鉑金雙摻雜對快恢復二極管性能的影響

  1.引言
  快恢復二極管通常是指反向恢復過程較短的二極管，通常用反向恢復時間(trr)這一參數(shù)來表征。在電力電子技術中，快恢復二極管作為不可或缺的一類功率器件與三端高頻功率開關器件(如功率MOS、IGBT等)配合使用，起續(xù)流、嵌位和高頻整流作用。由于電路的開關頻率越來越高，就要求與之配合使用的二極管開關速度越來越快，恢復時間越來越短。
  提高二極管開關連度的主要方法是向器件內部引入空間分布適當?shù)膹秃现行?，以有效減小少數(shù)載流子的壽命，這就是壽命控制技術。但進行載流子壽命控制的同時會使二極管正向壓降V_p、反向漏電流I_R變大，使二極管在電路中靜態(tài)功耗增大。
  本文主要討論各類壽命控制技術，井比較各種壽命控制技術的特點，重點分析了擴鉑、和擴金技術的優(yōu)缺點，最后結合試驗數(shù)據(jù)分析了鉑、金擴散對反向恢復時間、正向壓降、反向漏電的影響。
 
  2. 壽命控制技術
  壽命控制技術分為傳統(tǒng)的全局壽命控制技術(擴金、礦鉑、電子輻照)和新興的局域壽命控制技術(H⁺、He²⁺等輕離子輻照)。
  全局壽命控制技術是在整個芯片厚度范圍內全部引入復合中心，主要有貴金屬擴散(擴金和擴鉑)和電子輻照兩種。貴金屬原子擴散能夠通過踢出(Kick Out)機制在硅中引入復合中心，其過程是：擴散剛開始時，金屬原子以間隙原子的形式快速進入半導體中，隨后金屬間隙原子會踢出并替位硅原子，形成貴金屬替位原子缺陷和硅間隙原子缺陷，其中前者是電活性的，構成有效的復合中心。在700℃以上的溫度下，擴散會很快貫穿整個硅片厚度。最終，復合中心濃度會形成兩頭高、中同低的U型全局分布。
  另一種全局壽命控制技術是電子輻照，它利用能量為0.5-15MeV的電子束流貫穿整個器件，在半導體內部的均勻地誘生出點缺陷，其中電活性的氧-空位對(VO)和雙空位(V₂)可構成復合中心，藉此即可達到控制過剩載流子壽命的目的。但這些缺陷都極不穩(wěn)定，200-350℃的退火過程會令其陸續(xù)完全消失。
  輕離子(氫離子H⁺、氦離子He²⁺)輻照能夠以受控的方式實現(xiàn)局域壽命控制，因而也受到廣泛關注，局域壽命控制突破了全局控制的局限，可以根據(jù)需要較為靈活地在器件內部某處強化復合中心的分布，以使器件具備更優(yōu)的性能(如軟恢復)。與電子輻照相似，氫離子輻照也是利用輻照誘生的缺陷(也主要是VO和V₂)作為復合中心來控制過剩載流子壽命，但由于輕離子(H+、He²⁺)的質量較電子大、注入的射程較短，因此可以在體內形成缺陷峰值，形成局域分布，而且可以通過能量和劑量的調節(jié)和組合來精確地控制這種分布。
 
  3. 各類壽命控制技術比較
  表1給出了各種壽命控制技術所形成的復合中心能級位置。其中，擴鉑形成的復合中心能級中起主要作用的是位于導帶底下0.23 eV處(即E_c-0.23 eV)的能級，它遠離禁帶中央，擴金形成的主要復合中心能級位置在E_c-0.55 eV處，位于禁帶中央附近。如前所述，電子輻照、H⁺輻照、He²⁺輻照誘生的主要電活性缺陷是VO和V₂，所對應的能級前者位于E_c-0.16 eV，靠近導帶，決定大注入壽命，后者位于E_c-0.42 eV，靠近禁帶中央，決定小注入壽命和空間電荷區(qū)產(chǎn)生壽命。

  根據(jù)Baliga的計算和分析，復合中心能級向禁帶中央趨近會導致二極管反向漏電流急劇增大，因此能產(chǎn)生靠近禁帶中央缺陷能級的擴金、H⁺和He²⁺離子輻照等技術與缺陷能級遠離禁帶中央的擴鉑技術相比，器件的漏電流會明顯增大。電子輻照由于誘生的深能級缺陷V ₂較少，因此漏電流比輕離子輻照器件小，比擴鉑器件大。大的反向漏電流不僅會導致器件在關斷狀態(tài)時功耗增大、而且對器件的可靠性常常會產(chǎn)生不良彭響，器件漏電流是產(chǎn)品應用時重點考慮的一個參數(shù)。
  此外、擴鉑、擴金形成的替位原子是穩(wěn)定的原子缺陷，因此器件的長期穩(wěn)定性好；而電子輻照形成的缺陷不穩(wěn)定，在低溫下就會退火消失，器件長期穩(wěn)定性不好。在制造工藝方面，擴鉑、擴金是在金屬電極制作前完成，因此對于不合格的產(chǎn)品不能再進行一次擴散；電子輻照由于其缺陷退火消失的溫度很低，可以對不合格產(chǎn)品在低溫下退火消除缺陷后再進行一次輻照。
  針對擴鉑、擴金，Baliga，擴鉑器件的高溫特性優(yōu)于擴金器件，主要是由于擴金器件高溫漏電流遠大于擴鉑器件，甚至有大到導致器件高溫下無法正常工作的程度。因此需要器件工作結溫高時優(yōu)選擴鉑。相比擴金器件、擴鉑器件的正向壓降-反向恢復時間(VF-trr)特性較差，大的正向壓降會導致器件導通狀態(tài)時功耗增大。
 
