场板技术、场限环技术、结终端扩展技术等是功率半导体器件中常用的结终端技术。
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技术 |
预期能达到理想平行平面击穿电压比(%) |
表面峰值电场对平行平面结峰值电场之比(%) |
备注 |
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平面结 |
50% |
80% |
不适用高压器件 |
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场限环 |
80% |
80% |
适用性很广 |
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场板 |
60% |
80% |
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正磨角 |
100% |
50% |
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负磨角 |
90% |
60% |
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结终端扩展 |
95% |
80% |
适用性较广,但漏电流较大,表面钝化敏感 |
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横向变掺杂 |
95% |
80% |
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电阻场板 |
90% |
90% |
工艺复杂度较大 |
单一的结终端技术提升器件耐压的幅度有限,或结终端占用芯片面积较大。因此,目前应用中常将两种技术组合使用,形成复合终端技术,以提高耐压降低终端占用面积,并提高器件的可靠性。
场板与场限环复合终端
场板与场限环的复合终端结构在每个场限环上做一个浮空电极,并将电极延伸使其覆盖于表面的氧化层上,如下图所示。它结合了场限环和场板的原理和优点,如场限环对主结的分压效果显著,而借助场板所引入的电荷可进一步抑制表面电荷的影响。这样不仅可以达到较高的击穿电压,而器件的可靠性更有效。
这种结构能够有效降低器件表面的峰值电场,缺点在于占用的芯片面积较大,因为场板需要具有一定宽度才能够充分体现场板的效果。另一方面,如果想达到最优的终端设计其占用的芯片面积越大,因器件的击穿电压使电场曲线下的面积,越有效的终端意味着电场峰值越低。

场板与场限环交替复合结构
前文讲到了场板与场限环1:1复合,通过增加环数,复合结构可以达到非常理想的击穿电压水平,但是增加环数也增加了终端区域面积。下文展示了一种隔环放置金属场板的结构,即Alternate场板结构。
这个复合结构最大的优势在于,在相同终端宽度下,可以实现比传统场板高得多的击穿电压,或者在相同的击穿电压要求下,可以显著缩小终端区域的面积。

降低表面电场技术与场限环的复合结构
根据前文,在高压结终端设计中经常会遇到两类主要问题,其一是由不断增加结终端面积而引起通态损耗及芯片成本的增加,二是由界面电荷引起的阻断能力退化。
对于浮空场限环终端结构来说,首要的就是相邻场环之间承担耐压的有效性,其相邻环之间的间距、结深以及环的个数等都会影响器件的击穿电压,其次是表面电荷所产生的电场将使原电场恶化,在结深附近产生更高的电场尖峰,进而降低耐压能力,低掺杂漂移区的情况更为显著。
降低表面电场技术与场限环的复合结构是在由P/N区交替排列形成的超结耐压层中的横向嵌入P+浮空场限环,如下图所示。这些交替的P/N层会在终端表面区域产生三维的降低表面电场效应。在相邻场限环之间使用更高掺杂浓度的PN层,使表面区域达到更有效的充分耗尽。相邻环之间的电场分布形状不再是常规浮空场限环的近似三角形分布,而是趋近于矩形分布,环与环之间承担的电压也会明显高于常规浮空场限环。
因此这种复合结构能很好解决很多问题,大大减小结终端区域的面积,并且削弱了界面寄生电荷的影响,降低了器件表面态对耐压的影响。

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