CAL技术在现代快恢复二极管中的应用

  所谓CAL技术就是质子辐照+铂汲取来控制局域少子寿命的技术。CAL是 Controlled Axial Lifetime的缩写,即轴向寿命可控技术。最初的CAL技术仅指质子辐照技术,因其反向漏电流大,进而吸取扩铂技术漏电流小的优点,采用质子辐照+铂汲取相结合构成新CAL技术。
 
  1. 现代FRD
  快恢复二极管( Fast Revery Diode)是二极管的一种,简称FRD。
  在现代电力电子学中,总是低估功率二极管的作用,尤其是将直流变为交流的转换器电路中。现今的半导体器件开发商对开发良好特性的二极管方面投入巨大,这表明人们开始认识到了现代FRD的重要性。现代FRD通常作为续流二极管与IGBTIGCT、GCT、GTO、SCR、Power MOSFET等三端功率器件合为一体并联使用,起续流作用。有的还必须加吸收,即再串接一个FRD二极管。
 
  Linder提出了现代FRD的基本特征及其解决的根本问题。根本问题就是三个电流瞬变,即由浅等离子所造成的瞬变、由基区宽度不够造成的瞬变、由发射效率不理想造成的瞬变。由这三个瞬变带来来了以下弊端:
  (1)瞬变时的高di/dt在电感中产生高电压(U=L·di/dt),很小的寄生电感就足以产生烧毁半导体器件及电路中其它器件；
  (2)瞬变时的高di/dt将在LC谐振电路产生振荡,产生电磁干扰(EMI)问题；
  (3)di/dt的突变会在电感中产生很高的du/dt,进而加速了一些绝缘材料的老化,且其在寄生电感中又产生一个di/dt,两两相叠加损坏器件。
  解决这些问题的基本方法就是低阳极浓度、缓冲层和CAL技术。现代FRD的基本特征就是高软度因子，这三个基本方法对提高软度因子起到不同程度的作用,其中CAL技术作用最大最关键。
 
  2. 现代CAL技术原理
  CAL技术首次应用于FRD是 Heinrich Schlangenotto/,在1994年,运用这一技术成功设计制造出了第一个CAL二极管(阻断电压为1200V)。
 
  CAL技术是在垂直于PN结结面方向上一定深度处的一个很小的范围内,引入局部区域的高密度复合中心,原理与电子辐照类似,在器件内部通过轻离子轰击晶格原子产生缺陷作为复合中心。注入的轻离子会在其射程末端产生大量的浓度很高的感生缺陷,即为缺陷峰,辐照表面与缺陷峰之间的感生缺陷密度是缺陷峰处的10%~20%,因此只降低了PN结附近的少子寿命,实现了局域寿命控制。
 
  CAL技术从根本上解决了三个瞬变的问题。
  (1)阳极侧载流子浓度过高导致较大的反向峰值电流l_RRM,电流由于中间区域等离子浓度的急剧减少而迅速下降,而阴极侧载流子浓度又大幅度升高,反向电流又变为软恢复状态,造成了瞬变。低阳极浓度技术与CAL技术通过降低阳极发射效率,阴极保持高的载流子浓度使得反向峰值电流降低,di/dt下降变缓,软度因子F变大。这一变化过程如图1所示。

 
  2)因基区宽度不够,导致空间电荷区在电流下降到零之前就扩展到了N-区,突然没有载流子来维持电流,引起瞬变。添加缓冲层N可使空间电荷区不断扩大到N区后由于缓冲层浓度高而大大减慢,从而使得复合时间增加,即软度因子F增大。这变化过程如图2所示。  
  (3)由于发射效率不理想,使得二极管阴极侧的载流子浓度比阳极侧低很多,很可能会造成阴极侧的载流子浓度完全被耗尽,结果就在阴极发射极又形成了一个耗尽层和电场,这样就在N-区中间区域储存了一定量的载流子,传统的扩铂技术均匀的降低了器件内部整体的载流子寿命，使得残留的载流子快速复合,造成了瞬变。而CAL技术维持中间区域寿命很高,使得残留的载流子复合的很慢,进而di/dt下降变缓,软度因子F增大。这一变化过程如图3所示。  
  需要注意的是,轻离子辐照形成的缺陷能级约为Ec-0.42eV,对应的深能级复合中心位置位于禁带中心附近,会使器件的反向漏电流增大,进而增加了器件的功率损耗。欧洲的一些公司(如semilab)应用该技术制造的快恢复高压二极管的软度因子非常大(比其它任何产品都要好很多),但其高压漏电流也非常大(比其他任何产品都要大很多)所以市场销量并不佳。为保持软度因子大的优点并解决反向漏电流大的问题,可采用缺陷对Pt汲取,将这些离子注入感生出的缺陷转化为Pt掺杂,对应复合中心能级将变为Ec-0.23eV左右的Pt掺杂能级,对于FRD的性能来说,这是很理想的掺杂能级。
 
