半导体“沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）”的详解；

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讲到肖特基势垒二极管，不明所以然的朋友还是会问：为什么叫“肖特基”？肖特基势垒二极管跟肖特基二极管又是什么关系？......所以，本章节要跟大家分享的就是关于沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的相关知识。

一、肖特基势垒二极管的发展历史

其实，很难说的清楚，肖特基势垒二极管是谁最先发明的，因为猫须二极管本质上也是肖特基势垒二极管。肖特基势垒二极管是在中度掺杂的半导体材料上与金属融合而形成的，二堡二极管与此类似。所以，大众暂时把肖特基势垒二极管以德国物理学家沃尔特·H·肖特基（Walter.H.Schotty）为发明人并用其名字命名，同时，也是他研究了金属-半导体结的物理现象。

二、肖特基势垒二极管的介绍

肖特基势垒二极管，英文全称：SchottkyBarrierDiode，缩写成SBD，而我们常说的“肖特基二极管”是它的一种简称。肖特基势垒二极管（SBD）不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，肖特基势垒二极管（SBD）也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管，利用PN结的肖特基势垒来实现整流、选择、开关、调制等功能。

三、肖特基势垒二极管（SBD）的工作原理

肖特基势垒二极管（SBD）是以贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。

因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B→A。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从A→B的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。

典型的肖特基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片，在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层。用二氧化硅（SiO2）来消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻，其掺杂浓度较H-层要高100%倍。在基片下边形成N+阴极层，其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数，N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒，如图所示。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。

综上所述，肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别通常将PN结整流管称作结整流管，而把金属-半导管整流管叫作肖特基整流管，采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基势垒二极管（SBD）也已问世，这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本，还改善了参数的一致性。

简单来说，肖特基势垒二极管（SBD）的PN结由p型半导体和n型半导体直接接触而成。不同于普通的PN结二极管，肖特基势垒二极管（SBD）只有一个金属与p型半导体相连接，这个金属与半导体相接处被称为肖特基势垒。当在肖特基势垒二极管（SBD）的p区施加稳定的正向偏置电压时，p区中的载流子可以被注入至n区，形成一个空间电荷区，并增大肖特基势垒二极管（SBD）的导电性能，使其能够承受更大的电流。反之，在反向偏置时，空间电荷区被扩散和缩小，从而理论上可以获得比标准 PN 结二极管更好的开关速度。

通过上面简述肖特基势垒二极管（SBD）后，相信大家都有了一个最基本的了解，那我们就开始切入正题，讲讲沟槽式MOS势垒肖特基二极管的种种吧。

四、沟槽式MOS势垒肖特基二极管的简介

沟槽式MOS势垒肖特基二极管，英文全称：Trench MOS Barrier Schottky Diode，简称：TMBS，是针对传统平面肖特基二极管的性能瓶颈优化而来的复合结构功率半导体器件，融合了沟槽MOS的场调制能力与肖特基结的低损耗特性，核心目标是提升反向阻断能力并保持肖特基二极管的高频优势。

大家都知道：传统平面肖特基二极管存在镜像力导致的势垒降低效应，使其反向阻断能力受到影响。为了抑制此不利因素，提高肖特基器件性能，在1993年，Mehrotra M及Baliga BJ首次提出TMBS器件（如下图），解决了传统平面肖特基二极管在高压应用中面临的性能瓶颈。

所以TMBS的名称也是来源于其结构及工作原理，肖特基势垒二极管（SBD）凭借其极低的正向导通压降（VF）和几乎为零的反向恢复时间（Trr），在现代电子技术中占据举足轻重的地位。

五、沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）器件的结构

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）器件结构与平面肖特基二极管相比，就是在外延层表面多了一些刻蚀出来的沟槽，沟槽里填充导电材料（通常是多晶硅）（如下图）。

下面详细讲一下沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）器件的结构，其主要包含沟槽栅MOSFET结构、肖特基势垒接触及电荷耦合效应三个核心部分，具体如下：

1、沟槽栅MOSFET结构

在N型外延层表面通过干法刻蚀形成深沟槽，沟槽内填充重掺杂N型多晶硅（如硅化铝或碳化硅），内壁覆盖SiO₂介质层隔离。沟槽之间形成栅极氧化层，形成沟槽栅结构，用于在反向偏置时对沟槽间的N型外延层进行横向耗尽。

2、肖特基势垒接触

沟槽顶部通过金属（如铝、钛或钛合金）与N型外延层形成肖特基势垒接触，构成器件阳极。金属选择及合金比例直接影响正向压降和反向漏电流。

顺便讲一下肖特基势垒接触吧：

肖特基势垒接触（Schottky Contact）是金属与半导体材料直接接触时，在界面处形成的一种具有整流特性的非线性电学接触，与PN结类似的单向导电性（如下图）。1938年德国物理学家肖特基（Schottky）较好的解释这种接触整流机理，因此以他的名字命名。

