快恢復(fù)二極管技術(shù)研發(fā)現(xiàn)況與展望

     現(xiàn)代電力電子電路中，其主回路通常采用功率MOSFET和IGBT等有具有自關(guān)斷能力的功率器件，或是采用換流關(guān)斷的晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件。但都需要并聯(lián)一個(gè)功率快恢復(fù)二極管。其目的均是為了'能減小主開(kāi)關(guān)器件電容的充電時(shí)間，同時(shí)抑制因負(fù)載電流瞬間變向時(shí)而感應(yīng)產(chǎn)生的峰值電壓，或通過(guò)負(fù)載中的無(wú)功電流。
      隨著功率半導(dǎo)體器件研發(fā)和制造技術(shù)的快速發(fā)展，電路中主開(kāi)關(guān)器件的性能得到不斷提升，這時(shí)就要求與之配套使用的功率快恢復(fù)二極管必須具有更佳的綜合性能和更短的反向恢復(fù)時(shí)間。
      在高頻電路中的低壓領(lǐng)域，首選器件是具有高開(kāi)關(guān)速度和低通態(tài)壓降等特點(diǎn)的肖特基二極管以及MPS結(jié)構(gòu)的整流管。但在高頻電路中的高壓領(lǐng)域，由于肖特基二極管和MPS整流管具有金屬一半導(dǎo)體結(jié)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，其高溫狀態(tài)下的反向漏電流偏大且該類(lèi)器件的反向擊穿電壓無(wú)法設(shè)計(jì)得更改，因此不能應(yīng)用于該領(lǐng)域；這時(shí)高耐壓和高開(kāi)關(guān)速度的P-I-N結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)二極管成為該領(lǐng)域應(yīng)用的首選器件。功率快恢復(fù)二極管參數(shù)之間如正向壓降、反向擊穿電壓、反向恢復(fù)時(shí)間、反向峰值電流、漏電流等存在著相互權(quán)衡的關(guān)系：其中主要是反向擊穿壓、反向恢復(fù)時(shí)間，及正向?qū)妷旱戎g的矛盾。以P-I-N結(jié)構(gòu)的功率快恢復(fù)二極管為例：其P+區(qū)和N+區(qū)有很高的雜質(zhì)濃度，同時(shí)I區(qū)的寬度很窄，在正向?qū)〞r(shí)產(chǎn)生的大注入效應(yīng)降低了I區(qū)的導(dǎo)通電陽(yáng)，但也增加了器件反向恢復(fù)時(shí)的載流子抽取時(shí)間，從而使得器件的反向恢復(fù)時(shí)間增加。所以，只能在各參數(shù)之間取其折衷而無(wú)法對(duì)所有的特性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在取得一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)優(yōu)化的同時(shí)，以不過(guò)多的犧牲其它參數(shù)性能為準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)器件綜合性能上的最大提升。根據(jù)這一設(shè)計(jì)原到理，現(xiàn)代P-I-N結(jié)構(gòu)的功率快恢復(fù)二極管通常采用的是低陽(yáng)極發(fā)射效率結(jié)構(gòu)。
     而近年來(lái)功率快恢復(fù)二極管研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)各種是壽命控制技術(shù)，該技術(shù)是在器件內(nèi)引入復(fù)合中心來(lái)減少反向抽取時(shí)的少數(shù)載流子壽命，從而獲得較短反向恢復(fù)時(shí)間。但引入復(fù)合中心，會(huì)造成反向漏電流尤其是高溫狀態(tài)下的漏電流的增大和正向壓降的上升，因此，引入復(fù)合中心的位置、濃度等參數(shù)對(duì)于保持器件的各種特性參數(shù)還具有良好的性能是極為重要的。
      隨著快恢復(fù)二極管市場(chǎng)需求的逐漸増大，目前國(guó)外內(nèi)很多半導(dǎo)體分立器件制造公司致力于研發(fā)性能優(yōu)越的快恢復(fù)二極管系列產(chǎn)品。研究人員為了獲得高壓、高頻、低耗散功率快恢復(fù)二極管，正在兩個(gè)方向進(jìn)行研究。一是采用新的材料或新的結(jié)構(gòu)研制新型功率快恢復(fù)二極管，一是沿用成熟的硅材料器件工藝，通過(guò)合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)來(lái)改善快恢復(fù)二極管中導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)頻率間的矛盾關(guān)系。正如之前所說(shuō)的，器件正向注入的載流子時(shí)，雖然降低了器件正向壓降但同時(shí)也降低了器件的開(kāi)關(guān)速度，我們雖然可以通過(guò)各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和壽命控制技術(shù)來(lái)縮短器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間，但是同時(shí)又會(huì)增加其正向壓降和反向漏電流或是降低器件的軟度因子，因此只能在各項(xiàng)參數(shù)之間取其折衷。就目前來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體分立器件性能的折衷技術(shù)大致可分為兩類(lèi)：分別是陽(yáng)極發(fā)射效率控制技術(shù)和壽命控制技術(shù)。
