和衬底的电阻率彳为结面积；，为势垒接 触的半径；哎为非耗尽外延层电阻如6 为扩展电阻；r b 为扩展电阻；为欧姆接触 电阻；l s 为引线电感；c s 为管壳电容。 ! ：翼! ! ：塑i ： 2 1 3 硅基s b d 的制作工艺 国2 - 3s is b d 的生产流程 f i 9 2 3 t h ep m d u e f i o n p m c e s so f s ls b d 季节霉羹卜 北京工业大学工学硕士学位论文 工艺步骤如下【1 7 】： ( 1 ) 外延：在重掺杂s i 衬底上生长轻掺杂的薄硅外延层。 ( 2 ) 氧化：s i 0 2 氧化膜对于肖特基二极管器件可以起到以下三个作用【1 8 】： a ) 对器件表面的保护和钝化作用 在硅片表面覆盖一层二氧化硅薄膜，将硅片表面与外界气氛隔离开来， 减弱环境气氛对硅片表面状态的影响，从而提高半导体器件的稳定性和可靠 性，起到钝化硅片表面的作用。 b ) 对器件电绝缘及隔离 由于二氧化硅膜具有很高的电阻率，是良好的绝缘材料，所以在硅器件 中做铝电极引线和薄膜下面元件之间的电绝缘层，以形成隔离。 c ) 提高二极管的i v 特性 由于势垒金属搭接在氧化膜上，使得金属一半导体接触的锐边缘效应被 大大地削弱，减小了二极管的表面漏电流，改善了二极管的i v 特性。 ( 3 ) 一次光刻 包括涂胶、曝光、显影、打胶、腐蚀、去胶。 ( 4 ) 蒸势垒金属铝 ( 5 ) - - 次光刻 ( 6 ) 重掺杂衬底的背面减薄 在外延时，衬底背面也处在反应气氛中，不可避免地生长一层轻掺杂的薄膜， 会阻碍欧姆接触的形成，必须设法去掉。另外，背部腐蚀使衬底减薄，减小了串 联电阻。 ( 7 ) 背面蒸铝制备欧姆电极 采用热蒸发方法在减薄了的s i 衬底背面蒸铝。 ( 8 ) 合金化 为得到更好接触的欧姆电极，使金属与半导体界面形成微合金。 2 2s b d 工作原理 肖特基势垒二极管( s c h o t t yb a r r i e rd i o d e ) ，简称肖特基二极管，常用s b d 表示。它是利用金属与半导体之间形成的肖特基接触势垒工作的一种多数载流子 器件【1 9 】，没有“少子的存储效应，开关时间短，串联电阻小，有良好的高频特性 和开关特性，而且结构简单、便于集成、工作稳定、性能良好。 2 2 1 肖特基势垒的原理 金属一半导体接触之所以能形成势垒，根本原因是它们有着不同的功函数。 金属功函数的定义为将金属费米能级中的电子拉到体外静止状态( 所谓真空能 第2 覃s b d 原理、结构与工艺 级) 所需要的能力，一般用砌表示，这个能量一方面用来克服被拉电子与金属 晶格和其他电子之间的相互作用，另一方面用来克服金属表面上可能存在的偶极 距。所以，功函数的大小反映了电子被束缚的强弱【2 0 1 。 半导体的功函数也定义为费米能级与真空能级之间的能量差，用w s 表示。 由于半导体的费米能级一般处于禁带之中，上面并无电子，所以这个功函数的定 义可以看成是将电子从价带或从导带转移到真空能级所需能量的统计平均值。 对于半导体，还有一个表面参数是很重要的，这就是电子亲和能，以q ) c 表 示。它等于把导带底层上的一个电子转移到真空能级上所需作的功【6 】，z 称为电 子亲和势。在半导体体内无电场、能带平坦的情况下，半导体的功函数与电子亲 和能之间具有如下关系： 形= q z + g 办 ( 2 一1 ) 其中，g 卿为半导体导带底与半导体费米能级之间的能量差。 金属和半导体之间形成整流接触特性有两种情况：( 1 ) 金属和n 型半导体接 触，且金属的功函数大于半导体的功函数，即 彬；( 2 ) 金属和p 型半导体接 触，且金属的功函数小于半导体的功函数，即 w s ) ( b ) 金属与p 型半导体接触能带图( w m w s ) ( b ) m e t a lc o n t a c tw i t hp - t y p es e m i c o n d u c t o r ( w m 孵。在耗 尽区，电子浓度与从结出发的距离有关，表示为： 第2 章s b d 原理、结构与工艺 n ( x ) = n oe x p ( 一q ( x ) k t ) ( 2 - 1 4 ) 其中n o 是半导体的非本征电子浓度。用方程( 2 一1 4 ) 和近似虬孵鬣刀。，方程 ( 2 一1 3 ) 可以改为： 等= 一警p ( - 刑】 ( 2 - 1 5 ) 其中s 是半导体的介电常数。在方程( 2 1 5 ) 两边乘以2 华，然后对距离从x - - 0 到x = w 进行积分，其中w 是耗尽区宽度，结果如下： r 丢( 警) 2 出= r 一2 q n d - 一e 冲c 一鲥，七叫警出 c 2 舶， r 差( 塞) 2 出= j ：一2 q 。n d 一e x p c g ，七列却 c 2 郴， 2 = 一警+ k g t 1 - e x p ( - q r 】) p 其中= v o v ，是内建电势，矿是外加偏压。在x = o 时，d # a x = e 一。 厶以是接触处电场的最大值。 如果 七，且肖特基接触不是正向偏置，则可以认为函数e x p ( 一q v d kt ) i f r 。 小于i 。在x - - 0 时，方程( 2 一1 8 ) 可以写为： = 在界面处，根据高斯定律，在耗尽区内单位面积的电荷q d 表示为： 幺= q = 最后，电容电压的关系式为： c = 堕= a d y ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 其中彳是二极管的面积。为了从式( 2 2 1 ) 获得势垒高度的信息，还需要下面的表 达式： 矽8 = + 吒 ( 2 2 2 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 k = 等嗡， 陋2 3 ， 从c - - v 测量中得出理想参数的最好的方法之一是绘制1 c 2 - qv 的关系，给出 一条直线： 乏1 2 ( 九一圪一y 一了k t ) ( 2 - 2 4 ) 用测量值和方程( 2 2 4 ) ，则半导体的掺杂浓度和势垒高度分别可以由1 c 2 与v 的 曲线中的斜率和在x 轴的截距求出： 91 m 2 赢x 舞( 2 - 2 5 ) 九2 i 截距j + k _ g rl 嚆+ 等 ( 2 - 2 6 ) 2 4s b d 的应用 s b d 具有低电压、大电流、速度快等优点。随着电力电子技术的蓬勃发展， s b d 以其优良的性能为其赢得了广阔的发展前景。被广泛地应用于开关电源、 变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护 二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用 【2 引。在i c 电路中也常使用s b d ，像s b d t t l 集成电路早已成为t t l 电路的 主流，在高速计算机中被广泛采用。 整流二极管为开关电源的关键部件，因为其功耗大，约占电源功耗3 0 ，因 此要求整流二极管在高速大电流工作状态下，具有正向压降小、开关时间短的特 性。肖特基势垒二极管在开关电路和保护电路中作为整流和续流元件，可以大幅 度降低功耗，提高电路效率和使用频率，减少电路噪声。 本章小结 本章介绍了s b d 的结构，工艺和原理，特别是肖特基势垒的工作原理，以 及通过i v