功率器件终端结构

功率半导体器件最大的特点就是它的耐压能力，半导体中能够承受高压而不发生明显的电流受限于雪崩击穿的现象，这和芯片内部的电场分布有关。高电场既有可能产生在器件内部也可能发生在边缘处。功率器件的优化设计方向就是击穿电压既能满足应用需求，同时降低通态电阻。

任何空间电荷区的产生，都会伴随着外部电压使耗尽区内部电荷迅速扫出，随着外加电压的增大，耗尽区承受的电场强度也会越大，当耗尽区内部发生碰撞电离（电场的能量产生足够多的电子-空穴对），继而进一步叠加，最终雪崩击穿。雪崩击穿就限制了功率器件的最高工作电压。对于功率器件而言，包括功率二极管、功率MOS、IGBT等，无论是Si基还是SiC基器件，临界电场都是确定功率器件结构发生雪崩的最关键的参数，但目前通过优化器件结构尺寸及相应结构的注入条件等可以实现耐高压。

但是，所有的半导体器件的尺寸都是有限的，器件通过切割晶圆成裸芯片做后续封装测试。对功率器件而言，切割引起的晶格损伤会造成极大的漏电流，导致降低击穿电压和长期稳定性。器件边缘的电场强度通常要比内部的大，这主要是几何结构引起的：器件内部的电场由于结构规则且阵列方正，电场强度由外部电压和耗尽区厚度（尺寸及注入条件）决定，但是在器件边缘处，根据泊松方程：

边缘处电荷分布不连续，而且介电常数不稳定，使得电场线在边缘处畸变，导致单位面积内电场强度显著增大，故而器件更易在边缘处发生击穿（同理也容易在沟槽拐角处发生击穿）。

这个问题就可以通过在器件边缘设计不同的终端结构来解决，使得高压耗尽区与芯片切割道之间保持距离，且边缘处电场畸变缓和。

平面结终端

一般而言，平面结构不易受到机械影响，平面结终端可以使用单个光刻工艺与Pplus注入一起形成。平面结终端环使得在边缘顶部的耗尽区变宽。通过调控环之间的距离和注入条件以及注入工艺水水平（横向散射）可以得到不同终端耐压级别。虽然不能避免电场最大值发生在结拐角处，但是可以使得结终端的雪崩击穿电压达到器件击穿电压的90%左右。而且这个终端结构的一大优势就是在工艺流片过程中不需要附加光刻工序，与Pplus的光刻离子注入同时实现，这个结构是使用最频繁也最稳定的边缘终端结构，它的缺点就是需要比较多的面积。

这里面还存在一种浮空场环(FFR)终端：

包含若干围绕主结的Pplus环，同时也是与主结在同一工艺中制作形成。

以下是四环终端下在反向电压下的等势线。随着反向电压逐渐增大，主结的耗尽区会逐渐扩展直到遇到第一个环，然后耗尽区与第一个环相接，继而继续向外扩展。当功率器件两端承受高压时，终端结构的耗尽区就会扩展至最外围的一个环之外。FFR终端的效果就是在沿着表面的横向上将电场分布展宽，从主结逐渐减小横向电场强度，避免在主结区域发生击穿。

结终端扩展（Junction Termination Extension，JTE）

这种终端由环绕主结区的若干精确控制掺杂浓度的Pplus环构成。这里的关键就在于，控制每个JTE环内的总掺杂浓度足够低，在环边缘发生击穿前，整个环都在被耗尽。效果上看可以看成"变异"版的FFR终端，只是需要降低环掺杂浓度，如果JTE环的掺杂剂量过高，则无法完全耗尽，击穿就会发生环边缘。如果掺杂浓度更低，那么击穿将不会发生在环边缘，则会发生在主结的边缘。所以控制好掺杂剂量，使击穿发生在环刚好耗尽时的剂量，这个调控可以通过TCAD实现。而且很明显，环的宽度也会对耗尽区影响巨大，环宽度越大，耗尽区越大，耐压水平越高。

尽管离子注入工艺可以精确控制掺杂剂量和环宽，但是JTE环区域的电荷会随着退火和表面钝化发生分凝而产生不同。另外晶圆的氧化层中固定电荷的存在也会影响JTE电场分布，包括后续芯片沉积钝化层和封装时引入的可动离子也会引起JTE不稳定。

故而，提升JTE性能的一个方法随之产生：在主结边缘采用横向变掺杂（Variation of Lateral Doping，VLD）注入。从主结向外围环之间，有效掺杂浓度逐渐降低，JTE剂量逐渐减小，然后通过合适退火工艺使不同掺杂水平的JTE环之间连接起来。

与FRR终端相比，VLD的特点就是需要的面积较小，而且不像JTE那样对表面电荷敏感。

场板终端

用主结金属化扩展到器件边缘绝缘钝化层上，然后形成一阶场板结构。这种结构，空间电荷区也会在边缘处扩展。当场板上施加相对衬底的负压时，场板就会排斥电子向远离表面方向移动，引起耗尽区向外扩展，实际效果上，一阶场板足以提升击穿电压到达器件体内击穿电压。但是为了留有足够裕量，一般会做多阶场板。

实际生产应用中，为了节省晶圆面积，也会使用场环+场板的组合使用。

斜面边缘终端

对于更高的阻断电压，使用斜面结结构是一种更有效的边缘终端方式。正斜面时轻掺杂的一侧的结面积不断减小，结两端电荷平衡要求轻掺杂一侧斜面的表面耗尽区宽度增大。这种情况下沿斜面表面的耗尽区宽度就远大于体内耗尽区宽度。这种正斜面终端的击穿电压能够达到与器件体内耐压相当的水平。正斜面终端是目前唯一能让表面电场低于体内电场的技术。

这种结构对于SiC器件不够友好，重掺杂都发生在上表面，故而难以实现。所以，负斜面时轻掺杂一侧的结面积不断增大，轻掺杂一侧表面附近的耗尽区不断减小，以补偿重掺杂一侧缺少的电荷，使得沿表面一侧耗尽区宽度比体内耗尽区宽度小，表面电场强度大于体内。

但是不能使角度过小，不然重掺杂一侧增加耗的尽区宽度会超过轻掺杂一侧减少的耗尽区宽度，使得表面电场低于体内。而且无论是正负斜面终端，都不建议角度过小，这会导致晶圆面积浪费，也不建议角度过大，会增大表面电场。

总结

以上这些终端结构目的都是为了提升功率器件边缘处的击穿电压，使之尽可能接近器件体内击穿电压，从而使提升器件长期可靠性。器件设计的一个重中之重就是确定好与主结适配的终端结构，包括终端尺寸、注入水平等，当然这和工艺水平关系也很大。