快恢复二极管FRD对抗反偏ESD与雪崩耐量的影响

  1. 引言
  快恢复二极管( FRD) 是一种应用广泛的功率器件，其可靠性对整个电路甚至系统的正常工作至关重要。静电放电( Electrostatic Discharge，ESD) 电压高，瞬时电流大，会对整个电路甚至系统造成极大的危害，可能产生严重后果。ESD能力与雪崩耐量常常是考察器件性能及坚固性的两个重要方面。目前，国内对功率FRD的ESD和雪崩耐量的研究及相关的可靠性及失效还比较少。且值得注意的是，在实际生产中还发现，在提高功率二极管ESD和雪崩耐量这两个方面是相互关联的，有时还会出现矛盾。一些高端应用会对其ESD 指标提出较高要求。因此对二极管的ESD测试与雪崩耐量测试同时进行研究，探究二者的共性与差异，对于有效提高器件性能具有很重要的现实意义。
 
  2. ESD测试与雪崩耐量测试的仿真模型
  为使问题简化，尽快获得对器件设计有指导意义的结论，本文采用一种简化的分段性电流源模型如图所示，具体参数为反偏ESD仿真用电流源设定为零时刻，电流为零；1ns时，电流源线性增至其峰值电流30A；30ns时，电流降到约为其峰值的一半，16A；91ns降为1A；雪崩耐量测试仿真用电流源设定零时刻，电流为零；20ns时，电流源线性增至其峰值电流1A；雪崩耐量测试仿真用电流源设定零时刻，电流为零；20ns时，电流源线性增至其峰值电流1A；3.42μs时，电流降为0A。选取只包含主结及其场板的简单二极管结构作为参考结构如图3所示，利用半导体器件仿真工具ISE-TCAD并调用晶格温度高级应用模块对参考二极管结构的反偏ESD和雪崩耐量仿真过程分别进行仿真。

  3. 仿真结果分析
  结果表明，二者的端电压波形的变化经历了电压过冲、负阻和振荡以及平缓发展三个阶段如图3所示。相应的，器件内部经历了过耗尽、雪崩注入、电场U型分布、载流子及电场分布涨落等复杂变化，并在PN结拐角处形成局部电流集中，但静电放电对器件造成的影响更严峻。下文将对二者的主要不同之处加以讨论。
  由图3可以看出，ESD与雪崩耐量仿真中都存在电压过冲现象，ESD仿真中，电压在0.6ns左右发生过冲，电压峰值高达500V，远大于参考二极管的静态击穿电压(约320V)，雪崩耐量仿真中电压在12ns附近发生过冲，电压峰值385V，高于器件的静态击穿电压，但远不及ESD冲击下电压过冲的程度大。对比二者在电压峰值时刻的器件内部电场分布图(图4)及载流子分布图(图5)，可以看出ESD仿真电场峰值在0.5ns时达到最大，高达3.7×10⁵V/cm，雪崩注入产生大量的电子和空穴，载流子浓度远超过背景掺杂浓度；而雪崩耐量仿真在11ns时电压达到峰值，电场峰值为2.9×10⁵V/cm，低于ESD冲击下的电场峰值，雪崩注入的载流子略高于背景掺杂浓度，这也进一步解释了雪崩耐量仿真中电压过冲没有ESD明显的原因。

  之后的负阻振荡阶段，ESD的电压迅速跌落，形成瞬时的微分负阻效应，在接下来的0.7、0.8、0.9ns，PN-结拐角处雪崩产生的大量电子被阴极的正向电场吸引，电子流经N-区中间时，淹没掉此处的正电荷，电场在中间变得更平稳电子流经靠近N-N+结处的N-区时，使该处净电荷由正变负，电场斜率提高。最终电场呈现典型的U型分布如图6所示。而雪崩耐量测试的峰值电流峰值小，上升斜率大，虽也发生电压过冲到高于静态击穿电压，但远低于静电放电造成的电压过冲峰值，且阴极侧电场始终不强，电子浓度不高，因此没有形成典型的U型分布如图7所示。
  负阻振荡阶段也是电流集中开始出现的阶段，电流集中会优先在电场最强的位置发生，对于本文给出的参考二极管而言，这个位置就是PN结拐角处，即x=80μm处附近，如图8所示。在真实的三维器件结构中，电流集中实际会演变为电流丝。电流丝的形成会引发局部温升，极端情况下器件会被烧毁。  
  4. FRD结构参数对抗ESD冲击及雪崩耐量的影响
  提高N-区掺杂浓度对提高抗ESD能力和雪崩耐量起到促进作用。因为N-区掺杂浓度高，对应负阻临界电流密度就大，使电流集中不易发生，因此，低压二极管的抗ESD能力和雪崩耐量比高压二极管强。
  减小阳极注入效率，即降低P区掺杂浓度对提高抗ESD能力和雪崩耐量不利，仿真计算表明，降低P区掺杂浓度后，引线孔边缘处形成电流集中如图9所示，ESD仿真的电流密度峰值上升，雪崩耐量仿真出的电流密度峰值虽然下降，但考虑实际器件的复杂性，在实际工艺中，硅铝之间接触时会产生毛刺，一旦发生穿通，实际的电流密度会很大，因此高阳极表面浓度有利于提高抗ESD能力和雪崩耐量。  
  5. 结论
  采用简明分段线性电流源，对参考二极管结构的反偏ESD和雪崩耐量测试过程进行了仿真分析，结果表明，反偏ESD与雪崩耐量存在一定的共性与差异，二者端电压波形的变化都经历了：电压过冲、负阻和振荡，以及平缓发展3个阶段，并在PN结拐角处造成局部电流集中。不同之处在于，反偏ESD造成的电压过冲明显高于雪崩耐量测试，且出现典型的U型电场分布，电流也更集中，因此ESD对功率FRD的冲击更严峻。在此基础上，计算了器件结构参数变化对抗ESD能力及雪崩耐量的影响，所得结论与实际的生产经验是一致的。这也验证了本文仿真分析的合理性和有效性。



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