快恢復(fù)二極管FRD對(duì)抗反偏ESD與雪崩耐量的影響

  1. 引言
  快恢復(fù)二極管( FRD) 是一種應(yīng)用廣泛的功率器件，其可靠性對(duì)整個(gè)電路甚至系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要。靜電放電( Electrostatic Discharge，ESD) 電壓高，瞬時(shí)電流大，會(huì)對(duì)整個(gè)電路甚至系統(tǒng)造成極大的危害，可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。ESD能力與雪崩耐量常常是考察器件性能及堅(jiān)固性的兩個(gè)重要方面。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)功率FRD的ESD和雪崩耐量的研究及相關(guān)的可靠性及失效還比較少。且值得注意的是，在實(shí)際生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，在提高功率二極管ESD和雪崩耐量這兩個(gè)方面是相互關(guān)聯(lián)的，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)矛盾。一些高端應(yīng)用會(huì)對(duì)其ESD 指標(biāo)提出較高要求。因此對(duì)二極管的ESD測(cè)試與雪崩耐量測(cè)試同時(shí)進(jìn)行研究，探究二者的共性與差異，對(duì)于有效提高器件性能具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
 
  2. ESD測(cè)試與雪崩耐量測(cè)試的仿真模型
  為使問題簡(jiǎn)化，盡快獲得對(duì)器件設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義的結(jié)論，本文采用一種簡(jiǎn)化的分段性電流源模型如圖所示，具體參數(shù)為反偏ESD仿真用電流源設(shè)定為零時(shí)刻，電流為零；1ns時(shí)，電流源線性增至其峰值電流30A；30ns時(shí)，電流降到約為其峰值的一半，16A；91ns降為1A；雪崩耐量測(cè)試仿真用電流源設(shè)定零時(shí)刻，電流為零；20ns時(shí)，電流源線性增至其峰值電流1A；雪崩耐量測(cè)試仿真用電流源設(shè)定零時(shí)刻，電流為零；20ns時(shí)，電流源線性增至其峰值電流1A；3.42μs時(shí)，電流降為0A。選取只包含主結(jié)及其場(chǎng)板的簡(jiǎn)單二極管結(jié)構(gòu)作為參考結(jié)構(gòu)如圖3所示，利用半導(dǎo)體器件仿真工具ISE-TCAD并調(diào)用晶格溫度高級(jí)應(yīng)用模塊對(duì)參考二極管結(jié)構(gòu)的反偏ESD和雪崩耐量仿真過程分別進(jìn)行仿真。

  3. 仿真結(jié)果分析
  結(jié)果表明，二者的端電壓波形的變化經(jīng)歷了電壓過沖、負(fù)阻和振蕩以及平緩發(fā)展三個(gè)階段如圖3所示。相應(yīng)的，器件內(nèi)部經(jīng)歷了過耗盡、雪崩注入、電場(chǎng)U型分布、載流子及電場(chǎng)分布漲落等復(fù)雜變化，并在PN結(jié)拐角處形成局部電流集中，但靜電放電對(duì)器件造成的影響更嚴(yán)峻。下文將對(duì)二者的主要不同之處加以討論。
  由圖3可以看出，ESD與雪崩耐量仿真中都存在電壓過沖現(xiàn)象，ESD仿真中，電壓在0.6ns左右發(fā)生過沖，電壓峰值高達(dá)500V，遠(yuǎn)大于參考二極管的靜態(tài)擊穿電壓(約320V)，雪崩耐量仿真中電壓在12ns附近發(fā)生過沖，電壓峰值385V，高于器件的靜態(tài)擊穿電壓，但遠(yuǎn)不及ESD沖擊下電壓過沖的程度大。對(duì)比二者在電壓峰值時(shí)刻的器件內(nèi)部電場(chǎng)分布圖(圖4)及載流子分布圖(圖5)，可以看出ESD仿真電場(chǎng)峰值在0.5ns時(shí)達(dá)到最大，高達(dá)3.7×10⁵V/cm，雪崩注入產(chǎn)生大量的電子和空穴，載流子濃度遠(yuǎn)超過背景摻雜濃度；而雪崩耐量仿真在11ns時(shí)電壓達(dá)到峰值，電場(chǎng)峰值為2.9×10⁵V/cm，低于ESD沖擊下的電場(chǎng)峰值，雪崩注入的載流子略高于背景摻雜濃度，這也進(jìn)一步解釋了雪崩耐量仿真中電壓過沖沒有ESD明顯的原因。

