快恢復(fù)二極管動態(tài)雪崩過程及機(jī)制

 1.引言
  IGBT等現(xiàn)代功率開關(guān)器件通常需要與反并聯(lián)續(xù)流二極管(FWD)一起使用，為實(shí)現(xiàn)高耐壓的需要，高壓FWD(耐壓2 kV左右及以上)基區(qū)摻雜濃度通常很低，反向恢復(fù)di/dt較大時，受基區(qū)過剩載流子的影響，容易在比靜態(tài)雪崩電壓低很多的反偏電壓下發(fā)生動態(tài)雪崩，提前達(dá)到臨界場強(qiáng)發(fā)生碰撞電離，使得FWD動態(tài)堅固性降低。嚴(yán)重的動態(tài)雪崩會引發(fā)電流絲的出現(xiàn)，且趨向于固定在某一位置。這將會引起局部溫升，最終導(dǎo)致器件因局部過熱而損壞。事實(shí)上，高壓FWD動態(tài)雪崩問題已成為提高系統(tǒng)工作頻率及系統(tǒng)長期工作的穩(wěn)定性和可靠性的一大限制因素。
 
  2.快恢復(fù)二極管動態(tài)雪崩過程和原理
  以pin結(jié)構(gòu)為例，反向恢復(fù)過程中，隨著二極管電壓的上升，耗盡區(qū)電場增強(qiáng)。由基區(qū)等離子層向陽極側(cè)漂移經(jīng)過空間電荷區(qū)的穻穴，在強(qiáng)場下達(dá)到飽和漂移速度。pn結(jié)附近空穴濃度將隨著反向恢復(fù)電流的增大而增大。而高壓二極管n-基區(qū)電離施主濃度Np通常為10¹³cm^-3量級，這種情況下漂移經(jīng)過空間電荷區(qū)的空穴對該區(qū)域的有效止電荷濃度N_eff起主要作用。由泊松方程dE/dx=qN_eff/ε可知，N_eff決定了電場梯度，pn結(jié)附近電場梯度顯著増加，動態(tài)電場峰值增加，發(fā)生雪崩碰撞電離的臨界值將不再由n-摻雜濃度決定，即二極管
將會提前發(fā)生雪崩碰撞電離，這就形成了動態(tài)雪崩。
  按自由載流子濃度對碰撞電高產(chǎn)生的影響程度不同將動態(tài)雪崩劃分為三度動態(tài)雪崩。當(dāng)反向恢復(fù)電流密度不大時，pn結(jié)發(fā)生動態(tài)雪崩，稱為一度動態(tài)雪崩。隨著反向恢復(fù)電流密度進(jìn)一步增大，由于電子和空穴的運(yùn)動方向不同，在空間電荷區(qū)內(nèi)，等離子層抽取空穴(濃度為p)及碰撞電離產(chǎn)生空穴和電子(濃度分別為p_av和n_av)富集于不同位置上，空間電荷區(qū)電場分布形狀隨之改變。如圖1所示，當(dāng)反向電流密度為500 A/cm²時，電場近似為直線型分布，但當(dāng)反向電流密度增大為1500 A/cm²時，電場變?yōu)镾型分布。隨著S型分布效應(yīng)增強(qiáng)，電場E(x)所圍面積(即電壓)將會減小。從伏安特性上講，此時二極管已進(jìn)入負(fù)微分電阻區(qū)，稱為二度動態(tài)雪崩。二極管處于負(fù)微分電阻區(qū)將誘發(fā)電流集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，且電流集中有可能進(jìn)一步發(fā)展成電流絲，仿真研究表明，電流絲區(qū)的電流密度比其他區(qū)域大出3個數(shù)量級以上。由于碰撞電離產(chǎn)生載流子對電場増強(qiáng)作用的飽和效應(yīng)，使得理想情形下該區(qū)域由嚴(yán)重動態(tài)雪崩引起的電流絲是不斷移動的，因此從理論上講并不會引起嚴(yán)重的局部溫升。

