双基区大功率快恢复二极管的技术研究

  1.引言 
  如今，随着以GTO、IGBT、IGCT、IEGT等为代表的大功率器件新型电力电子器件在电力电子领域的广泛应用，作为其使用中不可缺少的重要 “伴侣”芯片——快恢复二极管（FRD: Fast Recovery Diode）必须满足其应用要求。由于普通快恢复二极管反向特性较“硬”，容易造成新型电力电子大功率器件的损坏。为了克服普通快速恢复二极管的缺点，采用P⁺PINN⁺结构替代了普通PN结构和P⁺IN⁺结构，使器件具有大的正向电流I_FM、高的耐压U_RRM、较低的通态压降V_FM、较小的漏电流I_RRM，而且通过精确控制少子寿命及基区的杂质分布，可减少反向恢复电荷Q_rr、进一步缩短反向恢复时间t_rr和软特性（软度系数S=t₁/t₂小）。从而使器件的特性能完全满足GTO、IGBT、IGCT、IEGT等大功率器件开关电路的续流要求，其广泛应用于斩波器、逆变器、感应加热、高频焊接和变频调速等电力电子电路。该器件的研究开发和应用，将对推动高频电力电子电路发展具有十分重要的意义。
 
  2. 基本结构及原理 
  2.1 基本结构 
  P⁺PINN⁺型二极管是在N^-型半导体衬底上，通过扩散形成高浓度的P⁺和N⁺层及次表面的P和N层，从而形成一个PN结和两个高低结（P⁺P和NN⁺）结构。其中，高浓度的P⁺区为阳极；轻掺杂的衬底区N^-区和较重掺杂区N区两部分组成基区； N区为缓冲基区或缓冲层；N区掺杂浓度高于N^-区，但远低于N⁺区；高浓度的N⁺区为阴极。其结构剖面图如图1所示。

 
  2.2原理分析 
  P⁺PINN⁺结构的快速软恢复二极管、PN结构的普通整流二极管和P⁺IN⁺结构的快速整流二极管的结构及电场分布，分别如图2（a）、（b）、（c）所示。从器件结构上来看， P⁺PINN⁺型结构是由一个PN结和两个高低结（P⁺P和NN⁺）组成，该结构兼顾P⁺IN⁺和PN结构的优点。同PN结构相比，在反向时，由于它具有基区I存在使空间电荷充分展宽从而提高耐压U_RRM；正向导通时，由于I区注入载流子，增加了I区载流子浓度，增强了电导调制的作用，使正向压降；此外，由于I区厚度的减薄减少了电导调制的电荷的存储量，从而有效减小了反向恢复时间t_rr。同时，较长的基区少子寿命可以增加载流子复合时间，使器件恢复特性得以软化。  
  二极管的反向恢复特性如图3所示。在处于导通状态的二极管两端突然加一个反向电压时，由于导通时在PN结区有大量少数载流子存贮起来，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间(t_rr)，即存储时间和恢复时间两个阶段。经过存储时间t₁，空间电荷区的少子被抽取，反向电流已达到最大值I_rr。当t > t₁ 时，空间电荷区开始建立，因为少数载流子经过复合已不充分,反向恢复电流开始下降, 少数载流子通过复合而逐渐消失，反向电流逐渐减小至零，能承受很高的反向电压，完全恢复到反向状态，这段时间称为恢复时间t₂。在t₂期间，若反向恢复电流的下降速度过大，由于器件应用回路电感的存在会产生很高的毛刺电压，有时会出现强烈震荡，干扰电路，甚至造成电路失效。可见，具有较短的反向恢复时间t_rr、较低的反向电流下降速率-di/dt，恢复时无毛刺电压或保持在较低水平，即软恢复特性好的快恢复二极管，更适合快速整流电路应用。通常用软度系数S来表示反向恢复特性的软度。S= t₁/t₂即存储时间与恢复时间的比值。比值越小软度特性就越好，在同样的外电路条件下造成的电压过冲就越小，比值越大软度越差。  
  3. 制造工艺
  3.1杂质浓度分布控制原理 
  对杂质分布进行控制也可以改善反向恢复特性。传统的P⁺IN⁺二极管由于高浓度P⁺和N⁺较厚一些，寿命极短，反向恢复时，基区贮存载流子可向P⁺和N⁺区扩散复合，如基区不太厚且少子寿命较长时，利于反向恢复。若寿命较短时，将加速反向恢复，造成较硬恢复特性。为此可在P⁺IN⁺中间区间分别加一个少子寿命较长一些、浓度较低的P和N区，形成P⁺PINN⁺结构，同时使P⁺和N⁺区尽可能窄，减轻P⁺和N⁺对基区贮存载流子复合的影响，利于软恢复特性又可达到较佳注入，保证正向压降仍然较低。
 
  3.2少子寿命及分布的合理控制 
  对功率PIN二极管的寿命控制技术的研究发现，在二极管器件的不同区域引入相同的复合中心，对反向恢复时间的影响是截然不同的，也就是说复合中心的引入有最佳区域。传统的整体寿命控制技术（扩金、扩铂和电子辐照）是在半导体体内形成均匀分布的复合中心，这样在器件不敏感区域同等引入的复合中心，对关断时间的减小作用贡献不大，但会同等程度的增大正向压降和反向漏电，甚至导致软度因子下降。局域少子寿命控制技术只在基区靠近P区局部区域引入高浓度的复合中心，就能大幅度的提高二极管的反向恢复时间，同时不会大幅度的增加正向压降和反向漏电流。 
  本文对P⁺PINN⁺双基区二极管基区寿命控制，采用了局域铂扩散和电子辐照相结合的局域寿命控制技术，即在基区靠近P区局域采用铂扩散方法引入高浓度复合中心形成局域低少子寿命区，其它基区采用电子辐照方法控制寿命使正向压降和反向漏电流满足要求。其分布如图 4 所示。其工作机理是：在二极管关断过程中，虽然PN结附近存在大量载流子，但由于基区靠近P区低寿命区的存在，此区的载流子被快速的复合掉，PN结迅速建立起空间电荷区，从而使二极管快速关断，大幅度降低了二极管的反向恢复时间t_rr。由于正向压降和反向漏电流由主体基区的少子寿命决定的，且低寿命区域很薄，因此局域寿命控制对正向压降和反向漏电流不会产生大的影响。二极管主体基区寿命是根据正向压降和反向漏电流要求，通过改变电子辐照的剂量来控制的。通过局域铂扩散和电子辐照相结合的局域寿命控制技术，既能降低反向恢复时间t_rr又能保证正向压降和反向漏电流。  
  4. 结论
  采用V_R=94p^0.7_n和η=W_i/X_m=0.25数学模型，对双基区快恢复二极管FRD采用新颖的高阻薄基区p⁺pinn⁺结构，对各个参数进行了优化设计；并通过采用芯片扩Pt和电子辐照两种寿命控制工艺技术，共同控制基区少子寿命及分布。可设计和制造出具有大电流I_FM、高耐压U_RRM、低通态压降V_FM、小的漏电流I_RRM、短恢复时间t_rr和软特性等高性能指标的大功率快恢复二极管，其指标和性能已达到国外同类产品水平。



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