而金属与半导体的功函数差异就是实现肖特基势垒接触的关键，功函数就是电子从材料内部（费米能级处）移动到真空中所需的最小能量。

当金属与N型半导体（低掺杂）接触时，如果金属的功函数大于N型半导体的功函数（Wm > Ws），电子会从半导体流向金属，以降低整个系统的总能量。这种电荷转移导致接触面金属侧带负电，而半导体侧由于失去电子而带正电，形成一个由半导体指向金属的内建电场（如下图）。

这个电场会阻碍电子的进一步流动，直到金属和半导体的费米能级对齐，系统达到热力学平衡状态，形成一个对多数载流子具有阻碍作用的能量势垒。

3、电荷耦合效应

沟槽结构使电场峰值从表面转移到内部，形成二维扩展的耗尽区。这种效应显著降低了金属-半导体界面的电场强度，抑制了镜像力导致的势垒降低效应，从而提高反向击穿电压并降低正向导通压降（VF）。

所以，沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）是通过沟槽栅MOSFET和电荷耦合效应，克服了传统平面肖特基二极管的势垒降低问题，实现了高压、低导通损耗的应用。

六、沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的工作原理

肖特基势垒二极管（SBD）是基于肖特基接触原理开发出来的（什么是肖特基接触？），沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）相比于普通平面肖特基多了一个电荷耦合效应，因此在反向耐压时原理有所不同。平面结构的耗尽区仅沿纵向扩展，电场分布呈三角形，电场峰值在表面（如下图）。

沟槽结构的耗尽区则呈现二维扩展模式。一个是在漂移区形成的肖特基结纵向耗尽；一个是沟槽多晶中的自由电荷与N-漂移区发生的电荷耦合，在漂移区形成的MOS电容横向耗尽。当反向电压增加时，这两个方向的耗尽区会相互融合，最终在两沟槽间形成一个均匀的、完全耗尽的漂移区。这种均匀的耗尽使得电场分布也变得更加平坦，形成一个近似矩形的电场分布（原理与SGT相同），有助于提高器件耐压（如下图）。

电荷耦合效应的存在可以在保持器件耐压的同时增加外延掺杂浓度（N-漂移区），降低肖特基二极管正向压降。

讲到这里，一定有人会问：沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的结构为什么可以抑制势垒降低效应？

那是因为沟槽结构通过电荷耦合效应，将电场峰值从肖特基结表面转移到器件内部，降低了金属-半导体界面的电场强度。镜像力对势垒高度的影响也随之减小，从而显著抑制了由该效应引起的漏电流，最后就达到了抑制势垒降低效应。

七、沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）器件的工艺流程

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）器件的工艺流程以沟槽结构制备为核心，主要包括外延层生长、沟槽制备、栅结构形成、金属层沉积及封装等核心步骤，同时，该均需要在高温真空环境下进行，确保各层质量与器件性能的稳定性。以下是具体流程：

1、外延

在高掺杂的衬底上，外延生长低掺杂的外延层N-；

2、氧化

在外延层表面淀积一层场氧层（SiO2），涂胶光刻显影，刻蚀场氧化层形成MOS区（对应沟槽栅结构）与肖特基接触区的窗口，用于沟槽刻蚀掩膜层；

3、Trench光刻

通过干法刻蚀（如RIE或ICP），在肖特基接触区刻蚀第一深度沟槽（更深，用于容纳肖特基金属），在MOS区刻蚀第二深度沟槽（较浅，用于填充多晶硅形成栅极）。部分工艺会分两次光刻：第一次刻蚀有源区沟槽与终端耐压环沟槽，第二次处理接触孔。

4、掩膜刻蚀

5、去胶

6、再次Trench刻蚀

7、牺牲氧化

8、氧化层去除

9、再次氧化

在沟槽内壁及表面热生长SiO₂绝缘层（厚度~50-100nm），用于隔离多晶硅与硅衬底；

10、多晶淀积

11、多晶刻蚀

通过LPCVD沉积N型重掺杂多晶硅，填充沟槽后回刻至与外延层表面齐平（或略低）。终端耐压环沟槽的多晶硅用于增强边缘电场调制。通过大面积刻蚀，刻蚀掉表面多晶硅；

12、SiO2淀积

13、接触光刻

14、接触刻蚀+去胶

在外延层表面沉积绝缘氧化层，涂胶光刻显影，打开肖特基接触孔（对应肖特基区沟槽顶部）；

15、势垒金属淀积+退火

溅射或蒸镀肖特基金属（如铝、钛钨合金），填充接触孔并与硅表面反应形成肖特基势垒（通过快速热退火RTA激活，温度~400-500℃）。此步骤决定了器件的正向压降与反向漏电流。退火后与低掺杂浓度的N-外延层形成肖特基接触；

