主结边缘电阻区对高压快恢复二极管特性的影响

  高压快速恢复二极管研究的一个关键方面就是它的过流关断问题。在过流关断下，器件容易发生动态雪崩。动态雪崩是影响高压快恢复二极管坚固性的一大因素。动态雪崩分为一度、二度、三度动态雪崩。三度动态雪崩将会引发恶性电流丝的出现，可能导致器件烧毁。
  一个重要的解决方案和优化方法，是在有器件源区和结终端区之间引入一个电阻连接区，并且如有可能，该区域尽量采用低掺杂。提高器件高压过流关断能力普遍采用这种电阻连接区，但使用不同的名称，如HiRC、ballas tresistance和junction extension zone。本文针对不同电阻区结构的过流关断问题进行详细深入分析。这为制造高性能高压快恢复二极管结构提供必要参考。
 
  1. 器件的结构
  器件在2倍额定电流下进行过流关断，发生失效，如图1所示，2个器件分别在中间和边缘发生烧毁。通过切片分析如图2所示，发现器件已经烧到硅底。器件在不同位置发生了烧毁，需要借助仿真工具来模拟器件关断过程以了解其失效机理。

 
  根据烧毁的场屏蔽阳极（field shieldtd anode，FSA)快恢复二极管结构，使用Sentaurus TCAD生成了一个2D器件结构。器件结构的有源区部分如图3所示，有源区面积1mm²，额定电流1A，衬底厚度400µm。  
  参照烧毁器件终端结构如图4所示，利用FSA结构阳极低掺杂缓冲层做电阻连接区，形成了3种连接方案，如图5所示。其中第1个是在有源区边缘烧毁器件的结构，电阻区由有源区阳极侧缓冲层延伸组成，长度为5µm;第2个是在有源区中间烧毁器件的结构，电阻区长度为60µm，简称A结构。为了更好地对比和分析，又设计了一个新结构。新结构中电阻区长度为120µm，简称2A结构。  
  本文采用的测试器件动态雪崩的电路如图6所示，di/dt为较高的20A/µs，高压快恢复二极管是在2倍额定电流(2A)下开始反向恢复，开关选用理想开关。测试电路过程为:先把开关闭合，让负载电感充电，使电流稳定到达2A，然后断开开关，由于电感的存在，二极管在2倍额定电流下正向导通，阳极和阴极向基区注入大量载流子，然后再次打开开关，高压快恢复二极管在很高的di/dt苛刻条件下进行反向恢复，而这一时段容易发生动态雪崩。  
  2. 仿真结果
  2.1通态下阳极结边缘处过剩载流子的注入情况
  图7为3种结构在2倍额定电流通态下阳极结边缘处过剩载流子的注入情况，5µm结构由于发射极注入效率较高，因此过剩载流子注入最多，2A和A结构拥有较大的电阻区，所形成的自偏压效应可以降低边缘处的结偏压，从而减少过剩载流子注入，2A结构最少，A结构次之。  
  2.2器件反向恢复波形
  提取3种结构反向恢复过程中电流电压随时间的变化曲线，如图8所示。2A结构在0.64µs达到电流峰值，A和5µm在0.58µs达到电流峰值。
 
  2.3器件最局温度
  图9为3种器件反向恢复过程中内部最高温度随时间的变化曲线，由图9可以看出，只有2A没有烧毁（以临界温度800K为判据)，5µm和A电阻区结构内部最高温度分别为976、967K，器件发生了烧毁。  
  2.4器件内部的温度
  A及2A结构削弱了阳极结边缘处的电流集中，因此器件没有在主结边缘发生烧毁，但是A结构还是烧毁。图10为提取的3种结构在反向恢复过程中器件内部最高温度位置的温度分布及局部放大图，由图10可以看出，5µm结构在阳极结边缘处烧毁，而A结构烧毁发生在有源区，只有2A结构最终安全地完成了过流关断。  
  3. 机理分析
  3.1器件电流密度
  图11为3种结构在反向恢复过程中不同时刻器件内部的电流密度分布，5µm结构在电阻区0.30µs时刻在主结边缘产生电流丝，在电阻区0.50µs时刻发生了电流丝穿通。A结构在0。34µs时刻在有源区最左边产生电流丝，在有源区左端0.58µs时刻发生了电流丝穿通。2A结构在有源区最右边0.30µs时刻产生电流丝，在有源区左端0.62s时刻发生了电流丝穿通。电流丝穿通后，基本不移动。固定于某一位置的较大电流丝将会导致严重的局部温升，器件最终会因为局部过热引发烧毁。电流丝穿通位置与最高温度位置相符合。5µm结构由于电阻区最短，对阳极结边缘电流抑制最小，因此在阳极结边缘烧毁。A电阻区结构虽然削弱了阳极结边缘处电流成丝的现象，但是电流丝在有源区最左边穿通，就相当于2个半元胞在有源区中间集中产生较大的电流丝而发生烧毁。而2A电阻区结构电流丝在靠近主结边缘处，在一个完整器件中就是2个电流丝，因此没有烧坏，最终安全地完成了反向恢复过程。   为了分析A和2A结构最初产生电流丝的区别，提取了产生电流丝之前时刻有源区最右边和电阻区的电流密度分布，如图12所示，2A电阻区电流要明显小于A电阻区，因此剩余的载流子要从有源区最右边抽取出去，电流分布不均匀导致了电流丝出现。而A结构由于一开始出现的是较均匀的电流，主结边缘载流子分布少，因此抽取更快，如图13所示，阳极载流子最后剩余在有源区最左边，电流向有源区左边收缩形成电流丝。  
  为了进一步分析A和2A的区别，提取了各个时刻的空穴密度分布如图14所示。与图11对照可知，最后电流丝穿通的位置与载流子最后剩余位置重合。A最初产生电流丝位置在有源区最左边，2A最初电流丝在有源区最右边。A电流丝从左移动到右再返回，最后停在最左边，过剩载流子的抽取也从左移动到右，过剩载流子没有抽取干净，电流丝再向左移动继续抽取，A过剩载流子最后剩余在有源区最左边。2A电流丝从右移动到左再返回，最后停在有源区靠右边，过剩载流子的抽取也从右移动到左，过剩载流子没有抽取干净，电流丝再向右移动继续抽取，2A过剩载流子最后剩余在有源区靠右边。  
  4. 结论
  在3种电阻区结构过流关断的仿真测试中发现，只有2A电阻区结构没有烧毁，而其他2种结构都由于不同的温升诱导因素导致了器件内部不同位置的烧毁。5µm结构与A、2A结构比较，5µm的电阻区结构由于主结边缘载流子注入最多，电流丝在阳极结边缘穿通，导致结边缘发生烧毁，而A和2A结构没有发生这种情况，说明加大电阻区可以改善主结边缘的电流密度。A结构与2A结构比较，A结构电流丝在有源区最左边穿通，导致器件在该位置烧毁。2A电阻区结构电流丝在靠近结边缘的位置穿通，但是并没有引起烧毁。可以得到结论，不同电阻区可以导致器件在有源区不同位置产生电流丝从而影响器件的过流关断能力。



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