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講到肖特基勢(shì)壘二極管，不明所以然的朋友還是會(huì)問：為什么叫“肖特基”？肖特基勢(shì)壘二極管跟肖特基二極管又是什么關(guān)系？......所以，本章節(jié)要跟大家分享的就是關(guān)于溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的相關(guān)知識(shí)。

一、肖特基勢(shì)壘二極管的發(fā)展歷史

其實(shí)，很難說的清楚，肖特基勢(shì)壘二極管是誰最先發(fā)明的，因?yàn)樨堩毝O管本質(zhì)上也是肖特基勢(shì)壘二極管。肖特基勢(shì)壘二極管是在中度摻雜的半導(dǎo)體材料上與金屬融合而形成的，二堡二極管與此類似。所以，大眾暫時(shí)把肖特基勢(shì)壘二極管以德國(guó)物理學(xué)家沃爾特·H·肖特基（Walter.H.Schotty）為發(fā)明人并用其名字命名，同時(shí)，也是他研究了金屬-半導(dǎo)體結(jié)的物理現(xiàn)象。

二、肖特基勢(shì)壘二極管的介紹

肖特基勢(shì)壘二極管，英文全稱：SchottkyBarrierDiode，縮寫成SBD，而我們常說的“肖特基二極管”是它的一種簡(jiǎn)稱。肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）也稱為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢(shì)壘二極管，它是一種熱載流子二極管，利用PN結(jié)的肖特基勢(shì)壘來實(shí)現(xiàn)整流、選擇、開關(guān)、調(diào)制等功能。

三、肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的工作原理

肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）是以貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。

因?yàn)镹型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散。顯然，金屬A中沒有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢(shì)壘，其電場(chǎng)方向?yàn)锽→A。但在該電場(chǎng)作用之下，A中的電子也會(huì)產(chǎn)生從A→B的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢(shì)壘。

典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型半導(dǎo)體為基片，在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅（SiO2）來消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng)，提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態(tài)電阻，其摻雜濃度較H-層要高100%倍。在基片下邊形成N+陰極層，其作用是減小陰極的接觸電阻。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽極金屬之間便形成肖特基勢(shì)壘，如圖所示。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓（陽極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極）時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變??；反之，若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。

綜上所述，肖特基整流管的結(jié)構(gòu)原理與PN結(jié)整流管有很大的區(qū)別通常將PN結(jié)整流管稱作結(jié)整流管，而把金屬-半導(dǎo)管整流管叫作肖特基整流管，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）也已問世，這不僅可節(jié)省貴金屬，大幅度降低成本，還改善了參數(shù)的一致性。

簡(jiǎn)單來說，肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的PN結(jié)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體直接接觸而成。不同于普通的PN結(jié)二極管，肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）只有一個(gè)金屬與p型半導(dǎo)體相連接，這個(gè)金屬與半導(dǎo)體相接處被稱為肖特基勢(shì)壘。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的p區(qū)施加穩(wěn)定的正向偏置電壓時(shí)，p區(qū)中的載流子可以被注入至n區(qū)，形成一個(gè)空間電荷區(qū)，并增大肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的導(dǎo)電性能，使其能夠承受更大的電流。反之，在反向偏置時(shí)，空間電荷區(qū)被擴(kuò)散和縮小，從而理論上可以獲得比標(biāo)準(zhǔn) PN 結(jié)二極管更好的開關(guān)速度。

通過上面簡(jiǎn)述肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）后，相信大家都有了一個(gè)最基本的了解，那我們就開始切入正題，講講溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管的種種吧。

四、溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管的簡(jiǎn)介

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管，英文全稱：Trench MOS Barrier Schottky Diode，簡(jiǎn)稱：TMBS，是針對(duì)傳統(tǒng)平面肖特基二極管的性能瓶頸優(yōu)化而來的復(fù)合結(jié)構(gòu)功率半導(dǎo)體器件，融合了溝槽MOS的場(chǎng)調(diào)制能力與肖特基結(jié)的低損耗特性，核心目標(biāo)是提升反向阻斷能力并保持肖特基二極管的高頻優(yōu)勢(shì)。