16、正面金属淀积

17、金属光刻+刻蚀

刻蚀掉不需要部分的金属，用来隔离整个硅片（wafer）上的每个芯粒（die）；

18、背面减薄+金属蒸发

将硅片减薄至~50-100μm，背面沉积欧姆接触金属（如镍、钛），再淀积背面金属（如银、金），形成阴极电极，从而在衬底下面形成欧姆接触的金属；

综上，沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的工艺核心是通过沟槽结构实现MOS场对肖特基结的电场调制，流程涵盖“衬底-外延-沟槽-绝缘-金属”五大环节，每一步均需精准控制以保证器件的“高耐压、低损耗”特性。

八、沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的性能优势

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的核心性能优势源于沟槽MOS结构带来的电场调制与势垒抑制，相比传统平面肖特基二极管（SBD），其优势可归纳为以下关键维度：

1、抑制势垒降低效应，大幅提升反向阻断能力

传统平面SBD的反向耐压受限于表面电场集中：金属-半导体界面的强电场会引发“镜像力效应”，吸引半导体电子降低势垒高度，导致反向漏电流增大、击穿电压下降。

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）通过沟槽电荷耦合效应，将电场峰值从肖特基表面转移至器件内部的外延层（沟槽拐角或底部）：

a.沟槽内的多晶硅自由电荷与N-漂移区形成横向MOS电容，与纵向肖特基耗尽区相互融合，使漂移区形成均匀、完全耗尽的状态；

b.最终电场分布从“表面三角型”变为“内部矩型”，金属-半导体界面的电场强度显著降低，镜像力对势垒的破坏被抑制，反向漏电流大幅减少。

2、更高的击穿电压，适配高压场景

电荷耦合效应不仅抑制漏电，还强化了器件的耐压能力：

a.平面SBD的击穿电压受限于表面电场的“尖峰”，而沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的二维耗尽区扩展使电场分布更平坦，击穿电压较平面结构显著提高1的“平面与沟槽肖特基特性对比”明确显示沟槽结构击穿电压更优）；

b.进一步解释，沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）将关断状态下的“击穿点”从表面转移至内部，避免了表面缺陷对耐压的影响。

3、更低的正向压降，提升导通效率

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）可在保持耐压的前提下，使用更高掺杂浓度的外延层：

a.传统平面SBD若提高外延掺杂浓度，会加剧表面电场集中，导致反向漏电流骤增；而沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的电场调制能力允许外延层掺杂浓度提升，从而降低漂移区的电阻率；

b.更高的外延掺杂浓度直接减小了器件的正向导通电阻（RDS(on)），进而降低正向压降（VF）；

4、继承肖特基的高频特性，开关速度更快

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）本质仍是肖特基二极管，保留了无少数载流子存储效应的优势：

a.反向恢复时间（trr）缩短至纳秒级，几乎无反向恢复电荷（Qrr），适合高频（>1MHz）开关应用（如电源转换、光伏逆变器）；

b.强调沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）“优异的高频特性”；

5、参数易调，适配多样化需求

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的沟槽结构参数（如深度、宽度、间距）可灵活调整，实现正向压降（VF）与反向漏电流（IR）的平衡；

所以，沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的核心价值在于解决了平面SBD“高压下反向阻断能力弱”的痛点，通过沟槽MOS结构的电场调制，实现了“高耐压、低漏电、低导通损耗、高频开关”的平衡，成为电源管理、新能源汽车、光伏等领域的关键器件。

九、沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）与平面肖特基二极管的区别

平面肖特基二极管具有优异的高频特性和较低的正向开启电压,这些独特的性质使得其在太阳能电池,开关电源、汽车以及手机等多个领域都有着巨大的应用潜力。但是,在反向偏压下,镜像力导致的势垒降低效应,导致了平面肖特基二极管阻断能力差的缺点。

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）的结构的出现很好地解决这个问题,其主要有两个肖特基结相结合的双势垒金属肖特基结二极管器件、利用PN结与肖特基结结合的含PN结构的肖特基二极管,以及利用金属-氧化物-半导体结构和肖特基结结合的沟槽式势垒肖特基二极管(TMBS),并且沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）由于优异的高频特性及结构参数的易调性,受到了更为广泛的关注。

下面这张对比表足以很好的体现出沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）与平面肖特基二极管的区别：

十、总结一下

沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）得益于其在功率密度、效率及应用领域的显著优势，其前景非常广阔。

据统计，2023年中国肖特基二极管市场规模达125亿元，预计2025年新能源汽车领域需求占比将超30%2。随着技术成熟和成本降低，沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）有望在更多场景替代传统器件，成为功率电子领域的核心组件。所以，综上所讲，沟槽式MOS势垒肖特基二极管（TMBS）正凭借着技术突破和多场景适配，正迎来快速发展的黄金期。

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审核编辑 黄宇