铂金双掺杂对快恢复二极管性能的影响

  1.引言
  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。在电力电子技术中，快恢复二极管作为不可或缺的一类功率器件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开关速度越来越快，恢复时间越来越短。
  提高二极管开关連度的主要方法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，这就是寿命控制技术。但进行载流子寿命控制的同时会使二极管正向压降V_p、反向漏电流I_R变大，使二极管在电路中静态功耗增大。
  本文主要讨论各类寿命控制技术，井比较各种寿命控制技术的特点，重点分析了扩铂、和扩金技术的优缺点，最后结合试验数据分析了铂、金扩散对反向恢复时间、正向压降、反向漏电的影响。
 
  2. 寿命控制技术
  寿命控制技术分为传统的全局寿命控制技术(扩金、矿铂、电子辐照)和新兴的局域寿命控制技术(H⁺、He²⁺等轻离子辐照)。
  全局寿命控制技术是在整个芯片厚度范围内全部引入复合中心，主要有贵金属扩散(扩金和扩铂)和电子辐照两种。贵金属原子扩散能够通过踢出(Kick Out)机制在硅中引入复合中心，其过程是：扩散刚开始时，金属原子以间隙原子的形式快速进入半导体中，随后金属间隙原子会踢出并替位硅原子，形成贵金属替位原子缺陷和硅间隙原子缺陷，其中前者是电活性的，构成有效的复合中心。在700℃以上的温度下，扩散会很快贯穿整个硅片厚度。最终，复合中心浓度会形成两头高、中同低的U型全局分布。
  另一种全局寿命控制技术是电子辐照，它利用能量为0.5-15MeV的电子束流贯穿整个器件，在半导体内部的均匀地诱生出点缺陷，其中电活性的氧-空位对(VO)和双空位(V₂)可构成复合中心，藉此即可达到控制过剩载流子寿命的目的。但这些缺陷都极不稳定，200-350℃的退火过程会令其陆续完全消失。
  轻离子(氢离子H⁺、氦离子He²⁺)辐照能够以受控的方式实现局域寿命控制，因而也受到广泛关注，局域寿命控制突破了全局控制的局限，可以根据需要较为灵活地在器件内部某处强化复合中心的分布，以使器件具备更优的性能(如软恢复)。与电子辐照相似，氢离子辐照也是利用辐照诱生的缺陷(也主要是VO和V₂)作为复合中心来控制过剩载流子寿命，但由于轻离子(H+、He²⁺)的质量较电子大、注入的射程较短，因此可以在体内形成缺陷峰值，形成局域分布，而且可以通过能量和剂量的调节和组合来精确地控制这种分布。
 
  3. 各类寿命控制技术比较
  表1给出了各种寿命控制技术所形成的复合中心能级位置。其中，扩铂形成的复合中心能级中起主要作用的是位于导带底下0.23 eV处(即E_c-0.23 eV)的能级，它远离禁带中央，扩金形成的主要复合中心能级位置在E_c-0.55 eV处，位于禁带中央附近。如前所述，电子辐照、H⁺辐照、He²⁺辐照诱生的主要电活性缺陷是VO和V₂，所对应的能级前者位于E_c-0.16 eV，靠近导带，决定大注入寿命，后者位于E_c-0.42 eV，靠近禁带中央，决定小注入寿命和空间电荷区产生寿命。

  根据Baliga的计算和分析，复合中心能级向禁带中央趋近会导致二极管反向漏电流急剧增大，因此能产生靠近禁带中央缺陷能级的扩金、H⁺和He²⁺离子辐照等技术与缺陷能级远离禁带中央的扩铂技术相比，器件的漏电流会明显增大。电子辐照由于诱生的深能级缺陷V ₂较少，因此漏电流比轻离子辐照器件小，比扩铂器件大。大的反向漏电流不仅会导致器件在关断状态时功耗增大、而且对器件的可靠性常常会产生不良彭响，器件漏电流是产品应用时重点考虑的一个参数。
  此外、扩铂、扩金形成的替位原子是稳定的原子缺陷，因此器件的长期稳定性好；而电子辐照形成的缺陷不稳定，在低温下就会退火消失，器件长期稳定性不好。在制造工艺方面，扩铂、扩金是在金属电极制作前完成，因此对于不合格的产品不能再进行一次扩散；电子辐照由于其缺陷退火消失的温度很低，可以对不合格产品在低温下退火消除缺陷后再进行一次辐照。
  针对扩铂、扩金，Baliga，扩铂器件的高温特性优于扩金器件，主要是由于扩金器件高温漏电流远大于扩铂器件，甚至有大到导致器件高温下无法正常工作的程度。因此需要器件工作结温高时优选扩铂。相比扩金器件、扩铂器件的正向压降-反向恢复时间(VF-trr)特性较差，大的正向压降会导致器件导通状态时功耗增大。
 
