提高快恢复二极管正向浪涌电流特性的研究
在现代电网系统中，功率半导体分立器件愈发的突显了其作用。特别是在全球能源互联的背景之下，依托半导体功率器件是完成电网系统智能化、坚强化的最重要的手段之一。
快恢复二极管(FastRecoveryDiode)是电网系统中功率分立半导体器件的重要一员。由于具有较短的反向恢复时间(trr)、良好的开关特性等特点,常常用作高频、高压、大电流整流、续流，FRD器件在全控型器件的电路中是不可缺少的，在电网电路中需要承受电网系统各种不稳定因素所带来的影响，如电流、电压过载冲击等。为了保证电网系统的正常、顺利运行，FRD器件除了保证必需的足够优异的额定导通和关断能力之外，还要有足够的能力承受数倍甚至于数十倍的正向浪涌过载电流冲击而不被损坏。快恢复二极管的正向浪涌电流测试是为了验证器件在实际工况条件下能否够承受浪涌过载电流的冲击，是FRD器件在实际应用中的可靠性保证试验之一。
因此如何提高FRD器件正向浪涌电流的能力是设计和制备FRD器件的重要问题之一，本文从FRD芯片设计的角度，通过调整有源区结构、有源区p+区掺杂浓度、载流子寿命控制方式等方面对如何提高器件正向浪涌电流能力进行研究。
1. 正向浪涌电流测试
正向电流测试是一种对器件具有破坏性的测试，该测试是检测FRD器件在高温度环境下，芯片自身结构以及外部封装结构（包括键合引脚等)能够承受的瞬间过高电流脉冲能力，评估器件能够承受的非重复性正向浪涌电流等级(IFSM)。正向浪涌电流是指在某一个结温Tj条件下，对被测试的快恢复二极管施加的导通角为0°~180°的正向正弦半波脉冲电流，该正向正弦半波脉冲电流是测试快恢复二极管所能够承受的最大脉冲电流，一旦超过该值，器件就会发生损坏。
正向浪涌电流测试过程是对被测FRD器件施加一个单脉冲正弦半波正向浪涌电流，并检测FRD器件是否损坏。如果FRD器件没有损坏，则继续逐步增大浪涌冲击电流，同时需要保持足够的浪涌冲击间隔，以使二极管结温返回到其初始温度，如此反复直至二极管损坏为止。FRD器件在损坏前所承受的最后一次正向浪涌电流和对应的结温就是该测试器件IFSM实测值，测试电路如下图所示。
在PiN二极管正向导通过程中，正向导通电流(IF)从零逐渐增大。在电流很小的时候，空间电荷的产生使得正向电流随正向压降成正比增长。当少子注入效应逐渐增强，但是注入浓度还低于本征掺杂浓度的时候，扩散运动是主要的正向电流来源。
在导通阶段，少子注入浓度正比于正向电流大小。随着正向导通电流不断增大，漂移区的导通电阻不断变小。当正向导通电流继续增大，高掺杂区的载流子复合效应增大，这就使得正向电压降落更快。在正向电流密度为100A/cm2时，正向导通电压随着温度的升高稍有下降，这是因为PN结的结电压随着温度的升高而下降。当电流密度大于300A/cm2时，温度系数就由负变正，二极管内部的的电阻就会变大，压降升高，消耗功率变大，从而使温度进一步升高[5]。根据半导体物理的知识，温度的上升会导致本征载流子浓度不断的提高[9]，当本征载流子浓度大于或比拟与注入载流子浓度时，在本征载流子将基区起到主导地位，形成一个负温度系数的电阻，在这种情况下，快恢复二极管极易产生电流丝，导致局部温度升高，最终烧毁器件。
因此，根据浪涌测试条件下FRD器件失效机理，如果能够提高FRD器件载流子注入数量，降低电阻就可以在一定程度上提高器件抗正向浪涌电流的能力。
2. 试验结果与分析
本文选择使用3300V-100AFRD器件进行正向浪涌电流试验研究，FRD试验工艺流程见图2。从FRD器件的制备过程中，首先是对衬底进行场氧化，然后利用光刻和刻蚀技术制备出掺杂窗口，再通过离子注入等方式进行杂质掺杂，并在高温条件下进行退火推结。在完成后续的金属电极和钝化后，对FRD器件进行载流子寿命控制。
通过FRD器件制备过程，需要注意以下几个方面：①器件有源区结构；②有源区(p+区)的掺杂浓度；③载流子寿命控制方式。这三个器件结构参数都会在一定程度上影响器件正向导通时p+区和n+区向n-基区注入载流子的效率，因此在下文中从这三个方面对器件抗正向浪涌电流能力进行分析。
