主結(jié)邊緣電阻區(qū)對高壓快恢復(fù)二極管特性的影響

  高壓快速恢復(fù)二極管研究的一個關(guān)鍵方面就是它的過流關(guān)斷問題。在過流關(guān)斷下，器件容易發(fā)生動態(tài)雪崩。動態(tài)雪崩是影響高壓快恢復(fù)二極管堅固性的一大因素。動態(tài)雪崩分為一度、二度、三度動態(tài)雪崩。三度動態(tài)雪崩將會引發(fā)惡性電流絲的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致器件燒毀。
  一個重要的解決方案和優(yōu)化方法，是在有器件源區(qū)和結(jié)終端區(qū)之間引入一個電阻連接區(qū)，并且如有可能，該區(qū)域盡量采用低摻雜。提高器件高壓過流關(guān)斷能力普遍采用這種電阻連接區(qū)，但使用不同的名稱，如HiRC、ballas tresistance和junction extension zone。本文針對不同電阻區(qū)結(jié)構(gòu)的過流關(guān)斷問題進行詳細深入分析。這為制造高性能高壓快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)提供必要參考。
 
  1. 器件的結(jié)構(gòu)
  器件在2倍額定電流下進行過流關(guān)斷，發(fā)生失效，如圖1所示，2個器件分別在中間和邊緣發(fā)生燒毀。通過切片分析如圖2所示，發(fā)現(xiàn)器件已經(jīng)燒到硅底。器件在不同位置發(fā)生了燒毀，需要借助仿真工具來模擬器件關(guān)斷過程以了解其失效機理。

 
  根據(jù)燒毀的場屏蔽陽極（field shieldtd anode，F(xiàn)SA)快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)，使用Sentaurus TCAD生成了一個2D器件結(jié)構(gòu)。器件結(jié)構(gòu)的有源區(qū)部分如圖3所示，有源區(qū)面積1mm²，額定電流1A，襯底厚度400µm。  
  參照燒毀器件終端結(jié)構(gòu)如圖4所示，利用FSA結(jié)構(gòu)陽極低摻雜緩沖層做電阻連接區(qū)，形成了3種連接方案，如圖5所示。其中第1個是在有源區(qū)邊緣燒毀器件的結(jié)構(gòu)，電阻區(qū)由有源區(qū)陽極側(cè)緩沖層延伸組成，長度為5µm;第2個是在有源區(qū)中間燒毀器件的結(jié)構(gòu)，電阻區(qū)長度為60µm，簡稱A結(jié)構(gòu)。為了更好地對比和分析，又設(shè)計了一個新結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)中電阻區(qū)長度為120µm，簡稱2A結(jié)構(gòu)。  
  本文采用的測試器件動態(tài)雪崩的電路如圖6所示，di/dt為較高的20A/µs，高壓快恢復(fù)二極管是在2倍額定電流(2A)下開始反向恢復(fù)，開關(guān)選用理想開關(guān)。測試電路過程為:先把開關(guān)閉合，讓負載電感充電，使電流穩(wěn)定到達2A，然后斷開開關(guān)，由于電感的存在，二極管在2倍額定電流下正向?qū)?，陽極和陰極向基區(qū)注入大量載流子，然后再次打開開關(guān)，高壓快恢復(fù)二極管在很高的di/dt苛刻條件下進行反向恢復(fù)，而這一時段容易發(fā)生動態(tài)雪崩。  
  2. 仿真結(jié)果
  2.1通態(tài)下陽極結(jié)邊緣處過剩載流子的注入情況
  圖7為3種結(jié)構(gòu)在2倍額定電流通態(tài)下陽極結(jié)邊緣處過剩載流子的注入情況，5µm結(jié)構(gòu)由于發(fā)射極注入效率較高，因此過剩載流子注入最多，2A和A結(jié)構(gòu)擁有較大的電阻區(qū)，所形成的自偏壓效應(yīng)可以降低邊緣處的結(jié)偏壓，從而減少過剩載流子注入，2A結(jié)構(gòu)最少，A結(jié)構(gòu)次之。  
  2.2器件反向恢復(fù)波形
  提取3種結(jié)構(gòu)反向恢復(fù)過程中電流電壓隨時間的變化曲線，如圖8所示。2A結(jié)構(gòu)在0.64µs達到電流峰值，A和5µm在0.58µs達到電流峰值。
 