  之后的負(fù)阻振蕩階段，ESD的電壓迅速跌落，形成瞬時(shí)的微分負(fù)阻效應(yīng)，在接下來的0.7、0.8、0.9ns，PN-結(jié)拐角處雪崩產(chǎn)生的大量電子被陰極的正向電場(chǎng)吸引，電子流經(jīng)N-區(qū)中間時(shí)，淹沒掉此處的正電荷，電場(chǎng)在中間變得更平穩(wěn)電子流經(jīng)靠近N-N+結(jié)處的N-區(qū)時(shí)，使該處凈電荷由正變負(fù)，電場(chǎng)斜率提高。最終電場(chǎng)呈現(xiàn)典型的U型分布如圖6所示。而雪崩耐量測(cè)試的峰值電流峰值小，上升斜率大，雖也發(fā)生電壓過沖到高于靜態(tài)擊穿電壓，但遠(yuǎn)低于靜電放電造成的電壓過沖峰值，且陰極側(cè)電場(chǎng)始終不強(qiáng)，電子濃度不高，因此沒有形成典型的U型分布如圖7所示。
  負(fù)阻振蕩階段也是電流集中開始出現(xiàn)的階段，電流集中會(huì)優(yōu)先在電場(chǎng)最強(qiáng)的位置發(fā)生，對(duì)于本文給出的參考二極管而言，這個(gè)位置就是PN結(jié)拐角處，即x=80μm處附近，如圖8所示。在真實(shí)的三維器件結(jié)構(gòu)中，電流集中實(shí)際會(huì)演變?yōu)殡娏鹘z。電流絲的形成會(huì)引發(fā)局部溫升，極端情況下器件會(huì)被燒毀。  
  4. FRD結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)抗ESD沖擊及雪崩耐量的影響
  提高N-區(qū)摻雜濃度對(duì)提高抗ESD能力和雪崩耐量起到促進(jìn)作用。因?yàn)镹-區(qū)摻雜濃度高，對(duì)應(yīng)負(fù)阻臨界電流密度就大，使電流集中不易發(fā)生，因此，低壓二極管的抗ESD能力和雪崩耐量比高壓二極管強(qiáng)。
  減小陽極注入效率，即降低P區(qū)摻雜濃度對(duì)提高抗ESD能力和雪崩耐量不利，仿真計(jì)算表明，降低P區(qū)摻雜濃度后，引線孔邊緣處形成電流集中如圖9所示，ESD仿真的電流密度峰值上升，雪崩耐量仿真出的電流密度峰值雖然下降，但考慮實(shí)際器件的復(fù)雜性，在實(shí)際工藝中，硅鋁之間接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生毛刺，一旦發(fā)生穿通，實(shí)際的電流密度會(huì)很大，因此高陽極表面濃度有利于提高抗ESD能力和雪崩耐量。  
  5. 結(jié)論
  采用簡(jiǎn)明分段線性電流源，對(duì)參考二極管結(jié)構(gòu)的反偏ESD和雪崩耐量測(cè)試過程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，反偏ESD與雪崩耐量存在一定的共性與差異，二者端電壓波形的變化都經(jīng)歷了：電壓過沖、負(fù)阻和振蕩，以及平緩發(fā)展3個(gè)階段，并在PN結(jié)拐角處造成局部電流集中。不同之處在于，反偏ESD造成的電壓過沖明顯高于雪崩耐量測(cè)試，且出現(xiàn)典型的U型電場(chǎng)分布，電流也更集中，因此ESD對(duì)功率FRD的沖擊更嚴(yán)峻。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)抗ESD能力及雪崩耐量的影響，所得結(jié)論與實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是一致的。這也驗(yàn)證了本文仿真分析的合理性和有效性。



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