  3. 器件制作及测试结果
  3.1 器件制作
  低阳极浓度技术可通过离子注入、透明发射极和降低硼扩纸源浓度来实现。将原本的纸源B70XK、B50XK换成B10XK、B05XK,可使表面浓度从1×10²¹cm^-3降为5×10¹⁹cm^-3,实验结果表明,在反向恢复时间trr相同的条件下软度因子F有一定上升,但幅度不大,反向恢复电荷Qr明显降低。为了进一步解决尾端瞬变的问题,除低阳极浓度技术外还需在N+阴极区和N-区之间添加一层N缓冲层,使二极管变为P⁺N^-NN⁺的结构，从而改变阴极侧的掺杂浓度,通常采用二氧化硅乳胶原固态磷源、陶瓷磷片以及三氯氧磷低浓度扩散来实现缓冲层。
 
  CAL技术是通过高能粒子加速器注入轻离子调节复合中心分布,进而控制少数载流子寿命,轻离子一般指He²⁺、H⁺,这两种离子在不同能量时射程范围为几µm至一百多µm。如图4所示。复合中心峰值浓度用辐射剂量调节,注入深度则用轻离子注入能量来调节。
 
  采用不同的退火条件,分别为不退火、800℃、900℃、1000℃、1100℃,时间均为1h。结果表明轻离子注入感生缺陷,对铂的汲取能力,是随着退火温度和时间增加而降低的。
 
  3.2 测试结果
  采用CAL技术及扩铂技术制作的晶粒样品的测试结果分别如表1和表2所列。   4. CAL技术在快恢复二极管FRD器件上体现出的十大创新点
  CAL技术应用于现代快恢复二极管制造中,带来十大根本创新。
  (1)通态压降U_FM小。
  传统的铂扩技术大幅度降低了大注入寿命,严重的升高了通态电压,在相同条件下,CAL技术只降低局部少子寿命,因此τ_H较大,通态压降较小。
  (2)反向漏电流luM小。
  二极管的反向漏电流τ_SC有关,而τ_SC的大小决定于复合中心的性质(复合中心能级位置、浓度和俘获截面)。而复合中心能级与本征能级(近似禁带中线)的差值越小,τ_SC就越小,漏电就越大,CAL.技术可形成E_c-0.23eV的复合中心能级,折衷考虑该能级为最佳能级位置。
  (3)等效结温T_vj大。
  相同条件下,反向漏电流小,等效结温大,器件可靠性高。
  (4)同样功耗,同样压降,反向恢复时间t_rr最小。
  CAL技术正是通过复合中心的缺陷来降低少子寿命,从而减小反向恢复时间。
  (5)反向恢复电荷Q_r小。   同理,CAL技术加速了反向关断时少数载流子的复合,被抽出或复合的少子的量减少了,trr和Irr自然也会降低,进而反向恢复电荷Q_rr也会随之减小。
  (6)软度因子F大。   利用CAL技术加速反向恢复时基区P⁺N^-结附近少数载流子复合消失的速度,而其他区域维持高的载流子寿命,使F增大,反向恢复软度特性极佳。
  (7)通态前冲电压U_FRM最小。   标准二极管为了在关断时得到软恢复特性设计成很宽的W_B,作为比较的CAL二极管,W_B保持尽可能的小。相同的参数来控制IGBT的关断,得出的是CAL二极管和标准二极管的U_FRM分别为84V和224V,使用CAL技术制造的二极管的U_FRM比普通二极管整整低了三倍。
  (8)同样应用频率,即同样t_rr下,可以采用NPT结构。
  普通二极管用穿通结构使得基区宽度变小,导致通态功耗增大,而使用CAL技术可采用非穿通结构,使得基区存储非平衡载流子数量多,反向恢复特性较好,且其边缘不上翘,进而漏电流小。
  (9)不同温度下的通态伏安特性曲线有交点。
  采用铂扩数及CAL技术的1200V快恢复二极管的正向温度特性曲线如图5所示。
  由图可以看出,CAL技术的二极管在不同温度下的通态伏安特性曲线有交点。
  假定把二极管比作平板电容,则均压为:△U=△Q/C,而△Q_r越小则△U就越小,因此适合并联应用,使器件生产厂可以配对出厂,直接进行并联,无需保护。  
  (10)不仅静态雪崩能力P_RSM大,而且动态雪崩能力也最好。
  场电荷抽取(FCE)如图7所示,阴极侧一部分阴极面积包含了一个P⁺层,在阳极侧,注入轻离子以减少局部寿命,实现软恢复特性。若在阴极侧建立空间电荷区,则P⁺区将注入空穴,而注入的空穴会补偿由动态雪崩产生的电子。因有效的避免了Egawa电,其动态雪崩能力的得到了很大的提高。  
  5. 结束语
  本文叙述了现代FRD的最关键技术就是运用CAL技术控制基区寿命,给出了这一技术的原理,成功运用这一技术制造了15A/1200V、20kHZ快软恢复二极管,进一步阐明了应用CAL技术给快恢复二极管带来的十大根本变革。



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