快恢复二极管动态雪崩过程及机制

 1.引言
  IGBT等现代功率开关器件通常需要与反并联续流二极管(FWD)一起使用，为实现高耐压的需要，高压FWD(耐压2 kV左右及以上)基区掺杂浓度通常很低，反向恢复di/dt较大时，受基区过剩载流子的影响，容易在比静态雪崩电压低很多的反偏电压下发生动态雪崩，提前达到临界场强发生碰撞电离，使得FWD动态坚固性降低。严重的动态雪崩会引发电流丝的出现，且趋向于固定在某一位置。这将会引起局部温升，最终导致器件因局部过热而损坏。事实上，高压FWD动态雪崩问题已成为提高系统工作频率及系统长期工作的稳定性和可靠性的一大限制因素。
 
  2.快恢复二极管动态雪崩过程和原理
  以pin结构为例，反向恢复过程中，随着二极管电压的上升，耗尽区电场增强。由基区等离子层向阳极侧漂移经过空间电荷区的穻穴，在强场下达到饱和漂移速度。pn结附近空穴浓度将随着反向恢复电流的增大而增大。而高压二极管n-基区电离施主浓度Np通常为10¹³cm^-3量级，这种情况下漂移经过空间电荷区的空穴对该区域的有效止电荷浓度N_eff起主要作用。由泊松方程dE/dx=qN_eff/ε可知，N_eff决定了电场梯度，pn结附近电场梯度显著増加，动态电场峰值增加，发生雪崩碰撞电离的临界值将不再由n-掺杂浓度决定，即二极管
将会提前发生雪崩碰撞电离，这就形成了动态雪崩。
  按自由载流子浓度对碰撞电高产生的影响程度不同将动态雪崩划分为三度动态雪崩。当反向恢复电流密度不大时，pn结发生动态雪崩，称为一度动态雪崩。随着反向恢复电流密度进一步增大，由于电子和空穴的运动方向不同，在空间电荷区内，等离子层抽取空穴(浓度为p)及碰撞电离产生空穴和电子(浓度分别为p_av和n_av)富集于不同位置上，空间电荷区电场分布形状随之改变。如图1所示，当反向电流密度为500 A/cm²时，电场近似为直线型分布，但当反向电流密度增大为1500 A/cm²时，电场变为S型分布。随着S型分布效应增强，电场E(x)所围面积(即电压)将会减小。从伏安特性上讲，此时二极管已进入负微分电阻区，称为二度动态雪崩。二极管处于负微分电阻区将诱发电流集中现象的出现，且电流集中有可能进一步发展成电流丝，仿真研究表明，电流丝区的电流密度比其他区域大出3个数量级以上。由于碰撞电离产生载流子对电场増强作用的饱和效应，使得理想情形下该区域由严重动态雪崩引起的电流丝是不断移动的，因此从理论上讲并不会引起严重的局部温升。

  在更大的反向恢复电流密度下，阳极侧碰撞电离产生电子(浓度为n_av)及等离子层抽取电子
(浓度为n)向右漂移，过补偿N_D时，nn⁺结处也将形成较强的电场。当阴极倒电场梯度的绝对值│dE/dx│=q（n+n_av-N_D）/ε增加到使电场峰值达到临界场强时，nn⁺结也发生雪崩碰撞电离。Nn+结碰撞电离产生的空穴向阳极侧移动经过pn站空间电荷区又会增强该处的动态雪崩，即此时形成相互促进的双重正反馈动态雪崩，称之为三度动态雪崩。
  nn⁺结产生碰撞电离所形成的双重正反馈动态雪崩会导致器件处于十分不稳定的状态，其电流密度可在几纳秒内增加3个数量级，且不同于阳极侧电流丝，在强场速度饱和效应的影响下，碰撞电离产生载流子的电场増强作用并不饱和，nn⁺结耗尽区持续缩小，形成等离子层到阴极的最短电流通道，因此阴极侧电流丝趋向于固定。相对固定的电流丝将导致严重的局部温升，最终器件本征激发而出现热击穿。综上所述，--度和二度动态雪崩具有自限定性，而双重正反馈动态雪崩或称为三度动态雪崩极其不稳定，被认为是对器件产生不可恢复性破坏的主要原因。
  图2a，b分别示出两种3.3 kV/100 A二极管反向恢复电流和电压随时问变化波形图。   其中，图2a所示二极管在0.4µs左右发生动态雪崩，此后电流急剧上升，电压下降，器件损坏，而图2b中，二极管在反向恢复电流峰值之后发生动态雪崩，产牛的大量电子中穴对，使得电流下降速度和电压上升速度都减慢(圈中所不区域)，但是器件成功实现阻断，因此相对而言，该器件具有较好的动态雪崩抗性。
 
  3.抗动态雪崩技术
  3.1改善电流分布均匀性
  材料缺陷、扩散和寿命控制造成的不均匀性、结终端及铝电极对低发射效率阳极的影响等不均匀性问题会使器件局部流过大电流，可能在这些区域发生局部动态雪崩而损坏器件，且由于所产生的载流子数相对较少，在端特性上并不一定能明显观察到它所带来的影响。通过在铝电极与硅之间增加阻挡层或通过在铝电极接触增加高浓度P⁺层来实现低发射效率阳极的均匀分布，,降低终端区改进技术包括降低终端区正向空穴注入、降低终端区载流子寿命和在终端与主结之间増加电阻区等。结终端延伸区或电阻区的存在使该区域电流分布相对较为均匀，避免在终端区发生局部动态雪崩而影响器件动态坚固性，且随着电阻区尺寸的增大，可使器件最终损坏的区域发生在有源区，即器件的动态性能不受终端影响。
 