大家都知道：傳統(tǒng)平面肖特基二極管存在鏡像力導(dǎo)致的勢(shì)壘降低效應(yīng)，使其反向阻斷能力受到影響。為了抑制此不利因素，提高肖特基器件性能，在1993年，Mehrotra M及Baliga BJ首次提出TMBS器件（如下圖），解決了傳統(tǒng)平面肖特基二極管在高壓應(yīng)用中面臨的性能瓶頸。

所以TMBS的名稱也是來源于其結(jié)構(gòu)及工作原理，肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）憑借其極低的正向?qū)▔航担╒F）和幾乎為零的反向恢復(fù)時(shí)間（Trr），在現(xiàn)代電子技術(shù)中占據(jù)舉足輕重的地位。

五、溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）器件的結(jié)構(gòu)

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）器件結(jié)構(gòu)與平面肖特基二極管相比，就是在外延層表面多了一些刻蝕出來的溝槽，溝槽里填充導(dǎo)電材料（通常是多晶硅）（如下圖）。

下面詳細(xì)講一下溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）器件的結(jié)構(gòu)，其主要包含溝槽柵MOSFET結(jié)構(gòu)、肖特基勢(shì)壘接觸及電荷耦合效應(yīng)三個(gè)核心部分，具體如下：

1、溝槽柵MOSFET結(jié)構(gòu)

在N型外延層表面通過干法刻蝕形成深溝槽，溝槽內(nèi)填充重?fù)诫sN型多晶硅（如硅化鋁或碳化硅），內(nèi)壁覆蓋SiO?介質(zhì)層隔離。溝槽之間形成柵極氧化層，形成溝槽柵結(jié)構(gòu)，用于在反向偏置時(shí)對(duì)溝槽間的N型外延層進(jìn)行橫向耗盡。

2、肖特基勢(shì)壘接觸

溝槽頂部通過金屬（如鋁、鈦或鈦合金）與N型外延層形成肖特基勢(shì)壘接觸，構(gòu)成器件陽極。金屬選擇及合金比例直接影響正向壓降和反向漏電流。

順便講一下肖特基勢(shì)壘接觸吧：

肖特基勢(shì)壘接觸（Schottky Contact）是金屬與半導(dǎo)體材料直接接觸時(shí)，在界面處形成的一種具有整流特性的非線性電學(xué)接觸，與PN結(jié)類似的單向?qū)щ娦裕ㄈ缦聢D）。1938年德國(guó)物理學(xué)家肖特基（Schottky）較好的解釋這種接觸整流機(jī)理，因此以他的名字命名。

而金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)差異就是實(shí)現(xiàn)肖特基勢(shì)壘接觸的關(guān)鍵，功函數(shù)就是電子從材料內(nèi)部（費(fèi)米能級(jí)處）移動(dòng)到真空中所需的最小能量。

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體（低摻雜）接觸時(shí)，如果金屬的功函數(shù)大于N型半導(dǎo)體的功函數(shù)（Wm > Ws），電子會(huì)從半導(dǎo)體流向金屬，以降低整個(gè)系統(tǒng)的總能量。這種電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致接觸面金屬側(cè)帶負(fù)電，而半導(dǎo)體側(cè)由于失去電子而帶正電，形成一個(gè)由半導(dǎo)體指向金屬的內(nèi)建電場(chǎng)（如下圖）。

這個(gè)電場(chǎng)會(huì)阻礙電子的進(jìn)一步流動(dòng)，直到金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)對(duì)齊，系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，形成一個(gè)對(duì)多數(shù)載流子具有阻礙作用的能量勢(shì)壘。

3、電荷耦合效應(yīng)

