高壓功率快恢復(fù)二極管的壽命控制研究

  1. 引言
  多年來，PIN高壓功率快恢復(fù)二極管(FRD)的關(guān)斷特性，一直倍受關(guān)注。如何獲得反向恢復(fù)時間短、軟度大、反向漏電流低的二極管是器件設(shè)計的主要目標。在廣泛使用的高速硬開關(guān)電路中，開關(guān)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(shè)計制造技術(shù)，提高軟度與提高開關(guān)速度是相互矛盾的。
  一般地，二極管的反向恢復(fù)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(guān)時間，就要降低τ_H。二極管的軟度也與τ_H密切相關(guān)。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(shù)，D_a為雙極擴散系數(shù)，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(fù)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(shù)間取得良好折衷，在降低τ_H的同時，應(yīng)盡量減小t_a。常用的手段包括低陽極發(fā)射效率結(jié)構(gòu)、陽極短路、MPS結(jié)構(gòu)以及局域壽命控制技術(shù)等，其中，局域壽命控制技術(shù)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(guān)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(shù)已經(jīng)用于生產(chǎn)。但輕離子輻照感生的主陷阱能級位于導(dǎo)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(fù)合、提高器件的關(guān)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(fù)合中心。相對而言，鉑雜質(zhì)形成的主復(fù)合中心位于導(dǎo)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(yīng)用局域鉑摻雜壽命控制技術(shù)，當(dāng)開關(guān)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(guān)速度降低有一定局限性。
  作者在具有低陽極發(fā)射效率結(jié)構(gòu)的功率FRD基礎(chǔ)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(guān)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(shù)測試后對樣管進行電子輻照。
  樣管采用P⁺PN^-N⁺結(jié)構(gòu)(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(shè)計結(jié)深為4.5μm，表面摻雜濃度為4.43×10¹⁷cm^-3。P⁺PN^-N⁺結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)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(jié)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(jīng)質(zhì)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(fù)合體，在硅禁帶中引進多個缺陷能級，起復(fù)合中心作用的是位于導(dǎo)帶下0.23eV的受主能級，而對電阻率產(chǎn)生影響的，可能是某施主能級。有關(guān)具體原因有待研究。另外，有關(guān)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(guān)參數(shù)反向恢復(fù)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(guān)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(fù)特性進行了測試(測試條件同上)，結(jié)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(fù)時間的影響不大，而對軟度影響較明顯;當(dāng)退火溫度高于300℃時，
反向恢復(fù)時間迅速增加，而軟度幾乎不變?？梢娡嘶饻囟瓤刂圃?00℃以下，有利于器件性能優(yōu)化。  
  樣管的其它特性參數(shù)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(chǎn)品SML30EUZ12B的相應(yīng)參數(shù)。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(fù)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(jīng)電子輻照后，反向恢復(fù)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(shù)，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(nèi)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(jié)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(jié)合的技術(shù)，研制了快恢復(fù)二極管。測試結(jié)果表明，在中、大耐壓條件下，與國際同類產(chǎn)品相比，在反向恢復(fù)時間和軟度相當(dāng)?shù)那闆r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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