  3.2阴极侧(nn⁺结)结构改进
  引起器件损坏的三度动态雪崩是由nn⁺结发生碰撞电离引起的，因此提高器件动态雪崩抗性需降低nn⁺结电场强度。由│dE/dx│=q（n+n_av-N_D）/ε可知，提高N_D将会需要更多的电子来增强nn⁺结电场梯度，通常的做法是增加缓冲层(掺杂浓度高于基区本底掺杂浓度又低于n⁺掺杂浓度)。研究人员对不同的缓冲层进行仿真研究得到反向恢复波形。采用缓冲层的结构相比于参考二极管结构、反向恢复电流下降得更早，都在一定程度上起到降低动态雪崩，产生电流的作用。而更宽的基区结构则会在基区留下更多的空穴，从而降低阴极侧电场强度。此外静态仿真表明，缓冲结构在更高的功率密度下才进入负微分电阻区，因此也具有更好的电流均匀性。随着基区本底掺杂浓度的提高，这一差异变得更为明显。类似结构如一种3300 A FWD，采用浓度梯度很小的nn⁺结，形成所谓的软穿通结构，其反向恢复波形如图2b所示。
  A Kopta等人提出的FCE二极管在软穿通结构基础上阴极侧增加了p型岛。K  Nakamura等人提出的RFC二极管具有类似结构，当空问电荷区扩展靠近阴极侧时。p型岛的作用相当于由p型岛、基区和阳极组成的pnp双极型晶体管的发射极，向基区注入中穴补偿电{以降低nn⁺结动态电场。图3a为FCF二极管结构示意图在iF=1500A，Ude=2500 V，di/dt = 4500 A/µs，Tj = 125 ℃, Ls=450 nH的恢复条件下，未能观察到动态雪崩对反向恢复波形产生较为明显的影响。但p型岛的引入牺牲了部分正向导通时阴极电子注入面积，将会对二极管软恢复特性及静态阻断特性带来负面影响。
  CIBH结构通过在nn⁺结前设置高浓度p型埋层来实现反向空穴注入，避免了阴极侧p型岛结构牺牲部分阴极电子注入面积的问题，图3b示出其结构示意图和等效电路图。由于J₃结两侧都为高掺杂，在很低的反向电压下(低于100V)即进入雪崩碰撞电离，J₃结雪崩产生的空穴注入基区部分补偿了基区电子，而且nn⁺结压降被箝位在J₃结的击穿电压，因此该区域电场强度降低，器件的动态雪崩抗性提高。实验测得两个CIBH二极管并联模块在5.5倍额定
电流，峰值功率达2.5 MW/cm³的条件下仍能正常完成反向恢复。但是背面空穴注入会在一定程度上延长反向恢复过程，开关损耗增加且静态阻断电压下降。  
  3.3阳极侧(pn结)结构改进
  由反向恢复基区电场建立过程可知，pn结电场将最先达到临界场强而发生雪崩碰撞电离，产生的电子又会继续影响nn⁺结电场的建立，因此降低反向恢复阳极侧电场强度将有助于从整体上提高动态雪崩抗性，降低动态雪崩产生电流。
 通过局域钯(Pd)寿命控制技术在pn结附近引入深能级复合中心形成受主补偿层，以降低反向恢复pn结峰值电场，轻离子辐照产生的缺陷中心对Pd具有吸杂作用，选取合适的扩散温度，Pd将在缺陷中心处形成深能级受主中心。随着空间电荷区扩展并穿通附加p型层，这些受主中心起到部分补偿漂移经过空间电荷区空穴的作用，从而减弱动态电场的影响。图4a图为中子辐照寿命控制与Pd局域寿命控制引入受主补偿层的二极管反向恢复波形。由图可知，相比于只采用曾通中子辐照寿命控制技术而言，增加Pd局域寿命控制形成受主补偿层后，反向恢复动态雪崩产生电流明显降低，通过在阳极附近(15-30µm)引入p+埋层以调制pn结电场分布，降低pn结电场峰值的结构，称为电场调制(FM)二极管。随后又提出了经过改进的p⁺埋层结构，在工艺上更容易实现且表现出比FM结构更好的动态特性。图4b示出仿真得到的p⁺p^-n^-n⁺结构在不同时刻(t1~t7)的电场分布、右上角小图为其结构示意图。阳极侧电场调制结构结合阴极侧结构改进来形成复合型结构，将会对改善二极管动态雪崩抗性起到更好效果。   4.结论
  动态雪崩对高压FWD在高频大电流应用场合下安全工作区面积、坚固性和长期工作稳定性产生重要影响。需要合理地设计器件结构结合工艺使其生产水平提高，以改善动态雪崩抗性，扩大器件应用范围和领域。近年来，在国家相关政策的大力支持下，国内相关企业和研究机构在中、低压lGBT和FRD的研究和生产上取得了一定成果，将来也必会在高压领域有所突破。



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