引 言
快恢復二極管(簡稱FRD)是一種具有開關特性好、反向恢復時間短的半導體二極管。對于高壓工作的FRD來說，平面工藝不可避免的存在著結面彎曲效應而影響擊穿電壓，使得器件實際擊穿電壓只有理想情況的10%-30%。因此為了保證FRD能工作在高電壓下，就需要使用結終端技術來消除結面彎曲帶來的影響，提高FRD器件的耐壓。在提高耐壓采用終端技術的同時，還要兼顧到其它特性的影響和優化。如本文后面將要提到的，在采用金屬場板終端提高耐壓的同時，還要防止圓片打火問題的發生。
1場限環的基本結構
圖1：場限環結構示意圖
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圖2：多個場限環結構示意圖
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場限環的基本結構見圖1，圖2.。就是在被保護的主結周圍間隔一定距離，擴散形成一定大小的同心環。擴散環改變了主結邊緣空間電荷分布，減輕了電場集中效應。提高了耐壓。單環的作用有限，一般在高壓下需要通過多個環來達到預定的電壓。
2 場板的基本結構分析
圖3：場板結構示意圖
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場板的基本結構見圖3，也是常用的提高耐壓的方法之一。場板下除邊緣部分外，電場分布是一維的，類似于MOS電容。擊穿時的擊穿電壓為擊穿時半導體的電壓和氧化層的壓降之和。在場版的邊緣，電力線集中。如果場板長度比內部耗盡層還大，N+P結的場板有電力線從板向半導體發出，在半導體表面有電力線進入，這等效于半導體表面有正電荷，他對電場的影響可看做是無窮大的半導體中間增加了一層電荷，這些正電荷產生垂直于表面的場外，也將產生平行于表面的場，每一正電荷在其左邊產生指向左的場，在其右邊產生指向右的場。所以在場版下面的多數區域，正電荷產生的橫向電場是互相削弱。然而在場板的邊緣，所有正電荷產生的橫向場是互相加強的，結果在那里造成一個橫向場的峰值。如果場板很短或者無場板時，在PN結的邊緣就有很強的電場，場板上所有正電荷都是使這點電場減少的，因此場板愈長，電場峰值愈小。
3 氣隙的擊穿特性
我們知道，影響空氣間隙放電電壓的因素有很多。主要有電場的情況，比如均勻與不均勻;電壓的形式，比如直流，交流還是雷電沖擊;大氣的條件，比如溫度，濕度，氣壓等。較均勻電場氣隙的擊穿電壓與電壓極性無關，直流，工頻擊穿電壓(峰值)以及50%沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小。
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當S不過于小時(S>1cm)， 均勻空氣中的電場強度大致等于30KV/cm。稍不均勻的電場氣隙的擊穿電壓，可以看作球與球之間，球與板之間，圓柱與棒之間，同軸圓柱的間隙之間的擊穿。它的特點是不能形成穩定的電暈放電，電場不對稱時，有極性效應，不很明顯，直流，工頻下的擊穿電壓以及50%沖擊擊穿電壓相同，分散性不大，擊穿電壓和電場均勻程度關系極大，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高。直流電壓下的擊穿電壓具有極性效應，棒棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒板電極之間，平均擊穿場強正棒和負板間約4.5KV/cm，負棒和正板間約10KV/cm，棒和棒之間約4.8-5KV/cm。擊穿電壓與間隙距離接近正比，在一定范圍內，擊穿電壓與間隙距離呈線性關系。球與球間隙之間存在鄰近效應，對電場會有畸變作用，使間隙電場分布不對稱，同一距離下，球直徑越大，擊穿電壓也越高。
圖4 擊穿電壓與間隙距離的關系
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4 實驗過程
4.1失效現象與分析
FRD在開發過程中工程批流片出來后測試擊穿電壓，當電壓加到幾百伏時，可開始看到有嚴重的打火現象，測試打火曲線如圖5，打火發生后，圓片上可看到終端外圍兩個金屬鋁條有明顯發黑的跡象，如圖6。
圖5 FRD 圓片擊穿電壓測試曲線
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圖6 FRD 圓片打火位置圖片
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其中距離cell區較近的金屬是終端的一個金屬場板，在最外圍的一個是截止環的金屬。從失效現象來看，打火應該是最外圍的兩個金屬之間進行的。工藝上，當初為了節省成本，金屬完成后沒有加鈍化層次，因此兩個金屬之間是沒有氧化等介質的。檢查版上數據，金屬場板到截止環金屬之間距離為72um，懷疑可能此距離太小，又沒有介質，因此導致金屬之間電場過強，引起打火，為了驗證，特對原結構進行了模擬。
4.2原結構模擬結果
如圖7所示原始結構進行模擬，結果擊穿電壓約1500V,最外圍的金屬場板與最外圍截止環金屬之間電勢差約800V，最外圍場板承擔了較大的電壓，從表面電場分布看，最外圍金屬場板處表面電場最強，約2.6E5V/cm，前面其它環的電場基本在1.6E5V/cm左右，金屬場板處電場較集中。而空氣的擊穿場強約為30KV/cm，金屬場環和截止環之間距離為72um，空氣耐壓約220V，據此推斷失效的原因應該是金屬之間距離較近，電壓較大引起空氣擊穿，從而發生打火現象。
圖7：FRD 原版結構
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圖8 FRD原版模擬結果電勢分布圖
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圖9 FRD原版模擬結果表面電場分布圖
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4.3 新設計模擬
由以上分析認為，圓片測試打火的主要原因在金屬場板和截止環金屬之間電勢較大，引起金屬間打火，下一步主要從考慮降低兩者之間的電勢，減小金屬場板處的表面電場出發，進行了以下模擬。
4.3.1增加兩個環
考慮在金屬場板前再增加兩個場限環，使得前面的分壓增加，以減少金屬之間的電勢差，模擬結果如下，FRD擊穿電壓沒有改變，仍舊在1500V,金屬場板和截止環之間的電勢從800V降到約500V,表面電場從2.6E5V/cm降低到1.7E5V/cm。
圖10：FRD增加兩個環后結構
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圖11 FRD增加兩個環后電勢分布圖
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圖12 FRD增加兩個環后表面電場分布圖
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4.3.2增加三個環
從增加兩個環的結果看，增加環后電勢和電場都有改善，于是考慮增加三個環，模擬結果如下，FRD擊穿電壓沒有改變，仍舊在1500V, 金屬場板和截止環之間的電勢降為約400V,表面電場由2.6E5V/cm降低到1.2E5V/cm。
圖13 增加3個環后結構
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圖14 增加三個環后電勢分布圖
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圖15 增加三個環后表面電場分布圖
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4 結論分析
從以上模擬結果可以看到，通過優化終端結構，可以有效減少金屬之間電勢差，改善表面電場分布，從而改善圓片測試打火現象。同時，工藝上可考慮在增加環的同時增加金屬后鈍化層，以更好的改善產品性能。