  2.3器件最局溫度
  圖9為3種器件反向恢復(fù)過程中內(nèi)部最高溫度隨時間的變化曲線，由圖9可以看出，只有2A沒有燒毀（以臨界溫度800K為判據(jù))，5µm和A電阻區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度分別為976、967K，器件發(fā)生了燒毀。  
  2.4器件內(nèi)部的溫度
  A及2A結(jié)構(gòu)削弱了陽極結(jié)邊緣處的電流集中，因此器件沒有在主結(jié)邊緣發(fā)生燒毀，但是A結(jié)構(gòu)還是燒毀。圖10為提取的3種結(jié)構(gòu)在反向恢復(fù)過程中器件內(nèi)部最高溫度位置的溫度分布及局部放大圖，由圖10可以看出，5µm結(jié)構(gòu)在陽極結(jié)邊緣處燒毀，而A結(jié)構(gòu)燒毀發(fā)生在有源區(qū)，只有2A結(jié)構(gòu)最終安全地完成了過流關(guān)斷。  
  3. 機理分析
  3.1器件電流密度
  圖11為3種結(jié)構(gòu)在反向恢復(fù)過程中不同時刻器件內(nèi)部的電流密度分布，5µm結(jié)構(gòu)在電阻區(qū)0.30µs時刻在主結(jié)邊緣產(chǎn)生電流絲，在電阻區(qū)0.50µs時刻發(fā)生了電流絲穿通。A結(jié)構(gòu)在0。34µs時刻在有源區(qū)最左邊產(chǎn)生電流絲，在有源區(qū)左端0.58µs時刻發(fā)生了電流絲穿通。2A結(jié)構(gòu)在有源區(qū)最右邊0.30µs時刻產(chǎn)生電流絲，在有源區(qū)左端0.62s時刻發(fā)生了電流絲穿通。電流絲穿通后，基本不移動。固定于某一位置的較大電流絲將會導(dǎo)致嚴重的局部溫升，器件最終會因為局部過熱引發(fā)燒毀。電流絲穿通位置與最高溫度位置相符合。5µm結(jié)構(gòu)由于電阻區(qū)最短，對陽極結(jié)邊緣電流抑制最小，因此在陽極結(jié)邊緣燒毀。A電阻區(qū)結(jié)構(gòu)雖然削弱了陽極結(jié)邊緣處電流成絲的現(xiàn)象，但是電流絲在有源區(qū)最左邊穿通，就相當于2個半元胞在有源區(qū)中間集中產(chǎn)生較大的電流絲而發(fā)生燒毀。而2A電阻區(qū)結(jié)構(gòu)電流絲在靠近主結(jié)邊緣處，在一個完整器件中就是2個電流絲，因此沒有燒壞，最終安全地完成了反向恢復(fù)過程。   為了分析A和2A結(jié)構(gòu)最初產(chǎn)生電流絲的區(qū)別，提取了產(chǎn)生電流絲之前時刻有源區(qū)最右邊和電阻區(qū)的電流密度分布，如圖12所示，2A電阻區(qū)電流要明顯小于A電阻區(qū)，因此剩余的載流子要從有源區(qū)最右邊抽取出去，電流分布不均勻?qū)е铝穗娏鹘z出現(xiàn)。而A結(jié)構(gòu)由于一開始出現(xiàn)的是較均勻的電流，主結(jié)邊緣載流子分布少，因此抽取更快，如圖13所示，陽極載流子最后剩余在有源區(qū)最左邊，電流向有源區(qū)左邊收縮形成電流絲。  
  為了進一步分析A和2A的區(qū)別，提取了各個時刻的空穴密度分布如圖14所示。與圖11對照可知，最后電流絲穿通的位置與載流子最后剩余位置重合。A最初產(chǎn)生電流絲位置在有源區(qū)最左邊，2A最初電流絲在有源區(qū)最右邊。A電流絲從左移動到右再返回，最后停在最左邊，過剩載流子的抽取也從左移動到右，過剩載流子沒有抽取干凈，電流絲再向左移動繼續(xù)抽取，A過剩載流子最后剩余在有源區(qū)最左邊。2A電流絲從右移動到左再返回，最后停在有源區(qū)靠右邊，過剩載流子的抽取也從右移動到左，過剩載流子沒有抽取干凈，電流絲再向右移動繼續(xù)抽取，2A過剩載流子最后剩余在有源區(qū)靠右邊。  
  4. 結(jié)論
  在3種電阻區(qū)結(jié)構(gòu)過流關(guān)斷的仿真測試中發(fā)現(xiàn)，只有2A電阻區(qū)結(jié)構(gòu)沒有燒毀，而其他2種結(jié)構(gòu)都由于不同的溫升誘導(dǎo)因素導(dǎo)致了器件內(nèi)部不同位置的燒毀。5µm結(jié)構(gòu)與A、2A結(jié)構(gòu)比較，5µm的電阻區(qū)結(jié)構(gòu)由于主結(jié)邊緣載流子注入最多，電流絲在陽極結(jié)邊緣穿通，導(dǎo)致結(jié)邊緣發(fā)生燒毀，而A和2A結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生這種情況，說明加大電阻區(qū)可以改善主結(jié)邊緣的電流密度。A結(jié)構(gòu)與2A結(jié)構(gòu)比較，A結(jié)構(gòu)電流絲在有源區(qū)最左邊穿通，導(dǎo)致器件在該位置燒毀。2A電阻區(qū)結(jié)構(gòu)電流絲在靠近結(jié)邊緣的位置穿通，但是并沒有引起燒毀?？梢缘玫浇Y(jié)論，不同電阻區(qū)可以導(dǎo)致器件在有源區(qū)不同位置產(chǎn)生電流絲從而影響器件的過流關(guān)斷能力。



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