2.1有源区结构的影响
在设计FRD器件时，通常折衷考虑器件的通态特性和关断特性的折衷。通过降低阳极发射效率的方式降低反向恢复峰值电流和反向恢复时间，器件结构如图3所示。从器件结构中可以看出，采用低阳极发射效率的器件有源区结构呈波浪型结构，可以有效通过有源区结深和注入区面积等参数调节发射极注入效率调节，降低了p+区注入到n-基区的载流子数量。
为了验证有源区结构差异对器件抗正向浪涌电流能力的影响，分组试验条件流片验证，具体分片条件见表1。
测试低阳极结构与常规结构样品在不同载流子寿命控制方式条件(1，2，3和4)的正向浪涌电流与VF之间对应关系，如图4所示。常规结构对应样品(1#、2#)正向浪涌电流分别为正向导通电流13、16倍，而低阳极注入结构样品(3#、4/#)分别为正向导通电流10、14倍。与常规结构相比，低阳极注入结构样品在同一种寿命控制条件下正向浪涌电流减小了2~3倍正向导通电流。低阳极发射效率有源区结构方案有源区p+区注入到n-基区的载流子数量少于常规结构方案，这一点可以从器件正向电压降(VF)的数值看出。导通压降主要由注入到n-基区的载流子数量决定，注入到基区的载流子数量越多，电导调制效应越明显，导通压降越低。由于电导调制效应降低导致导通压降VF增大，器件导通时功率损耗增大，器件结温不断上升，载流子浓度不断的提高，最终达到材料本征温度，本征载流子在基区起到主导地位，形成一个负温度系数的电阻，在这种情况下，快恢复二极管极易产生电流丝，导致局部温度升高，最终烧毁器件。
综上所述，对于低阳极发射效率有源区结构器件所能够承受的正向浪涌电流等级低于常规有源区结构器件。
2.2有源区杂质补偿的影响
在FRD器件制备过程中，通常会对有源区表面进行一次p型杂质的补偿注入(如图3)，此杂质补偿作用主要是为了提高有源区表面的掺杂浓度，以便于与金属形成欧姆接触，降低通态压降，提高器件的性能。因此对有源区杂质补偿影响抗正向浪涌电流能力进行研究，试验工艺分片条件如表2。
如图5所示，与无有源区杂质补偿器件相比，器件进行有源区杂质补偿后，正向浪涌电流增加1~4倍，其主要原因是器件有源区杂质补偿后，与金属形成良好的欧姆接触，而金属化电阻与温度成正比关系，所以接触电阻随温度升高的速率减小，单位时间内接触电阻损耗降低。另外，由于杂质补偿导致器件有源区注入到n-基区区域载流子数目增加，电导调制效应增强，导通压降降低，器件开通损耗降低。试验研究表明增大有源区杂质补偿剂量可提高二极管正向浪涌电流。
2.3 寿命控制的影响
高性能的快恢复二极管不仅要求具有较低的正向导通压降，还要求有较短的开关时间。通过引入复合能级的载流子寿命控制技术，可加快关断时器件内部少子复合速率，减小二极管反向恢复时间。常用的寿命控制技术有全局寿命控制技术与局域寿命控制技术。
为了验证FRD器件载流子寿命控制技术对于抗正向浪涌电流能力的影响，本试验采用目前主要载流子寿命控制方法：全局寿命控制（方式a)，以及局域寿命控制（方式b)，具体工艺条件见表3。
如图6所示，采用全局寿命方式样品正向浪涌电流分别为导通电流14倍、12倍，而采用局域寿命样品正向浪涌电流分别为导通电流16倍、14倍，与全局寿命方式样品相比，采用局域寿命样品正向浪涌电流增大2倍。由于快速恢复二极管导通压降与反向恢复特性为折衷关系，如果采用全局寿命控制方式，为了改善反向恢复特性，则需要降低二极管有源区（阳极)注入效率，但会增大导通压降。而局域寿命方式可以有效改善器件反向恢复特性，且器件导通压降变化较小，折衷特性优良，损耗较小。
3. 结论
在实际电网工况条件要求快恢复二极管具有优良的正向浪涌电流参数，以保证换流阀、直流断路器装置在短路或者电网掉电情况下无故障。通过调整快恢复二极管有源区结构、增大有源区杂质补偿剂量、采用载流子局域寿命控制方式可改善快恢复二极管的浪涌特性。
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