雙基區(qū)大功率快恢復(fù)二極管的技術(shù)研究

  1.引言 
  如今，隨著以GTO、IGBT、IGCT、IEGT等為代表的大功率器件新型電力電子器件在電力電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為其使用中不可缺少的重要 “伴侶”芯片——快恢復(fù)二極管（FRD: Fast Recovery Diode）必須滿足其應(yīng)用要求。由于普通快恢復(fù)二極管反向特性較“硬”，容易造成新型電力電子大功率器件的損壞。為了克服普通快速恢復(fù)二極管的缺點，采用P⁺PINN⁺結(jié)構(gòu)替代了普通PN結(jié)構(gòu)和P⁺IN⁺結(jié)構(gòu)，使器件具有大的正向電流I_FM、高的耐壓U_RRM、較低的通態(tài)壓降V_FM、較小的漏電流I_RRM，而且通過精確控制少子壽命及基區(qū)的雜質(zhì)分布，可減少反向恢復(fù)電荷Q_rr、進一步縮短反向恢復(fù)時間t_rr和軟特性（軟度系數(shù)S=t₁/t₂?。?。從而使器件的特性能完全滿足GTO、IGBT、IGCT、IEGT等大功率器件開關(guān)電路的續(xù)流要求，其廣泛應(yīng)用于斬波器、逆變器、感應(yīng)加熱、高頻焊接和變頻調(diào)速等電力電子電路。該器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將對推動高頻電力電子電路發(fā)展具有十分重要的意義。
 
  2. 基本結(jié)構(gòu)及原理 
  2.1 基本結(jié)構(gòu) 
  P⁺PINN⁺型二極管是在N^-型半導(dǎo)體襯底上，通過擴散形成高濃度的P⁺和N⁺層及次表面的P和N層，從而形成一個PN結(jié)和兩個高低結(jié)（P⁺P和NN⁺）結(jié)構(gòu)。其中，高濃度的P⁺區(qū)為陽極；輕摻雜的襯底區(qū)N^-區(qū)和較重摻雜區(qū)N區(qū)兩部分組成基區(qū)； N區(qū)為緩沖基區(qū)或緩沖層；N區(qū)摻雜濃度高于N^-區(qū)，但遠低于N⁺區(qū)；高濃度的N⁺區(qū)為陰極。其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

 
  2.2原理分析 
  P⁺PINN⁺結(jié)構(gòu)的快速軟恢復(fù)二極管、PN結(jié)構(gòu)的普通整流二極管和P⁺IN⁺結(jié)構(gòu)的快速整流二極管的結(jié)構(gòu)及電場分布，分別如圖2（a）、（b）、（c）所示。從器件結(jié)構(gòu)上來看， P⁺PINN⁺型結(jié)構(gòu)是由一個PN結(jié)和兩個高低結(jié)（P⁺P和NN⁺）組成，該結(jié)構(gòu)兼顧P⁺IN⁺和PN結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。同PN結(jié)構(gòu)相比，在反向時，由于它具有基區(qū)I存在使空間電荷充分展寬從而提高耐壓U_RRM；正向?qū)〞r，由于I區(qū)注入載流子，增加了I區(qū)載流子濃度，增強了電導(dǎo)調(diào)制的作用，使正向壓降；此外，由于I區(qū)厚度的減薄減少了電導(dǎo)調(diào)制的電荷的存儲量，從而有效減小了反向恢復(fù)時間t_rr。同時，較長的基區(qū)少子壽命可以增加載流子復(fù)合時間，使器件恢復(fù)特性得以軟化。  
  二極管的反向恢復(fù)特性如圖3所示。在處于導(dǎo)通狀態(tài)的二極管兩端突然加一個反向電壓時，由于導(dǎo)通時在PN結(jié)區(qū)有大量少數(shù)載流子存貯起來，故到截止時要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時間，這個過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生這一過程所用的時間定義為反向恢復(fù)時間(t_rr)，即存儲時間和恢復(fù)時間兩個階段。經(jīng)過存儲時間t₁，空間電荷區(qū)的少子被抽取，反向電流已達到最大值I_rr。當(dāng)t > t₁ 時，空間電荷區(qū)開始建立，因為少數(shù)載流子經(jīng)過復(fù)合已不充分,反向恢復(fù)電流開始下降, 少數(shù)載流子通過復(fù)合而逐漸消失，反向電流逐漸減小至零，能承受很高的反向電壓，完全恢復(fù)到反向狀態(tài)，這段時間稱為恢復(fù)時間t₂。在t₂期間，若反向恢復(fù)電流的下降速度過大，由于器件應(yīng)用回路電感的存在會產(chǎn)生很高的毛刺電壓，有時會出現(xiàn)強烈震蕩，干擾電路，甚至造成電路失效?？梢?，具有較短的反向恢復(fù)時間t_rr、較低的反向電流下降速率-di/dt，恢復(fù)時無毛刺電壓或保持在較低水平，即軟恢復(fù)特性好的快恢復(fù)二極管，更適合快速整流電路應(yīng)用。通常用軟度系數(shù)S來表示反向恢復(fù)特性的軟度。S= t₁/t₂即存儲時間與恢復(fù)時間的比值。比值越小軟度特性就越好，在同樣的外電路條件下造成的電壓過沖就越小，比值越大軟度越差。  
  3. 制造工藝
  3.1雜質(zhì)濃度分布控制原理 
  對雜質(zhì)分布進行控制也可以改善反向恢復(fù)特性。傳統(tǒng)的P⁺IN⁺二極管由于高濃度P⁺和N⁺較厚一些，壽命極短，反向恢復(fù)時，基區(qū)貯存載流子可向P⁺和N⁺區(qū)擴散復(fù)合，如基區(qū)不太厚且少子壽命較長時，利于反向恢復(fù)。若壽命較短時，將加速反向恢復(fù)，造成較硬恢復(fù)特性。為此可在P⁺IN⁺中間區(qū)間分別加一個少子壽命較長一些、濃度較低的P和N區(qū)，形成P⁺PINN⁺結(jié)構(gòu)，同時使P⁺和N⁺區(qū)盡可能窄，減輕P⁺和N⁺對基區(qū)貯存載流子復(fù)合的影響，利于軟恢復(fù)特性又可達到較佳注入，保證正向壓降仍然較低。
 