  在更大的反向恢復(fù)電流密度下，陽極側(cè)碰撞電離產(chǎn)生電子(濃度為n_av)及等離子層抽取電子
(濃度為n)向右漂移，過補(bǔ)償N_D時，nn⁺結(jié)處也將形成較強(qiáng)的電場。當(dāng)陰極倒電場梯度的絕對值│dE/dx│=q（n+n_av-N_D）/ε增加到使電場峰值達(dá)到臨界場強(qiáng)時，nn⁺結(jié)也發(fā)生雪崩碰撞電離。Nn+結(jié)碰撞電離產(chǎn)生的空穴向陽極側(cè)移動經(jīng)過pn站空間電荷區(qū)又會增強(qiáng)該處的動態(tài)雪崩，即此時形成相互促進(jìn)的雙重正反饋動態(tài)雪崩，稱之為三度動態(tài)雪崩。
  nn⁺結(jié)產(chǎn)生碰撞電離所形成的雙重正反饋動態(tài)雪崩會導(dǎo)致器件處于十分不穩(wěn)定的狀態(tài)，其電流密度可在幾納秒內(nèi)增加3個數(shù)量級，且不同于陽極側(cè)電流絲，在強(qiáng)場速度飽和效應(yīng)的影響下，碰撞電離產(chǎn)生載流子的電場増強(qiáng)作用并不飽和，nn⁺結(jié)耗盡區(qū)持續(xù)縮小，形成等離子層到陰極的最短電流通道，因此陰極側(cè)電流絲趨向于固定。相對固定的電流絲將導(dǎo)致嚴(yán)重的局部溫升，最終器件本征激發(fā)而出現(xiàn)熱擊穿。綜上所述，--度和二度動態(tài)雪崩具有自限定性，而雙重正反饋動態(tài)雪崩或稱為三度動態(tài)雪崩極其不穩(wěn)定，被認(rèn)為是對器件產(chǎn)生不可恢復(fù)性破壞的主要原因。
  圖2a，b分別示出兩種3.3 kV/100 A二極管反向恢復(fù)電流和電壓隨時問變化波形圖。   其中，圖2a所示二極管在0.4µs左右發(fā)生動態(tài)雪崩，此后電流急劇上升，電壓下降，器件損壞，而圖2b中，二極管在反向恢復(fù)電流峰值之后發(fā)生動態(tài)雪崩，產(chǎn)牛的大量電子中穴對，使得電流下降速度和電壓上升速度都減慢(圈中所不區(qū)域)，但是器件成功實(shí)現(xiàn)阻斷，因此相對而言，該器件具有較好的動態(tài)雪崩抗性。
 
  3.抗動態(tài)雪崩技術(shù)
  3.1改善電流分布均勻性
  材料缺陷、擴(kuò)散和壽命控制造成的不均勻性、結(jié)終端及鋁電極對低發(fā)射效率陽極的影響等不均勻性問題會使器件局部流過大電流，可能在這些區(qū)域發(fā)生局部動態(tài)雪崩而損壞器件，且由于所產(chǎn)生的載流子數(shù)相對較少，在端特性上并不一定能明顯觀察到它所帶來的影響。通過在鋁電極與硅之間增加阻擋層或通過在鋁電極接觸增加高濃度P⁺層來實(shí)現(xiàn)低發(fā)射效率陽極的均勻分布，,降低終端區(qū)改進(jìn)技術(shù)包括降低終端區(qū)正向空穴注入、降低終端區(qū)載流子壽命和在終端與主結(jié)之間増加電阻區(qū)等。結(jié)終端延伸區(qū)或電阻區(qū)的存在使該區(qū)域電流分布相對較為均勻，避免在終端區(qū)發(fā)生局部動態(tài)雪崩而影響器件動態(tài)堅固性，且隨著電阻區(qū)尺寸的增大，可使器件最終損壞的區(qū)域發(fā)生在有源區(qū)，即器件的動態(tài)性能不受終端影響。
 
