作为宽禁带半导体材料的代表之一，碳化硅(SiC)材料具有宽带隙、高电子饱和漂移速度、高热导率和高临界击穿电场的物理特性，适合制作大功率、高压、高温和抗辐照的电子器件[1-4]．作为一种单极器件，SiC肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode，SBD)具有较低的开关损耗和较高的恢复速度，然而SBD型器件在高压反偏状态由于肖特基势垒下降具有较大的反向漏电流(IR)，从而造成阻断状态下功率损耗严重．为了减小二极管的IR，业界提出了一种结势垒肖特基 (junction barrier Schottky，JBS)二极管结构，该结构结合了SBD和PiN二极管的特点，在SBD结构表面引入了P+电场掩蔽区[5]．在反向阻断状态下，一部分电场线终止于P+掩蔽区，肖特基接触处的电场降低，使肖特基势垒降低效应最小化，从而减小器件的IR[6]．然而，P+掩蔽区的引入使肖特基接触的面积大幅下降，因此在相同的规格下，JBS二极管单个芯片的面积大大增加，SiC外延片高昂的价格使单颗芯片的成本大幅度增加．为了提高肖特基接触的面积占比，须进一步提高P+掩蔽区的电场屏蔽效果，增大P+离子的注入能量以增大P+掩蔽区的结深，然而注入能量引入了更大的缺陷密度[7]．因此，研究人员提出了沟槽型JBS二极管结构，在保持注入能量不变的前提下能够增大P+掩蔽区的结深[8-10]．本研究提出了一种新型多级沟槽结势垒肖特基(multi-step trench junction barrier Schottky，MTJBS) 二极管结构．与JBS二极管相比，MTJBS二极管的表面电场大幅减小，从而减小了反向阻断时的IR．在表面峰值电场大小一致的前提下，MTJBS的肖特基接触面的面积与JBS二极管相比大幅增加，有助于改善器件的正向导通特性．与传统的单级沟槽JBS相比，多级沟槽JBS能够在相同的注入能量下将P型离子注入得更深，从而避免P型离子注入深度有限而导致的深沟槽漏电问题以及注入能量过大导致的晶格损伤无法修复问题；另一方面，单级沟槽会加强JFET效应，从而使器件的导通性能发生退化．1 器件结构设计图1为JBS和MTJBS二极管结构示意图．10.13245/j.hust.240739.F001图1器件结构示意图两种器件结构的关键参数列于表1中，未列出的部分参数一致．10.13245/j.hust.240739.T001表1器件结构关键参数参数JBSMTJBS漂移区厚度Tdft/μm1111漂移区掺杂浓度Ndft/cm-31×10161×1016P+掩蔽区宽度WP+/μm1.51.5P+掩蔽区深度TP+/μm0.60.6P+掩蔽区掺杂浓度TP+/cm-37.5×10187.5×1018金属与N区接触宽度Wsch/μm3.03.0第一级沟槽宽度W1/μm1.0第一级沟槽深度T1/μm0.5第二级沟槽宽度W2/μm0.5第二级沟槽深度T2/μm1.0与JBS二极管相比，MTJBS二极管在相同的注入条件下通过多级沟槽增大了P+掩蔽区的结深，将峰值电场引入到体内，加强了肖特基接触处的电场掩蔽效果，使肖特基接触处的电场降低，改善了势垒降低效应．因此，在相同的结构参数下，MTJBS二极管的IR要小于JBS二极管．若在相同耐压下两种结构的肖特基接触处的峰值电场一致，则MTJBS二极管具有更大的肖特基接触面积，有利于改善器件的正向导通特性．器件有限元仿真采用Silvaco TCAD软件，仿真过程中应用的物理模型包括CVT迁移率模型、禁带宽度变窄模型、Shockley-Read-Hall复合模型、俄歇复合模型、不完全电离模型、Fermi-Dirac统计模型和impact aniso碰撞电离模型等．2 仿真分析图2(a)是当反向偏压(VR)为1 200 V时MTJBS与JBS二极管器件的电场分布．MTJBS二极管反向偏压下电场最强点与JBS二极管类似，均在P+掩蔽区下端，不同的是，MTJBS二极管反向偏压的电场最强点位置更深，增强了电场掩蔽效果，从而降低了器件表面的峰值电场．10.13245/j.hust.240739.F002图2VR=1 200 V时MTJBS二极管和传统JBS二极管的电场分布和表面电场曲线图2(b)是两种结构表面电场曲线，JBS二极管的表面峰值电场比MTJBS二极管高50.0%．电场峰值的变化与沟槽深度相关，沟槽越深，电场最强点位置越深，电场掩蔽效果越好，从而峰值电场越小．图3所示为不同温度下两种器件在VR从0 V到1 200 V范围内的I-V曲线，在室温和高温环境下，MTJBS二极管的IR均小于传统的JBS二极管．此结果与图2中MTJBS二极管的表面电场低于传统JBS二极管结果相呼应，肖特基接触处的电场降低，抑制了肖特基势垒降低效应和肖特基接触热辐射产生的漏电流．