快恢復(fù)二極管的電子輻照壽命控制技術(shù)

  快恢復(fù)二極管通常是指反向恢復(fù)過程較短的二極管，通常用反向恢復(fù)時間(trr)這一參數(shù)來表征?？旎謴?fù)二極管大量應(yīng)用在電力電子電路中，與三端高頻功率開關(guān)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(guān)頻率越來越高，就要求與之配合使用的二極管有快的開關(guān)速度，從而保證電路的工作頻率不因二極管受到限制。高可靠器件通常是指能夠在惡劣環(huán)境下(溫度、輻照、水汽等)長期正常、穩(wěn)定工作的器件。
  壽命控制就是一種提高二極管開關(guān)速度的技術(shù)，其主要是向器件內(nèi)部引入空間分布適當(dāng)?shù)膹?fù)合中心，以有效減小少數(shù)載流子的壽命，從而減小反向恢復(fù)時間，達(dá)到提高開關(guān)速度的目的。但進(jìn)行載流子壽命控制的同時會使二極管正向壓降V_F、反向漏電流I_R變大，使二極管導(dǎo)通時和截止時功耗增大。其中附電流的增大甚至有可能導(dǎo)致器件無法正常工作。因此合適的壽命控制方法必須是在滿足快速恢復(fù)的同時滿足器件高可靠性能要求。
  器件可靠性與眾多因素相關(guān)，如設(shè)計、制造、封裝等。本文為您介紹快恢復(fù)二極管的電子輻照壽命控制技術(shù)。
 
  1. 電子輻照壽命控制技術(shù)
  電子輻照壽命控制技術(shù)是將器件置于輻照場中用高能量的電子束進(jìn)行轟擊，高能量的電子束能夠貫穿整個器件，在器件晶格中產(chǎn)生電離效應(yīng)及位移效應(yīng)，使硅原子脫離正常格點位置形成一個空位缺陷和一個硅間隙原子。由于硅間隙原子及空位缺陷的狀態(tài)極不穩(wěn)定，要與其它雜質(zhì)原子相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的雜質(zhì)空位聚合體，如氧空位、磷空位及雙空位等。其中比較穩(wěn)定的電活性缺陷是VO^(-/0)(氧一空位對缺陷，E_t-E_C-0.16eV)和V₂^(-/0)(雙空位缺陷，E_t=E_C-0.42eV)，如圖1所示。前者能級靠近導(dǎo)帶，因此它決定了大注入時的少子壽命，而后者能級靠近禁帶中央，因此它決定了小注入時的少子壽命和空間耗盡區(qū)的載流子產(chǎn)生壽命。這兩種缺陷的濃度取決于半導(dǎo)體的種類、電子輻照的能量和劑量、退火溫度和時間等條件。

 
  目前電子輻照的能量選擇在0.5～15MeV之間，由于電子的質(zhì)量很小，這個能量范圍內(nèi)的電子可以完全貫穿器件，如圖2所示。只是在低能量電子輻照(幾KeV)時，半導(dǎo)體晶格對電子束有一定的阻擋作用，這樣在器件內(nèi)部射程的后部分感生的缺陷會有所減少。實際應(yīng)用的電子輻照形式主要有常溫輻照、常溫輻照并退火、高溫輻照以及先擴(kuò)金或擴(kuò)鉑再輻照等多種形式。與貴金屬擴(kuò)散過程難以控制不同，人們可以通過控制輻照劑量來精確控制電子輻照感生缺陷的濃度，進(jìn)而精確控制器件的關(guān)斷速度。   
  2. 電子輻照壽命控制技術(shù)的優(yōu)點
  (1)電子貫穿金屬和硅的能力很強(qiáng)，因此電子輻照完全可以在室溫下以及整個器件封裝完成后進(jìn)行；
  (2)通過控制電子輻照的劑量(一般10¹³~10¹⁴rad)可以精確控制復(fù)合中心的濃度，主要是：一、可以進(jìn)行多次輻照；二、輻照感生缺陷在400℃左右的退火溫度就可以消除掉，可以退火消除感生缺陷并重新輻照，這樣能有效的減少廢品率；
  (3)工藝上清潔簡單，不會引入雜質(zhì)，不會影響原有雜質(zhì)的分布，沒有沾污問題，成品率較高；
  (4)輻照劑量高時，VO^(-/0)濃度接近N型基區(qū)本底摻雜濃度，由于補(bǔ)償效應(yīng)，會引起擊穿電壓的上升；在低劑量時對擊穿電壓的影響可以忽略；
  (5)電子輻照方便快捷，幾分鐘就能完成，而擴(kuò)金、擴(kuò)鉑需要時間較長。電子輻照壽命控制技術(shù)的缺點可以歸結(jié)為：
  ①輻照感生缺陷的高溫穩(wěn)定性差，在300℃以上溫度時，部分或全部缺陷會退火消失；
  ②深能級缺陷V₂^(-/0)能級靠近禁帶中央，使得電子輻照與擴(kuò)鉑制成的器件相比，漏電流偏大。
 
  從對器件綜合性能影響來看，電子輻照的關(guān)斷速度與正向壓降折衷比擴(kuò)金、擴(kuò)鉑差，而其反向漏電流與正向壓降的折衷次于擴(kuò)鉑但好于擴(kuò)金，應(yīng)該說電子輻照器件的綜合性能介于擴(kuò)金器件與擴(kuò)鉑器件之間，加之較為清潔方便快速，因此在功率器件制造中還是有著重要應(yīng)用的。
  總體評價整體壽命控制技術(shù)可以得出以下結(jié)論：在所有整體壽命控制技術(shù)中，因為鉑的良好能級位置和極高的溫度穩(wěn)定性，使得鉑成為了最理想的缺陷復(fù)合中心；電子輻照的器件綜合性能比擴(kuò)鉑的差一些且形成缺陷的高溫(指高于300℃)穩(wěn)定性不佳，但由于電子輻照具有操作簡便、控制精確、廢品率低和耗時短的優(yōu)點，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用；擴(kuò)金器件的綜合性能最差，現(xiàn)在生產(chǎn)中已經(jīng)基本上不再使用。



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