高压功率快恢复二极管的寿命控制研究

  1. 引言
  多年来，PIN高压功率快恢复二极管(FRD)的关断特性，一直倍受关注。如何获得反向恢复时间短、软度大、反向漏电流低的二极管是器件设计的主要目标。在广泛使用的高速硬开关电路中，开关器件的软度大具有特别重要的意义。但是，按常规的器件设计制造技术，提高软度与提高开关速度是相互矛盾的。
  一般地，二极管的反向恢复时间trr与大注入下过剩载流子有效寿命τ_H近似成正比。要获得短开关时间，就要降低τ_H。二极管的软度也与τ_H密切相关。利用电荷分析近似，二极管的软度可以表示成：

  其中C为常数，D_a为双极扩散系数，是表征大注入条件下过剩载流子扩散能力的物理量，w_R为一定反偏压下未耗尽中性区的宽度，t_a为反向恢复时间中电流下降阶段的时间。
  由方程(1)可以看出，载流子寿命降低，软度也会降低。为了在特性参数间取得良好折衷，在降低τ_H的同时，应尽量减小t_a。常用的手段包括低阳极发射效率结构、阳极短路、MPS结构以及局域寿命控制技术等，其中，局域寿命控制技术不仅可以通过降低局域过剩载流子寿命、减小过剩载流子的有效寿命、提高关断速度，同时可以通过精确的低寿命区位置的控制，实现对过剩载流子分布的控制，提高器件软度。因此这种方法在器件综合性能优化方面备受重视，成为近年来国际研究的一个重点。
  目前实现局域寿命控制的主要方法是轻离子(氢离子和氦离子)辐照，该项技术已经用于生产。但轻离子辐照感生的主陷阱能级位于导带下0.42eV，比较靠近禁带中央，它有利于加速过剩载流子的复合、提高器件的关断速度，但制成的器件漏电流较大、高温稳定性较差，不是理想的复合中心。相对而言，铂杂质形成的主复合中心位于导带下0.23eV，远离禁带中央，制成的器件漏电较小。所以，局域铂掺杂可以得到S值大而且漏电流也低的器件，并具有良好的高温稳定性和可靠性。
  局域铂掺杂可以通过轻离子辐照感生的缺陷对铂的汲取作用获得，但由于各种因素的影响，应用局域铂掺杂寿命控制技术，当开关时间降低到一定程度之后便趋于饱和，不再随离子注入剂量的增加而降低。因此单纯的局域铂掺杂对开关速度降低有一定局限性。
  作者在具有低阳极发射效率结构的功率FRD基础上，利用局域铂掺杂，形成局域低寿命区(L³R——Local low lifetime region)，然后辅以电子辐照进行整体寿命控制进一步减小了关断时间，并且得到了很好的综合性能折衷。文中对此进行了详细说明。
 
  2. 试  验
  试验分两个步骤进行，首先制备具有局域铂掺杂的样管，主要电性能参数测试后对样管进行电子辐照。
  样管采用P⁺PN^-N⁺结构(如图1所示)，P⁺区深度约为0.9μm，表面掺杂浓度为1.8×10¹⁹cm^-3；P区设计结深为4.5μm，表面掺杂浓度为4.43×10¹⁷cm^-3。P⁺PN^-N⁺结构完成后在P⁺面上溅射铂，退火(300℃、60min)形成铂硅合金；之后进行氢离子辐照，能量为550keV(对应射程为6.85μm)，辐照剂量为1×10¹⁴cm^-2，铂汲取退火温度为700℃，时间15min；最后，蒸铝作电极、封装，对封装好的样管进行电子辐照，能量为4MeV，辐照剂量为5.2×10⁴～2.626×10⁶Gy，进行退火研究。  
  3. 试验结果与分析
  对局域铂掺杂样管(LPL)进行了扩展电阻测试(spread resistance probe)，结果如图2所示，Depth表示距表面距离。从图中可以看出，局域铂掺杂的峰值浓度位于距表面约6μm处，宽度2μm。同时还可以看出，与传统铂掺杂形成的替位铂不同，经质子辐照感生缺陷汲取的铂，表现出的是施主特性，而非受主特性。这可能是铂-空位的各种复合体，在硅禁带中引进多个缺陷能级，起复合中心作用的是位于导带下0.23eV的受主能级，而对电阻率产生影响的，可能是某施主能级。有关具体原因有待研究。另外，有关局域铂掺杂的影响笔者在其它文章进行了讨论，这里重点讨论电子辐照的影响。  
  样管主要开关参数反向恢复时间trr和软度S随电子辐照剂量Ф的变化曲线如图3所示。测试条件为:I_F=1A，V_R=30V；di/dt=30A/μs，常温。其中V_R是关断过程中加在二极管两端的反向电压，di/dt是电流变化率，它是表征二极管承受反向尖冲耐压的物理量。可以看出，随着辐照剂量的增加，trr迅速降低，同时S也有所减小，但减小幅度相对于trr降低要小(S降为原来的62.5%，trr降为原来的30%)。  
  电子辐照感生缺陷对温度变化比较敏感，而不同的退火温度，对N型硅和P型硅中缺陷的影响不同，原有缺陷可能消失而形成新的缺陷能级。对辐照后的样管在不同温度下退火(温度分别为160℃、200℃、240℃、280℃、300℃、360℃、380℃，时间2h)，然后对反向恢复特性进行了测试(测试条件同上)，结果如图4所示。从图中看出，退火温度低于300℃时，不同退火温度对反向恢复时间的影响不大，而对软度影响较明显;当退火温度高于300℃时，
反向恢复时间迅速增加，而软度几乎不变。可见退火温度控制在300℃以下，有利于器件性能优化。  
  样管的其它特性参数如表1所示，其中，I_RM为反向尖峰电流，I_R为反向漏电流。为了比较，同时给出了商用产品SML30EUZ12B的相应参数。SML30EUZ12B采用的是氦离子辐照进行局域寿命控制，并辅以电子辐照进行整体寿命控制。从表中可以看出，单纯局域铂掺杂样管的反向恢复时间较大，但软度因子S比较理想，反向漏电很低，且具有良好的温度特性。经电子辐照后，反向恢复时间迅速降低，虽然软度与SML30EUZ12B相比低，但漏电明显低(如图5所示)。  
  另外，由方程(1)可以看出，S是偏压的函数，随着负压增大，中性基区的宽度减小，软度增大，最终趋向于τH/t_a。测试了不同反向偏压下的软度，如图6所示。虽然在较小偏压下，本实验样品软度比SML30EUZ12B小，但随着反偏压增大，软度越来越接近。原因在于，在局域低寿命区控制上，笔者采用的是局域铂掺杂，L³R宽度相较于SML30EUZ12B采用的氦离子辐照形成的L³R要大。在较低反偏压下，耗尽区较窄，L³R宽意味着局域性较低，因此软度较小。但随着反偏压增大，L³R宽度影响越来越弱，所以，在实际使用有意义的中、大电压范围内两者软度趋向一致。文中样管的反向漏电要小得多，温度特性也更优良，综合性能更好。
 
  4.  结论
  利用局域铂掺杂的局域寿命控制和电子辐照整体寿命控制相结合的技术，研制了快恢复二极管。测试结果表明，在中、大耐压条件下，与国际同类产品相比，在反向恢复时间和软度相当的情况下，器件的反向漏电更低、温度特性更好，样管性能处于国际先进水平。小偏压下软度的改善可通过改变注入离子种类、改变局域铂掺杂区位置和宽度实现，这项工作正在进行中。


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