高壓功率快恢復二極管的壽命控制研究

  1. 引言
  多年來，PIN高壓功率快恢復二極管(FRD)的關斷特性，一直倍受關注。如何獲得反向恢復時間短、軟度大、反向漏電流低的二極管是器件設計的主要目標。在廣泛使用的高速硬開關電路中，開關器件的軟度大具有特別重要的意義。但是，按常規(guī)的器件設計制造技術，提高軟度與提高開關速度是相互矛盾的。
  一般地，二極管的反向恢復時間trr與大注入下過剩載流子有效壽命τ_H近似成正比。要獲得短開關時間，就要降低τ_H。二極管的軟度也與τ_H密切相關。利用電荷分析近似，二極管的軟度可以表示成：

  其中C為常數，D_a為雙極擴散系數，是表征大注入條件下過剩載流子擴散能力的物理量，w_R為一定反偏壓下未耗盡中性區(qū)的寬度，t_a為反向恢復時間中電流下降階段的時間。
  由方程(1)可以看出，載流子壽命降低，軟度也會降低。為了在特性參數間取得良好折衷，在降低τ_H的同時，應盡量減小t_a。常用的手段包括低陽極發(fā)射效率結構、陽極短路、MPS結構以及局域壽命控制技術等，其中，局域壽命控制技術不僅可以通過降低局域過剩載流子壽命、減小過剩載流子的有效壽命、提高關斷速度，同時可以通過精確的低壽命區(qū)位置的控制，實現(xiàn)對過剩載流子分布的控制，提高器件軟度。因此這種方法在器件綜合性能優(yōu)化方面?zhèn)涫苤匾?，成為近年來國際研究的一個重點。
  目前實現(xiàn)局域壽命控制的主要方法是輕離子(氫離子和氦離子)輻照，該項技術已經用于生產。但輕離子輻照感生的主陷阱能級位于導帶下0.42eV，比較靠近禁帶中央，它有利于加速過剩載流子的復合、提高器件的關斷速度，但制成的器件漏電流較大、高溫穩(wěn)定性較差，不是理想的復合中心。相對而言，鉑雜質形成的主復合中心位于導帶下0.23eV，遠離禁帶中央，制成的器件漏電較小。所以，局域鉑摻雜可以得到S值大而且漏電流也低的器件，并具有良好的高溫穩(wěn)定性和可靠性。
  局域鉑摻雜可以通過輕離子輻照感生的缺陷對鉑的汲取作用獲得，但由于各種因素的影響，應用局域鉑摻雜壽命控制技術，當開關時間降低到一定程度之后便趨于飽和，不再隨離子注入劑量的增加而降低。因此單純的局域鉑摻雜對開關速度降低有一定局限性。
  作者在具有低陽極發(fā)射效率結構的功率FRD基礎上，利用局域鉑摻雜，形成局域低壽命區(qū)(L³R——Local low lifetime region)，然后輔以電子輻照進行整體壽命控制進一步減小了關斷時間，并且得到了很好的綜合性能折衷。文中對此進行了詳細說明。
 
