鉑金雙摻雜對快恢復(fù)二極管性能的影響

  1.引言
  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。在電力電子技術(shù)中，快恢復(fù)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(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開關(guān)速度越來越快，恢復(fù)時間越來越短。
  提高二極管開關(guān)連度的主要方法是向器件內(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，這就是壽命控制技術(shù)。但進(jìn)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(shù)，井比較各種壽命控制技術(shù)的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了擴(kuò)鉑、和擴(kuò)金技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析了鉑、金擴(kuò)散對反向恢復(fù)時間、正向壓降、反向漏電的影響。
 
  2. 壽命控制技術(shù)
  壽命控制技術(shù)分為傳統(tǒng)的全局壽命控制技術(shù)(擴(kuò)金、礦鉑、電子輻照)和新興的局域壽命控制技術(shù)(H⁺、He²⁺等輕離子輻照)。
  全局壽命控制技術(shù)是在整個芯片厚度范圍內(nèi)全部引入復(fù)合中心，主要有貴金屬擴(kuò)散(擴(kuò)金和擴(kuò)鉑)和電子輻照兩種。貴金屬原子擴(kuò)散能夠通過踢出(Kick Out)機(jī)制在硅中引入復(fù)合中心，其過程是：擴(kuò)散剛開始時，金屬原子以間隙原子的形式快速進(jìn)入半導(dǎo)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(gòu)成有效的復(fù)合中心。在700℃以上的溫度下，擴(kuò)散會很快貫穿整個硅片厚度。最終，復(fù)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(shù)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(dǎo)體內(nèi)部的均勻地誘生出點(diǎn)缺陷，其中電活性的氧-空位對(VO)和雙空位(V₂)可構(gòu)成復(fù)合中心，藉此即可達(dá)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(guān)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(nèi)部某處強(qiáng)化復(fù)合中心的分布，以使器件具備更優(yōu)的性能(如軟恢復(fù))。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(fù)合中心來控制過剩載流子壽命，但由于輕離子(H+、He²⁺)的質(zhì)量較電子大、注入的射程較短，因此可以在體內(nèi)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(diào)節(jié)和組合來精確地控制這種分布。
 
  3. 各類壽命控制技術(shù)比較
  表1給出了各種壽命控制技術(shù)所形成的復(fù)合中心能級位置。其中，擴(kuò)鉑形成的復(fù)合中心能級中起主要作用的是位于導(dǎo)帶底下0.23 eV處(即E_c-0.23 eV)的能級，它遠(yuǎn)離禁帶中央，擴(kuò)金形成的主要復(fù)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(yīng)的能級前者位于E_c-0.16 eV，靠近導(dǎo)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(fù)合中心能級向禁帶中央趨近會導(dǎo)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(kuò)金、H⁺和He²⁺離子輻照等技術(shù)與缺陷能級遠(yuǎn)離禁帶中央的擴(kuò)鉑技術(shù)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(kuò)鉑器件大。大的反向漏電流不僅會導(dǎo)致器件在關(guān)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(yīng)用時重點(diǎn)考慮的一個參數(shù)。
  此外、擴(kuò)鉑、擴(kuò)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(kuò)鉑、擴(kuò)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(jìn)行一次擴(kuò)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(jìn)行一次輻照。
  針對擴(kuò)鉑、擴(kuò)金，Baliga，擴(kuò)鉑器件的高溫特性優(yōu)于擴(kuò)金器件，主要是由于擴(kuò)金器件高溫漏電流遠(yuǎn)大于擴(kuò)鉑器件，甚至有大到導(dǎo)致器件高溫下無法正常工作的程度。因此需要器件工作結(jié)溫高時優(yōu)選擴(kuò)鉑。相比擴(kuò)金器件、擴(kuò)鉑器件的正向壓降-反向恢復(fù)時間(VF-trr)特性較差，大的正向壓降會導(dǎo)致器件導(dǎo)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(kuò)散和電子輻照在功率器件制造業(yè)被廣泛使用。結(jié)合我公司現(xiàn)有工藝設(shè)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(fù)二極管并進(jìn)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(jié)推進(jìn)、鈍化層生長、鉑或金擴(kuò)散、金屬電極制備等工藝步驟制成。其中鉑或金擴(kuò)散分為多組進(jìn)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(fù)時間t_rr采用TRR6000二極管反向恢復(fù)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(fù)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(jié)果及討論
  5.1獲得相同t_rr時擴(kuò)鉑、擴(kuò)金對性能的影響
  分別采用擴(kuò)鉑、擴(kuò)金方法獲得相同反向恢復(fù)時間t_rr器件擊穿電壓、反向漏電流和反向恢復(fù)時間的數(shù)據(jù)由表2給出?？梢钥闯鲈讷@得相同反向恢復(fù)時同時擴(kuò)金器件與擴(kuò)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(kuò)散溫度高85℃。顯著增加的漏電流符合Baliga的理論預(yù)期。  
  5.2不同擴(kuò)散溫度對器件特性的影響
  5.2.1對反向恢復(fù)時間t_rr的影響
  采用不同擴(kuò)散溫度進(jìn)行鉑、金摻雜，器件室溫下反向恢復(fù)時間見圖1。這兩種工藝中，都是擴(kuò)散溫度越高，t_rr越短。說明隨擴(kuò)散溫度升高，鉑或金擴(kuò)散進(jìn)入器件體內(nèi)的濃度越高，形成的復(fù)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(nèi)，、如果要獲得相同的反向恢復(fù)時間，擴(kuò)金需要的溫度比擴(kuò)鉑溫度高。如要獲得25-35ns范圍內(nèi)的反向恢復(fù)時間，擴(kuò)金比擴(kuò)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(kuò)散溫度對器件進(jìn)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(fù)時間范圍25～35ns時，擴(kuò)金器件的正向壓降要小于擴(kuò)鉑器件。另外擴(kuò)金器件在125℃下的正向壓降也略小于擴(kuò)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(kuò)鉑器件V_F隨擴(kuò)散溫度的變化率要小于擴(kuò)金器件。  
  5.2.3對流電流氣的影響
  采用不同擴(kuò)散溫度對器件進(jìn)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(fù)時間范圍25-35ns時采用擴(kuò)金方法的器件反向漏電流明顯比擴(kuò)鉑方法的高，高溫下尤甚，可高達(dá)220倍(室溫下易受表面漏電因素干擾)。這一結(jié)果更加充分地驗證了Baliga的理論，從而也更加說明了擴(kuò)鉑器件高溫特性好。  
  6.結(jié)論
  由于簡單實用，可控性較好，貴金屬擴(kuò)散在功率器件制造業(yè)被廣泛使用。由于鉑在硅中具有遠(yuǎn)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(kuò)鉑器件的漏電流比擴(kuò)金低得多。實驗表明，要實現(xiàn)相同t_rr，擴(kuò)鉑溫度低于擴(kuò)金。同時，擴(kuò)鉑器件的常溫、高溫漏電流小于擴(kuò)金器件，溫度穩(wěn)定性好。因此，盡管擴(kuò)鉑對器件的正向壓降影響比擴(kuò)金稍大，但要制造高溫特性穩(wěn)定、工作結(jié)溫高、漏電流小的器件，應(yīng)優(yōu)選擴(kuò)鉑工藝。



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