溝槽結(jié)構(gòu)使電場(chǎng)峰值從表面轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，形成二維擴(kuò)展的耗盡區(qū)。這種效應(yīng)顯著降低了金屬-半導(dǎo)體界面的電場(chǎng)強(qiáng)度，抑制了鏡像力導(dǎo)致的勢(shì)壘降低效應(yīng)，從而提高反向擊穿電壓并降低正向?qū)▔航担╒F）。

所以，溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）是通過溝槽柵MOSFET和電荷耦合效應(yīng)，克服了傳統(tǒng)平面肖特基二極管的勢(shì)壘降低問題，實(shí)現(xiàn)了高壓、低導(dǎo)通損耗的應(yīng)用。

六、溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的工作原理

肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）是基于肖特基接觸原理開發(fā)出來的（什么是肖特基接觸？），溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）相比于普通平面肖特基多了一個(gè)電荷耦合效應(yīng)，因此在反向耐壓時(shí)原理有所不同。平面結(jié)構(gòu)的耗盡區(qū)僅沿縱向擴(kuò)展，電場(chǎng)分布呈三角形，電場(chǎng)峰值在表面（如下圖）。

溝槽結(jié)構(gòu)的耗盡區(qū)則呈現(xiàn)二維擴(kuò)展模式。一個(gè)是在漂移區(qū)形成的肖特基結(jié)縱向耗盡；一個(gè)是溝槽多晶中的自由電荷與N-漂移區(qū)發(fā)生的電荷耦合，在漂移區(qū)形成的MOS電容橫向耗盡。當(dāng)反向電壓增加時(shí)，這兩個(gè)方向的耗盡區(qū)會(huì)相互融合，最終在兩溝槽間形成一個(gè)均勻的、完全耗盡的漂移區(qū)。這種均勻的耗盡使得電場(chǎng)分布也變得更加平坦，形成一個(gè)近似矩形的電場(chǎng)分布（原理與SGT相同），有助于提高器件耐壓（如下圖）。

電荷耦合效應(yīng)的存在可以在保持器件耐壓的同時(shí)增加外延摻雜濃度（N-漂移區(qū)），降低肖特基二極管正向壓降。

講到這里，一定有人會(huì)問：溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的結(jié)構(gòu)為什么可以抑制勢(shì)壘降低效應(yīng)？

那是因?yàn)闇喜劢Y(jié)構(gòu)通過電荷耦合效應(yīng)，將電場(chǎng)峰值從肖特基結(jié)表面轉(zhuǎn)移到器件內(nèi)部，降低了金屬-半導(dǎo)體界面的電場(chǎng)強(qiáng)度。鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響也隨之減小，從而顯著抑制了由該效應(yīng)引起的漏電流，最后就達(dá)到了抑制勢(shì)壘降低效應(yīng)。

七、溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）器件的工藝流程

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）器件的工藝流程以溝槽結(jié)構(gòu)制備為核心，主要包括外延層生長(zhǎng)、溝槽制備、柵結(jié)構(gòu)形成、金屬層沉積及封裝等核心步驟，同時(shí)，該均需要在高溫真空環(huán)境下進(jìn)行，確保各層質(zhì)量與器件性能的穩(wěn)定性。以下是具體流程：

1、外延

在高摻雜的襯底上，外延生長(zhǎng)低摻雜的外延層N-；

2、氧化

在外延層表面淀積一層場(chǎng)氧層（SiO2），涂膠光刻顯影，刻蝕場(chǎng)氧化層形成MOS區(qū)（對(duì)應(yīng)溝槽柵結(jié)構(gòu)）與肖特基接觸區(qū)的窗口，用于溝槽刻蝕掩膜層；

3、Trench光刻

通過干法刻蝕（如RIE或ICP），在肖特基接觸區(qū)刻蝕第一深度溝槽（更深，用于容納肖特基金屬），在MOS區(qū)刻蝕第二深度溝槽（較淺，用于填充多晶硅形成柵極）。部分工藝會(huì)分兩次光刻：第一次刻蝕有源區(qū)溝槽與終端耐壓環(huán)溝槽，第二次處理接觸孔。