  2. 試  驗
  試驗分兩個步驟進行，首先制備具有局域鉑摻雜的樣管，主要電性能參數測試后對樣管進行電子輻照。
  樣管采用P⁺PN^-N⁺結構(如圖1所示)，P⁺區(qū)深度約為0.9μm，表面摻雜濃度為1.8×10¹⁹cm^-3；P區(qū)設計結深為4.5μm，表面摻雜濃度為4.43×10¹⁷cm^-3。P⁺PN^-N⁺結構完成后在P⁺面上濺射鉑，退火(300℃、60min)形成鉑硅合金；之后進行氫離子輻照，能量為550keV(對應射程為6.85μm)，輻照劑量為1×10¹⁴cm^-2，鉑汲取退火溫度為700℃，時間15min；最后，蒸鋁作電極、封裝，對封裝好的樣管進行電子輻照，能量為4MeV，輻照劑量為5.2×10⁴～2.626×10⁶Gy，進行退火研究。  
  3. 試驗結果與分析
  對局域鉑摻雜樣管(LPL)進行了擴展電阻測試(spread resistance probe)，結果如圖2所示，Depth表示距表面距離。從圖中可以看出，局域鉑摻雜的峰值濃度位于距表面約6μm處，寬度2μm。同時還可以看出，與傳統(tǒng)鉑摻雜形成的替位鉑不同，經質子輻照感生缺陷汲取的鉑，表現(xiàn)出的是施主特性，而非受主特性。這可能是鉑-空位的各種復合體，在硅禁帶中引進多個缺陷能級，起復合中心作用的是位于導帶下0.23eV的受主能級，而對電阻率產生影響的，可能是某施主能級。有關具體原因有待研究。另外，有關局域鉑摻雜的影響筆者在其它文章進行了討論，這里重點討論電子輻照的影響。  
  樣管主要開關參數反向恢復時間trr和軟度S隨電子輻照劑量Ф的變化曲線如圖3所示。測試條件為:I_F=1A，V_R=30V；di/dt=30A/μs，常溫。其中V_R是關斷過程中加在二極管兩端的反向電壓，di/dt是電流變化率，它是表征二極管承受反向尖沖耐壓的物理量?？梢钥闯?，隨著輻照劑量的增加，trr迅速降低，同時S也有所減小，但減小幅度相對于trr降低要小(S降為原來的62.5%，trr降為原來的30%)。  
  電子輻照感生缺陷對溫度變化比較敏感，而不同的退火溫度，對N型硅和P型硅中缺陷的影響不同，原有缺陷可能消失而形成新的缺陷能級。對輻照后的樣管在不同溫度下退火(溫度分別為160℃、200℃、240℃、280℃、300℃、360℃、380℃，時間2h)，然后對反向恢復特性進行了測試(測試條件同上)，結果如圖4所示。從圖中看出，退火溫度低于300℃時，不同退火溫度對反向恢復時間的影響不大，而對軟度影響較明顯;當退火溫度高于300℃時，
反向恢復時間迅速增加，而軟度幾乎不變。可見退火溫度控制在300℃以下，有利于器件性能優(yōu)化。  
  樣管的其它特性參數如表1所示，其中，I_RM為反向尖峰電流，I_R為反向漏電流。為了比較，同時給出了商用產品SML30EUZ12B的相應參數。SML30EUZ12B采用的是氦離子輻照進行局域壽命控制，并輔以電子輻照進行整體壽命控制。從表中可以看出，單純局域鉑摻雜樣管的反向恢復時間較大，但軟度因子S比較理想，反向漏電很低，且具有良好的溫度特性。經電子輻照后，反向恢復時間迅速降低，雖然軟度與SML30EUZ12B相比低，但漏電明顯低(如圖5所示)。  
  另外，由方程(1)可以看出，S是偏壓的函數，隨著負壓增大，中性基區(qū)的寬度減小，軟度增大，最終趨向于τH/t_a。測試了不同反向偏壓下的軟度，如圖6所示。雖然在較小偏壓下，本實驗樣品軟度比SML30EUZ12B小，但隨著反偏壓增大，軟度越來越接近。原因在于，在局域低壽命區(qū)控制上，筆者采用的是局域鉑摻雜，L³R寬度相較于SML30EUZ12B采用的氦離子輻照形成的L³R要大。在較低反偏壓下，耗盡區(qū)較窄，L³R寬意味著局域性較低，因此軟度較小。但隨著反偏壓增大，L³R寬度影響越來越弱，所以，在實際使用有意義的中、大電壓范圍內兩者軟度趨向一致。文中樣管的反向漏電要小得多，溫度特性也更優(yōu)良，綜合性能更好。
 
  4.  結論
  利用局域鉑摻雜的局域壽命控制和電子輻照整體壽命控制相結合的技術，研制了快恢復二極管。測試結果表明，在中、大耐壓條件下，與國際同類產品相比，在反向恢復時間和軟度相當的情況下，器件的反向漏電更低、溫度特性更好，樣管性能處于國際先進水平。小偏壓下軟度的改善可通過改變注入離子種類、改變局域鉑摻雜區(qū)位置和寬度實現(xiàn)，這項工作正在進行中。


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