  3.2少子壽命及分布的合理控制 
  對功率PIN二極管的壽命控制技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，在二極管器件的不同區(qū)域引入相同的復(fù)合中心，對反向恢復(fù)時間的影響是截然不同的，也就是說復(fù)合中心的引入有最佳區(qū)域。傳統(tǒng)的整體壽命控制技術(shù)（擴金、擴鉑和電子輻照）是在半導(dǎo)體體內(nèi)形成均勻分布的復(fù)合中心，這樣在器件不敏感區(qū)域同等引入的復(fù)合中心，對關(guān)斷時間的減小作用貢獻不大，但會同等程度的增大正向壓降和反向漏電，甚至導(dǎo)致軟度因子下降。局域少子壽命控制技術(shù)只在基區(qū)靠近P區(qū)局部區(qū)域引入高濃度的復(fù)合中心，就能大幅度的提高二極管的反向恢復(fù)時間，同時不會大幅度的增加正向壓降和反向漏電流。 
  本文對P⁺PINN⁺雙基區(qū)二極管基區(qū)壽命控制，采用了局域鉑擴散和電子輻照相結(jié)合的局域壽命控制技術(shù)，即在基區(qū)靠近P區(qū)局域采用鉑擴散方法引入高濃度復(fù)合中心形成局域低少子壽命區(qū)，其它基區(qū)采用電子輻照方法控制壽命使正向壓降和反向漏電流滿足要求。其分布如圖 4 所示。其工作機理是：在二極管關(guān)斷過程中，雖然PN結(jié)附近存在大量載流子，但由于基區(qū)靠近P區(qū)低壽命區(qū)的存在，此區(qū)的載流子被快速的復(fù)合掉，PN結(jié)迅速建立起空間電荷區(qū)，從而使二極管快速關(guān)斷，大幅度降低了二極管的反向恢復(fù)時間t_rr。由于正向壓降和反向漏電流由主體基區(qū)的少子壽命決定的，且低壽命區(qū)域很薄，因此局域壽命控制對正向壓降和反向漏電流不會產(chǎn)生大的影響。二極管主體基區(qū)壽命是根據(jù)正向壓降和反向漏電流要求，通過改變電子輻照的劑量來控制的。通過局域鉑擴散和電子輻照相結(jié)合的局域壽命控制技術(shù)，既能降低反向恢復(fù)時間t_rr又能保證正向壓降和反向漏電流。  
  4. 結(jié)論
  采用V_R=94p^0.7_n和η=W_i/X_m=0.25數(shù)學(xué)模型，對雙基區(qū)快恢復(fù)二極管FRD采用新穎的高阻薄基區(qū)p⁺pinn⁺結(jié)構(gòu)，對各個參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計；并通過采用芯片擴Pt和電子輻照兩種壽命控制工藝技術(shù)，共同控制基區(qū)少子壽命及分布。可設(shè)計和制造出具有大電流I_FM、高耐壓U_RRM、低通態(tài)壓降V_FM、小的漏電流I_RRM、短恢復(fù)時間t_rr和軟特性等高性能指標的大功率快恢復(fù)二極管，其指標和性能已達到國外同類產(chǎn)品水平。



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