4、掩膜刻蝕

5、去膠

6、再次Trench刻蝕

7、犧牲氧化

8、氧化層去除

9、再次氧化

在溝槽內(nèi)壁及表面熱生長(zhǎng)SiO?絕緣層（厚度~50-100nm），用于隔離多晶硅與硅襯底；

10、多晶淀積

11、多晶刻蝕

通過LPCVD沉積N型重?fù)诫s多晶硅，填充溝槽后回刻至與外延層表面齊平（或略低）。終端耐壓環(huán)溝槽的多晶硅用于增強(qiáng)邊緣電場(chǎng)調(diào)制。通過大面積刻蝕，刻蝕掉表面多晶硅；

12、SiO2淀積

13、接觸光刻

14、接觸刻蝕+去膠

在外延層表面沉積絕緣氧化層，涂膠光刻顯影，打開肖特基接觸孔（對(duì)應(yīng)肖特基區(qū)溝槽頂部）；

15、勢(shì)壘金屬淀積+退火

濺射或蒸鍍肖特基金屬（如鋁、鈦鎢合金），填充接觸孔并與硅表面反應(yīng)形成肖特基勢(shì)壘（通過快速熱退火RTA激活，溫度~400-500℃）。此步驟決定了器件的正向壓降與反向漏電流。退火后與低摻雜濃度的N-外延層形成肖特基接觸；

16、正面金屬淀積

17、金屬光刻+刻蝕

刻蝕掉不需要部分的金屬，用來隔離整個(gè)硅片（wafer）上的每個(gè)芯粒（die）；

18、背面減薄+金屬蒸發(fā)

將硅片減薄至~50-100μm，背面沉積歐姆接觸金屬（如鎳、鈦），再淀積背面金屬（如銀、金），形成陰極電極，從而在襯底下面形成歐姆接觸的金屬；

綜上，溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的工藝核心是通過溝槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)MOS場(chǎng)對(duì)肖特基結(jié)的電場(chǎng)調(diào)制，流程涵蓋“襯底-外延-溝槽-絕緣-金屬”五大環(huán)節(jié)，每一步均需精準(zhǔn)控制以保證器件的“高耐壓、低損耗”特性。

八、溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的性能優(yōu)勢(shì)

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的核心性能優(yōu)勢(shì)源于溝槽MOS結(jié)構(gòu)帶來的電場(chǎng)調(diào)制與勢(shì)壘抑制，相比傳統(tǒng)平面肖特基二極管（SBD），其優(yōu)勢(shì)可歸納為以下關(guān)鍵維度：

1、抑制勢(shì)壘降低效應(yīng)，大幅提升反向阻斷能力

傳統(tǒng)平面SBD的反向耐壓受限于表面電場(chǎng)集中：金屬-半導(dǎo)體界面的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)引發(fā)“鏡像力效應(yīng)”，吸引半導(dǎo)體電子降低勢(shì)壘高度，導(dǎo)致反向漏電流增大、擊穿電壓下降。

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）通過溝槽電荷耦合效應(yīng)，將電場(chǎng)峰值從肖特基表面轉(zhuǎn)移至器件內(nèi)部的外延層（溝槽拐角或底部）：

a.溝槽內(nèi)的多晶硅自由電荷與N-漂移區(qū)形成橫向MOS電容，與縱向肖特基耗盡區(qū)相互融合，使漂移區(qū)形成均勻、完全耗盡的狀態(tài)；

b.最終電場(chǎng)分布從“表面三角型”變?yōu)椤皟?nèi)部矩型”，金屬-半導(dǎo)體界面的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著降低，鏡像力對(duì)勢(shì)壘的破壞被抑制，反向漏電流大幅減少。

