快恢复二极管的短载流子寿命控制技术

  在很多情况下特别是对那些需要工作在较高類率的器件而言，缩短载流子寿命，进而对恢复电荷、关断时间等关键参数进行控制是十分重要的。具体对于快恢复二极管应用载流子寿命控制技术要求尽量减小存储电荷Q_rr、加速Q_rr的消失过程以及设法使Q_rr的消失过程变缓。
 
  在功率器件制造工艺中，可以通过金、铂等金属杂质的扩散来引入有效复合中心，从而降低载流子的有效寿命，也可以在器件制作的最后进行高能电子辐照等对载流子寿命进行控制。金属杂质的浓度分布通常呈U形，在硅晶片的两侧表面浓度较高，在中间部分分布较为平缓；电子辐照产生的缺陷浓度为轴向均匀分布，两类技术产生的缺陷浓度分布如图1所示。

 
  金属中铜的扩散系数最高，但往往会在高位错密度区形成团簇，从而使器件的击穿特性变坏，金和铂是最常用的有效复合中心，它们可以在800~1000℃温度范围内向硅体内扩散直至饱和。尽管向硅中扩散贵金属用以降低载流子寿命的杂质的方法十分简单易行，不需要进行精确的控制，但往往会导致载流子寿命分布的不均匀以及热斑的形成。因为该操作是在金属化以前进行的，不能像辐照技术那样可以前后对器件的特性进行检测、修正。
 
  在辐照技术中，高能粒子可以穿入半导体，与晶格原子的相互作用失掉能量并使晶格的正常位置成为可替位的各种缺陷，主要包括空位、双空位、杂质-空位对、间隙原子以及杂质-空位-间隙原子复合体等复杂空位，所有这些缺陷均会在硅内形成复合中心。不同的情况下可能会是不同的空位占主导地位，比如在重掺杂磷的硅中磷空位缺陷占主导地位，在用于制造功率器件的高阻材料(无论N型还是P型)双空位均占主导地位。甚至在较低的温度下这些空位在硅体内也具有较高的迁移率。辐照技术可以利用电子，中子、质子、a( alpha)粒子和y(gama)射线对硅进行辐照，对应某一给定的能量，透射深度近似与粒子的质量成反比，除了电子照感生缺陷为均匀分布以外大部分的辐照损伤往往会集中在粒子射程末端，如图2所示。图中X_max为缺陷峰的位置，和离子的能量以及荷质比有关，N_T为感生缺陷浓度。  
  γ辐照的入射深度很大，可以对金属化后及封装好的器件的载流子寿命进行调节。然而，它会损伤p-n结表面终端结构，进而使器件击穿特性变坏。一般应用较多的是电子辐照，在金属化后、器件封装前，利用能量为几MeV的电子射线对器件进行辐照。电子的入射深度一般为几毫米(例如，能量为3MeV的电子的入射深度大于6mm)，且形成的缺陷可以在器件内均匀分布。深能级的浓度与辐照剂量成正比，而深能级的浓度又可决定载流子寿命τ，见式1。   其中，τ₀为辐照前载流子寿命，K为随电子能量微小变化的常数，Φ为辐照剂量，通常以C/m²为单位。电子辐照可以对剂量进行精确的监控，而且可重复操作性较强。
 
  中子辐照的入射深度比电子照浅。根据辐照粒子能量的不同，入射深度可以在几微米到数百微米间变化。利用粒子射程末端辐照损伤的增加，可以通过控制辐照能量在器件表面下不同深度处形成所霱的低寿命区域，从而可以优化双极型功率器件静态、动态参数之间的折衷。中子辐照陷阱能级主要来源于空位复合体及注入的氢相关能级。
 
  利用α粒子，即He²⁺离子，对硅进行辐照可以得到与中子辐照类似的效果。因为a粒子具有较大的质量，需要较高的能量(典型值约为10MeV)才能入射到与其它粒子同样的深度。中子和a粒子辐照都需要在真空中进行，所需设备成本较高。
 
  辐射造成的某些损伤是不稳定的，需要在器件工作温度左右(比如250~300℃)对其进行几个小时的退火处理，以去除这些缺陷。但即使这样处理也很难确保器件工作的长期稳定性。
 
  另外，通过改变器件的结构也可以达到少数载流子控制的目的，比如:改变材料的电阻率、杂质分布以及革区的厚度等。



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