  4. 实验
  由于简单实用，可控性较好，贵金属扩散和电子辐照在功率器件制造业被广泛使用。结合我公司现有工艺设备和条件，我们采用铂、金掺杂作为寿命控制手段来制作超快恢复二极管并进行对比分析。样品芯片采用N型<111>衬底、p+nn+三层外延片，经过台面制造、PN结推进、钝化层生长、铂或金扩散、金属电极制备等工艺步骤制成。其中铂或金扩散分为多组进行，采用不同温度，其他工序均相同。圆片划片后采用D0-27同轴封装。
  样品正向压降V_F采用BJ4822大功率图示仪测试，击穿电压V_BR和反向漏电流I_R采用TVR6000二极管参数测试仪，反向恢复时间t_rr采用TRR6000二极管反向恢复时间测试仪测试，高温环境依靠美国TP04310A型热包围系统保证。正向压降测试条件为l_F=6A，击穿电压测试条件为l_R=100μA，反向漏电流测试条件为V_R=150V，反向恢复时间测试条件为I_F=I_RRM=1Ar，di/dt=100 A/μs，I_REC=0.1A。
 
  5. 实验结果及讨论
  5.1获得相同t_rr时扩铂、扩金对性能的影响
  分别采用扩铂、扩金方法获得相同反向恢复时间t_rr器件击穿电压、反向漏电流和反向恢复时间的数据由表2给出。可以看出在获得相同反向恢复时同时扩金器件与扩铂器件相比，击穿电压V_BR基本相同、常温反向漏电I_R较大(高出1个数量级以上)、正向压降V_F较小，扩散温度高85℃。显著增加的漏电流符合Baliga的理论预期。  
  5.2不同扩散温度对器件特性的影响
  5.2.1对反向恢复时间t_rr的影响
  采用不同扩散温度进行铂、金掺杂，器件室温下反向恢复时间见图1。这两种工艺中，都是扩散温度越高，t_rr越短。说明随扩散温度升高，铂或金扩散进入器件体内的浓度越高，形成的复合中心浓度也越高。  
 从图中还可以看出，在我们试验的温度范围内，、如果要获得相同的反向恢复时间，扩金需要的温度比扩铂温度高。如要获得25-35ns范围内的反向恢复时间，扩金比扩铂温度要高35-70℃。
 
  5.2.2对正向压降V_F的影响
  采用不同扩散温度对器件进行铂、金掺杂，器件在室温和125℃时的正向压降见图2。联系图1可以看出，室温时在获得相同的反向恢复时间范围25～35ns时，扩金器件的正向压降要小于扩铂器件。另外扩金器件在125℃下的正向压降也略小于扩铂器件。这与Baliga的理论相符。另外，从图2中还可以看出，在高温下，扩铂器件V_F随扩散温度的变化率要小于扩金器件。  
  5.2.3对流电流气的影响
  采用不同扩散温度对器件进行铂、金掺杂，器件在室温和125℃下的反向漏电流见图3。从图中可以看出获得相同反向恢复时间范围25-35ns时采用扩金方法的器件反向漏电流明显比扩铂方法的高，高温下尤甚，可高达220倍(室温下易受表面漏电因素干扰)。这一结果更加充分地验证了Baliga的理论，从而也更加说明了扩铂器件高温特性好。  
  6.结论
  由于简单实用，可控性较好，贵金属扩散在功率器件制造业被广泛使用。由于铂在硅中具有远离禁带中央的理想能级位置，而金的能级位置靠近禁带中央，所以扩铂器件的漏电流比扩金低得多。实验表明，要实现相同t_rr，扩铂温度低于扩金。同时，扩铂器件的常温、高温漏电流小于扩金器件，温度稳定性好。因此，尽管扩铂对器件的正向压降影响比扩金稍大，但要制造高温特性稳定、工作结温高、漏电流小的器件，应优选扩铂工艺。



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