10.13245/j.hust.240739.F003图3不同温度下JBS与MTJBS二极管在VR从0 V到1 200 V范围内的I-V曲线在VR=1 200 V条件下，当器件表面峰值电场达到1×108 V/m时，JBS二极管肖特基接触面宽度为1.6 μm，而MTJBS二极管肖特基接触面宽度为3.0 μm，肖特基区在整个芯片面积的占比大幅提升．另一方面，肖特基接触面宽度的增大也改善了器件的正向导通特性，图4所示为两种结构的正向导通 特性曲线．当正向压降(VF)等于1.5 V时，JBS二极管正向电流密度(IF)为464.8 A/cm2，MTJBS二极管的正向电流密度为591.9 A/cm2，提高了27.3%．10.13245/j.hust.240739.F004图4JBS和MTJBS二极管的正向导通特性曲线此外，在肖特基接触区所占面积比例保持不变的前提下，相较于JBS二极管，MTJBS二极管结构增大了纵向方向上P+掩蔽区与N漂移区以及P+掩蔽区与金属之间的接触面积，从而增大了浪涌电流通路的面积．后续若将P+掩蔽区与金属之间的接触做成欧姆接触，则可能有效提高抗浪涌电流能力．3 工艺制作与性能测试3.1　工艺制作在N型4H-SiC晶圆上制备了JBS和MTJBS二极管，其中，外延层厚度为11 μm，氯离子分子密度为1×1016 cm-3．MTJBS二极管的沟槽是通过两次等离子体刻蚀形成，刻蚀后通过注入铝(Al)离子在有源区形成P+电场掩蔽区的同时形成场限环终端，Al离子在1 700 ℃下被激活．形成边缘终端后，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生成厚度为800 nm的二氧化硅(SiO2)层，随后在1 000 ℃的温度下进行退火．接下来在晶圆背面形成欧姆接触层，在晶圆正面的SiO2层上刻蚀接触图案．最后淀积肖特基金属钛(Ti)，并使用聚酰亚胺作为最后的钝化层．虽然刻蚀后的表面对做肖特基接触有一定影响，但是P+掩蔽区的肖特基接触的质量对器件性能并无明显影响．图5为MTJBS样品的有源区的SEM截面图．与JBS二极管相比，MTJBS二极管的主要优点在于P型掺杂剂沿沟槽的侧壁和底部注入，在相同的注入条件下，结势垒被多级沟槽结构大幅延伸到肖特基金属势垒以下．10.13245/j.hust.240739.F005图5MTJBS二极管SEM截面图3.2　性能测试对制备的JBS和MTJBS二极管的电学特性进行测试，得到两种结构的正向导通特性和阻断特性如图6所示．在相同的结构参数条件下，两者的导通压降基本一致，JBS二极管的导通电阻要略小于MTJBS二极管，因为MTJBS二极管的JFET效应增强．但与此同时，MTJBS二极管对电场的掩蔽效果也大幅增强，阻断电压相较于JBS二极管增大了约200 V．此外，在VR=1 200 V条件下，MTJBS二极管的IR仅为60 nA，与JBS二极管相比降低了2个数量级．因此当电压额定值相同时，MTJBS二极管的漂移层掺杂浓度更高，有利于降低器件的导通电阻．10.13245/j.hust.240739.F006图6JBS和MTJBS二极管的正向导通特性和阻断特性图7为MTJBS二极管与罗姆(Rohm)、三安集成(Sanan)、泰科天润(GPT)及瞻芯电子(IVCT)等公司生产的二极管在温度t=25和225 ℃下的漏电流对比(VR=1 200 V)．10.13245/j.hust.240739.F007图7MTJBS二极管与不同二极管器件的漏电流对比由图7可知：MTJBS二极管的IR分别为0.06和4.51 μA，均远小于对比产品．MTJBS二极管相较于传统的JBS二极管性能大幅提升，将成为二极管领域的有力竞争者．4 结语采用Silvaco TCAD 有限元仿真方法对MTJBS二极管的有源区结构进行仿真优化．二极管在反向耐压及肖特基接触面下，JBS表面电场强度显著高于MTJBS二极管．在VR=1 200 V条件下，当两者肖特基接触宽度保持一致时，JBS二极管的表面峰值电场比MTJBS二极管高50.0%，因此MTJBS二极管的反向漏电流远低于JBS二极管．而在VR=1 200 V条件下，当器件表面峰值电场均为1×108 V/m时，JBS二极管肖特基接触面宽度为1.6 μm，MTJBS二极管肖特基接触面宽度为3.0 μm，MTJBS二极管的肖特基区在整个芯片面积的占比大幅提升并改善了器件的正向导通特性．制备的MTJBS二极管与JBS二极管相比，不仅阻断电压提升，而且常温和高温下的反向漏电流均大幅降低．仿真与测试结果均表明：MTJBS二极管相较于传统的JBS二极管性能大幅提升，随着对功率器件性能要求的提高，MTJBS二极管将成为二极管领域的有力竞争者．