快恢复二极管的电子辐照寿命控制技术

  快恢复二极管通常是指反向恢复过程较短的二极管，通常用反向恢复时间(trr)这一参数来表征。快恢复二极管大量应用在电力电子电路中，与三端高频功率开关器件(如功率MOS，IGBT等)配合使用，起续流、嵌位和高频整流作用。由于电路的开关频率越来越高，就要求与之配合使用的二极管有快的开关速度，从而保证电路的工作频率不因二极管受到限制。高可靠器件通常是指能够在恶劣环境下(温度、辐照、水汽等)长期正常、稳定工作的器件。
  寿命控制就是一种提高二极管开关速度的技术，其主要是向器件内部引入空间分布适当的复合中心，以有效减小少数载流子的寿命，从而减小反向恢复时间，达到提高开关速度的目的。但进行载流子寿命控制的同时会使二极管正向压降V_F、反向漏电流I_R变大，使二极管导通时和截止时功耗增大。其中附电流的增大甚至有可能导致器件无法正常工作。因此合适的寿命控制方法必须是在满足快速恢复的同时满足器件高可靠性能要求。
  器件可靠性与众多因素相关，如设计、制造、封装等。本文为您介绍快恢复二极管的电子辐照寿命控制技术。
 
  1. 电子辐照寿命控制技术
  电子辐照寿命控制技术是将器件置于辐照场中用高能量的电子束进行轰击，高能量的电子束能够贯穿整个器件，在器件晶格中产生电离效应及位移效应，使硅原子脱离正常格点位置形成一个空位缺陷和一个硅间隙原子。由于硅间隙原子及空位缺陷的状态极不稳定，要与其它杂质原子相互作用，产生更复杂的杂质空位聚合体，如氧空位、磷空位及双空位等。其中比较稳定的电活性缺陷是VO^(-/0)(氧一空位对缺陷，E_t-E_C-0.16eV)和V₂^(-/0)(双空位缺陷，E_t=E_C-0.42eV)，如图1所示。前者能级靠近导带，因此它决定了大注入时的少子寿命，而后者能级靠近禁带中央，因此它决定了小注入时的少子寿命和空间耗尽区的载流子产生寿命。这两种缺陷的浓度取决于半导体的种类、电子辐照的能量和剂量、退火温度和时间等条件。

 
  目前电子辐照的能量选择在0.5～15MeV之间，由于电子的质量很小，这个能量范围内的电子可以完全贯穿器件，如图2所示。只是在低能量电子辐照(几KeV)时，半导体晶格对电子束有一定的阻挡作用，这样在器件内部射程的后部分感生的缺陷会有所减少。实际应用的电子辐照形式主要有常温辐照、常温辐照并退火、高温辐照以及先扩金或扩铂再辐照等多种形式。与贵金属扩散过程难以控制不同，人们可以通过控制辐照剂量来精确控制电子辐照感生缺陷的浓度，进而精确控制器件的关断速度。   
  2. 电子辐照寿命控制技术的优点
  (1)电子贯穿金属和硅的能力很强，因此电子辐照完全可以在室温下以及整个器件封装完成后进行；
  (2)通过控制电子辐照的剂量(一般10¹³~10¹⁴rad)可以精确控制复合中心的浓度，主要是：一、可以进行多次辐照；二、辐照感生缺陷在400℃左右的退火温度就可以消除掉，可以退火消除感生缺陷并重新辐照，这样能有效的减少废品率；
  (3)工艺上清洁简单，不会引入杂质，不会影响原有杂质的分布，没有沾污问题，成品率较高；
  (4)辐照剂量高时，VO^(-/0)浓度接近N型基区本底掺杂浓度，由于补偿效应，会引起击穿电压的上升；在低剂量时对击穿电压的影响可以忽略；
  (5)电子辐照方便快捷，几分钟就能完成，而扩金、扩铂需要时间较长。电子辐照寿命控制技术的缺点可以归结为：
  ①辐照感生缺陷的高温稳定性差，在300℃以上温度时，部分或全部缺陷会退火消失；
  ②深能级缺陷V₂^(-/0)能级靠近禁带中央，使得电子辐照与扩铂制成的器件相比，漏电流偏大。
 
  从对器件综合性能影响来看，电子辐照的关断速度与正向压降折衷比扩金、扩铂差，而其反向漏电流与正向压降的折衷次于扩铂但好于扩金，应该说电子辐照器件的综合性能介于扩金器件与扩铂器件之间，加之较为清洁方便快速，因此在功率器件制造中还是有着重要应用的。
  总体评价整体寿命控制技术可以得出以下结论：在所有整体寿命控制技术中，因为铂的良好能级位置和极高的温度稳定性，使得铂成为了最理想的缺陷复合中心；电子辐照的器件综合性能比扩铂的差一些且形成缺陷的高温(指高于300℃)稳定性不佳，但由于电子辐照具有操作简便、控制精确、废品率低和耗时短的优点，现在工业生产中也得到了广泛的应用；扩金器件的综合性能最差，现在生产中已经基本上不再使用。



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