2、更高的擊穿電壓，適配高壓場(chǎng)景

電荷耦合效應(yīng)不僅抑制漏電，還強(qiáng)化了器件的耐壓能力：

a.平面SBD的擊穿電壓受限于表面電場(chǎng)的“尖峰”，而溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的二維耗盡區(qū)擴(kuò)展使電場(chǎng)分布更平坦，擊穿電壓較平面結(jié)構(gòu)顯著提高1的“平面與溝槽肖特基特性對(duì)比”明確顯示溝槽結(jié)構(gòu)擊穿電壓更優(yōu)）；

b.進(jìn)一步解釋，溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）將關(guān)斷狀態(tài)下的“擊穿點(diǎn)”從表面轉(zhuǎn)移至內(nèi)部，避免了表面缺陷對(duì)耐壓的影響。

3、更低的正向壓降，提升導(dǎo)通效率

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）可在保持耐壓的前提下，使用更高摻雜濃度的外延層：

a.傳統(tǒng)平面SBD若提高外延摻雜濃度，會(huì)加劇表面電場(chǎng)集中，導(dǎo)致反向漏電流驟增；而溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的電場(chǎng)調(diào)制能力允許外延層摻雜濃度提升，從而降低漂移區(qū)的電阻率；

b.更高的外延摻雜濃度直接減小了器件的正向?qū)娮瑁≧DS(on)），進(jìn)而降低正向壓降（VF）；

4、繼承肖特基的高頻特性，開關(guān)速度更快

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）本質(zhì)仍是肖特基二極管，保留了無少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)：

a.反向恢復(fù)時(shí)間（trr）縮短至納秒級(jí)，幾乎無反向恢復(fù)電荷（Qrr），適合高頻（>1MHz）開關(guān)應(yīng)用（如電源轉(zhuǎn)換、光伏逆變器）；

b.強(qiáng)調(diào)溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）“優(yōu)異的高頻特性”；

5、參數(shù)易調(diào)，適配多樣化需求

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)（如深度、寬度、間距）可靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)正向壓降（VF）與反向漏電流（IR）的平衡；

所以，溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的核心價(jià)值在于解決了平面SBD“高壓下反向阻斷能力弱”的痛點(diǎn)，通過溝槽MOS結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了“高耐壓、低漏電、低導(dǎo)通損耗、高頻開關(guān)”的平衡，成為電源管理、新能源汽車、光伏等領(lǐng)域的關(guān)鍵器件。

九、溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）與平面肖特基二極管的區(qū)別

平面肖特基二極管具有優(yōu)異的高頻特性和較低的正向開啟電壓,這些獨(dú)特的性質(zhì)使得其在太陽能電池,開關(guān)電源、汽車以及手機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力。但是,在反向偏壓下,鏡像力導(dǎo)致的勢(shì)壘降低效應(yīng),導(dǎo)致了平面肖特基二極管阻斷能力差的缺點(diǎn)。

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）的結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)很好地解決這個(gè)問題,其主要有兩個(gè)肖特基結(jié)相結(jié)合的雙勢(shì)壘金屬肖特基結(jié)二極管器件、利用PN結(jié)與肖特基結(jié)結(jié)合的含PN結(jié)構(gòu)的肖特基二極管,以及利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和肖特基結(jié)結(jié)合的溝槽式勢(shì)壘肖特基二極管(TMBS),并且溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）由于優(yōu)異的高頻特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)的易調(diào)性,受到了更為廣泛的關(guān)注。

下面這張對(duì)比表足以很好的體現(xiàn)出溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）與平面肖特基二極管的區(qū)別：

十、總結(jié)一下

溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）得益于其在功率密度、效率及應(yīng)用領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)，其前景非常廣闊。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年中國(guó)肖特基二極管市場(chǎng)規(guī)模達(dá)125億元，預(yù)計(jì)2025年新能源汽車領(lǐng)域需求占比將超30%2。隨著技術(shù)成熟和成本降低，溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）有望在更多場(chǎng)景替代傳統(tǒng)器件，成為功率電子領(lǐng)域的核心組件。所以，綜上所講，溝槽式MOS勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）正憑借著技術(shù)突破和多場(chǎng)景適配，正迎來快速發(fā)展的黃金期。

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審核編輯 黃宇