  3.2陰極側(cè)(nn⁺結(jié))結(jié)構(gòu)改進(jìn)
  引起器件損壞的三度動態(tài)雪崩是由nn⁺結(jié)發(fā)生碰撞電離引起的，因此提高器件動態(tài)雪崩抗性需降低nn⁺結(jié)電場強(qiáng)度。由│dE/dx│=q（n+n_av-N_D）/ε可知，提高N_D將會需要更多的電子來增強(qiáng)nn⁺結(jié)電場梯度，通常的做法是增加緩沖層(摻雜濃度高于基區(qū)本底摻雜濃度又低于n⁺摻雜濃度)。研究人員對不同的緩沖層進(jìn)行仿真研究得到反向恢復(fù)波形。采用緩沖層的結(jié)構(gòu)相比于參考二極管結(jié)構(gòu)、反向恢復(fù)電流下降得更早，都在一定程度上起到降低動態(tài)雪崩，產(chǎn)生電流的作用。而更寬的基區(qū)結(jié)構(gòu)則會在基區(qū)留下更多的空穴，從而降低陰極側(cè)電場強(qiáng)度。此外靜態(tài)仿真表明，緩沖結(jié)構(gòu)在更高的功率密度下才進(jìn)入負(fù)微分電阻區(qū)，因此也具有更好的電流均勻性。隨著基區(qū)本底摻雜濃度的提高，這一差異變得更為明顯。類似結(jié)構(gòu)如一種3300 A FWD，采用濃度梯度很小的nn⁺結(jié)，形成所謂的軟穿通結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)波形如圖2b所示。
  A Kopta等人提出的FCE二極管在軟穿通結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上陰極側(cè)增加了p型島。K  Nakamura等人提出的RFC二極管具有類似結(jié)構(gòu)，當(dāng)空問電荷區(qū)擴(kuò)展靠近陰極側(cè)時。p型島的作用相當(dāng)于由p型島、基區(qū)和陽極組成的pnp雙極型晶體管的發(fā)射極，向基區(qū)注入中穴補(bǔ)償電{以降低nn⁺結(jié)動態(tài)電場。圖3a為FCF二極管結(jié)構(gòu)示意圖在iF=1500A，Ude=2500 V，di/dt = 4500 A/µs，Tj = 125 ℃, Ls=450 nH的恢復(fù)條件下，未能觀察到動態(tài)雪崩對反向恢復(fù)波形產(chǎn)生較為明顯的影響。但p型島的引入犧牲了部分正向?qū)〞r陰極電子注入面積，將會對二極管軟恢復(fù)特性及靜態(tài)阻斷特性帶來負(fù)面影響。
  CIBH結(jié)構(gòu)通過在nn⁺結(jié)前設(shè)置高濃度p型埋層來實(shí)現(xiàn)反向空穴注入，避免了陰極側(cè)p型島結(jié)構(gòu)犧牲部分陰極電子注入面積的問題，圖3b示出其結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路圖。由于J₃結(jié)兩側(cè)都為高摻雜，在很低的反向電壓下(低于100V)即進(jìn)入雪崩碰撞電離，J₃結(jié)雪崩產(chǎn)生的空穴注入基區(qū)部分補(bǔ)償了基區(qū)電子，而且nn⁺結(jié)壓降被箝位在J₃結(jié)的擊穿電壓，因此該區(qū)域電場強(qiáng)度降低，器件的動態(tài)雪崩抗性提高。實(shí)驗(yàn)測得兩個CIBH二極管并聯(lián)模塊在5.5倍額定
電流，峰值功率達(dá)2.5 MW/cm³的條件下仍能正常完成反向恢復(fù)。但是背面空穴注入會在一定程度上延長反向恢復(fù)過程，開關(guān)損耗增加且靜態(tài)阻斷電壓下降。  
  3.3陽極側(cè)(pn結(jié))結(jié)構(gòu)改進(jìn)
  由反向恢復(fù)基區(qū)電場建立過程可知，pn結(jié)電場將最先達(dá)到臨界場強(qiáng)而發(fā)生雪崩碰撞電離，產(chǎn)生的電子又會繼續(xù)影響nn⁺結(jié)電場的建立，因此降低反向恢復(fù)陽極側(cè)電場強(qiáng)度將有助于從整體上提高動態(tài)雪崩抗性，降低動態(tài)雪崩產(chǎn)生電流。
 通過局域鈀(Pd)壽命控制技術(shù)在pn結(jié)附近引入深能級復(fù)合中心形成受主補(bǔ)償層，以降低反向恢復(fù)pn結(jié)峰值電場，輕離子輻照產(chǎn)生的缺陷中心對Pd具有吸雜作用，選取合適的擴(kuò)散溫度，Pd將在缺陷中心處形成深能級受主中心。隨著空間電荷區(qū)擴(kuò)展并穿通附加p型層，這些受主中心起到部分補(bǔ)償漂移經(jīng)過空間電荷區(qū)空穴的作用，從而減弱動態(tài)電場的影響。圖4a圖為中子輻照壽命控制與Pd局域壽命控制引入受主補(bǔ)償層的二極管反向恢復(fù)波形。由圖可知，相比于只采用曾通中子輻照壽命控制技術(shù)而言，增加Pd局域壽命控制形成受主補(bǔ)償層后，反向恢復(fù)動態(tài)雪崩產(chǎn)生電流明顯降低，通過在陽極附近(15-30µm)引入p+埋層以調(diào)制pn結(jié)電場分布，降低pn結(jié)電場峰值的結(jié)構(gòu)，稱為電場調(diào)制(FM)二極管。隨后又提出了經(jīng)過改進(jìn)的p⁺埋層結(jié)構(gòu)，在工藝上更容易實(shí)現(xiàn)且表現(xiàn)出比FM結(jié)構(gòu)更好的動態(tài)特性。圖4b示出仿真得到的p⁺p^-n^-n⁺結(jié)構(gòu)在不同時刻(t1~t7)的電場分布、右上角小圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。陽極側(cè)電場調(diào)制結(jié)構(gòu)結(jié)合陰極側(cè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)來形成復(fù)合型結(jié)構(gòu)，將會對改善二極管動態(tài)雪崩抗性起到更好效果。   4.結(jié)論
  動態(tài)雪崩對高壓FWD在高頻大電流應(yīng)用場合下安全工作區(qū)面積、堅固性和長期工作穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。需要合理地設(shè)計器件結(jié)構(gòu)結(jié)合工藝使其生產(chǎn)水平提高，以改善動態(tài)雪崩抗性，擴(kuò)大器件應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。近年來，在國家相關(guān)政策的大力支持下，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在中、低壓lGBT和FRD的研究和生產(chǎn)上取得了一定成果，將來也必會在高壓領(lǐng)域有所突破。



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