  4. 實驗
  由于簡單實用，可控性較好，貴金屬擴散和電子輻照在功率器件制造業(yè)被廣泛使用。結合我公司現(xiàn)有工藝設備和條件，我們采用鉑、金摻雜作為壽命控制手段來制作超快恢復二極管并進行對比分析。樣品芯片采用N型<111>襯底、p+nn+三層外延片，經(jīng)過臺面制造、PN結推進、鈍化層生長、鉑或金擴散、金屬電極制備等工藝步驟制成。其中鉑或金擴散分為多組進行，采用不同溫度，其他工序均相同。圓片劃片后采用D0-27同軸封裝。
  樣品正向壓降V_F采用BJ4822大功率圖示儀測試，擊穿電壓V_BR和反向漏電流I_R采用TVR6000二極管參數(shù)測試儀，反向恢復時間t_rr采用TRR6000二極管反向恢復時間測試儀測試，高溫環(huán)境依靠美國TP04310A型熱包圍系統(tǒng)保證。正向壓降測試條件為l_F=6A，擊穿電壓測試條件為l_R=100μA，反向漏電流測試條件為V_R=150V，反向恢復時間測試條件為I_F=I_RRM=1Ar，di/dt=100 A/μs，I_REC=0.1A。
 
  5. 實驗結果及討論
  5.1獲得相同t_rr時擴鉑、擴金對性能的影響
  分別采用擴鉑、擴金方法獲得相同反向恢復時間t_rr器件擊穿電壓、反向漏電流和反向恢復時間的數(shù)據(jù)由表2給出?？梢钥闯鲈讷@得相同反向恢復時同時擴金器件與擴鉑器件相比，擊穿電壓V_BR基本相同、常溫反向漏電I_R較大(高出1個數(shù)量級以上)、正向壓降V_F較小，擴散溫度高85℃。顯著增加的漏電流符合Baliga的理論預期。  
  5.2不同擴散溫度對器件特性的影響
  5.2.1對反向恢復時間t_rr的影響
  采用不同擴散溫度進行鉑、金摻雜，器件室溫下反向恢復時間見圖1。這兩種工藝中，都是擴散溫度越高，t_rr越短。說明隨擴散溫度升高，鉑或金擴散進入器件體內的濃度越高，形成的復合中心濃度也越高。  
 從圖中還可以看出，在我們試驗的溫度范圍內，、如果要獲得相同的反向恢復時間，擴金需要的溫度比擴鉑溫度高。如要獲得25-35ns范圍內的反向恢復時間，擴金比擴鉑溫度要高35-70℃。
 
  5.2.2對正向壓降V_F的影響
  采用不同擴散溫度對器件進行鉑、金摻雜，器件在室溫和125℃時的正向壓降見圖2。聯(lián)系圖1可以看出，室溫時在獲得相同的反向恢復時間范圍25～35ns時，擴金器件的正向壓降要小于擴鉑器件。另外擴金器件在125℃下的正向壓降也略小于擴鉑器件。這與Baliga的理論相符。另外，從圖2中還可以看出，在高溫下，擴鉑器件V_F隨擴散溫度的變化率要小于擴金器件。  
  5.2.3對流電流氣的影響
  采用不同擴散溫度對器件進行鉑、金摻雜，器件在室溫和125℃下的反向漏電流見圖3。從圖中可以看出獲得相同反向恢復時間范圍25-35ns時采用擴金方法的器件反向漏電流明顯比擴鉑方法的高，高溫下尤甚，可高達220倍(室溫下易受表面漏電因素干擾)。這一結果更加充分地驗證了Baliga的理論，從而也更加說明了擴鉑器件高溫特性好。  
  6.結論
  由于簡單實用，可控性較好，貴金屬擴散在功率器件制造業(yè)被廣泛使用。由于鉑在硅中具有遠離禁帶中央的理想能級位置，而金的能級位置靠近禁帶中央，所以擴鉑器件的漏電流比擴金低得多。實驗表明，要實現(xiàn)相同t_rr，擴鉑溫度低于擴金。同時，擴鉑器件的常溫、高溫漏電流小于擴金器件，溫度穩(wěn)定性好。因此，盡管擴鉑對器件的正向壓降影響比擴金稍大，但要制造高溫特性穩(wěn)定、工作結溫高、漏電流小的器件，應優(yōu)選擴鉑工藝。



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