       陽(yáng)極發(fā)射效率控制技術(shù)是通過(guò)控制P+區(qū)的發(fā)射效率來(lái)控制注入到高阻區(qū)中的少數(shù)載流子濃度，以達(dá)到縮短反向抽取時(shí)間的目的，該技術(shù)一般是通過(guò)新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(自調(diào)節(jié)發(fā)射效率雙基區(qū)二極管結(jié)構(gòu)和SIOD結(jié)構(gòu))或是降低P型雜質(zhì)的摻雜劑量和縮短擴(kuò)散時(shí)間的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這種技術(shù)的前提是必須保證P+區(qū)摻雜濃度及厚度不能太低，這使得該項(xiàng)技術(shù)相對(duì)于壽命控制技術(shù)來(lái)說(shuō)對(duì)提高PIN結(jié)構(gòu)二極管綜合性能的空間不大。
      壽命控制技術(shù)是通過(guò)控制基區(qū)中少數(shù)載流子在關(guān)自過(guò)程中的復(fù)合速度來(lái)提高開(kāi)關(guān)特性的一種技術(shù)。從工藝上來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)向高阻區(qū)摻入一定濃度的復(fù)合中心來(lái)控制少數(shù)載流子壽命。它包括電子輻照壽命控制技術(shù)和傳統(tǒng)的重金屬（金、鉑等）摻雜壽命控制技術(shù)，以及近幾年新發(fā)展起來(lái)的He2、H+離子注入局域壽命控制技術(shù)，這些技術(shù)的具體內(nèi)容將在后面文章中詳細(xì)闡述。
      在這些少子壽命控制技術(shù)中，目前被普遍采用的是八十年代已經(jīng)研究成熟，電子輻照和擴(kuò)金、鉑，這些技術(shù)有著各自的特點(diǎn)：在相同的反向恢復(fù)時(shí)間下，擴(kuò)金的快恢復(fù)二極管正向壓降最小，但因其反向漏電流尤其是高溫反向漏電流特別大，在高壓器件制造中很少使用擴(kuò)鉑的快恢復(fù)二極管反向漏電流特別小，而正向壓降一般，其器件性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，但擴(kuò)鉑時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間的精確控制比電子輻照相差，成本較高，所以多在一些高可靠性的快恢復(fù)二極管制造中使用；電于輻照的快恢復(fù)二極管性能居于擴(kuò)鉑和擴(kuò)金之間，而且由于輻照感生缺陷的緩慢恢復(fù)使長(zhǎng)期可靠性不如擴(kuò)鉑的快恢復(fù)二極管。
       另一方面，在最近幾年中，對(duì)于制造功率二極管，為了確保實(shí)現(xiàn)高耐壓、大功率，各公司逐漸傾向于采用熔凝玻璃作鈍化層。該類(lèi)半導(dǎo)體器件不僅結(jié)面積大，而且為了避免平面型結(jié)構(gòu)存在的大曲率處的電場(chǎng)集中效應(yīng)，通常還要做成臺(tái)面型或者斜角型(正臺(tái)面)結(jié)構(gòu)。對(duì)這些器件來(lái)說(shuō)采用二氧化硅作鈍化膜已經(jīng)不再適用，這是因?yàn)檠趸柚械目蓜?dòng)離于，特別是Na+的遷移率較大，使得器件的反向漏電流增加。由于高壓器件一般使用的電阻率較高，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫氧化過(guò)程中，可能引入雜質(zhì)沾污的問(wèn)題尤為嚴(yán)重。特別是一些重金屬深能級(jí)雜質(zhì)，其擴(kuò)散系數(shù)又很大，高溫下會(huì)圍繞位錯(cuò)凝聚，甚至?xí)a(chǎn)生金屬偏析，也會(huì)形成軟擊穿特性。用熔凝玻璃飩化的快恢復(fù)二極管則可完全克服上述缺點(diǎn)，其原理是：由氧化鋅、三氧化二硼、二氧化硅等多種氧化物組成的熔凝玻璃，其熔凝成形后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比二氧化硅致密，其玻璃的性質(zhì)不僅與其各種氧化物的組分有關(guān)，而且還與成形后的玻璃的結(jié)構(gòu)有很大程度的聯(lián)系。人們可以適當(dāng)調(diào)整玻璃成分和成形工藝，改變其化學(xué)組分或是改變玻璃成形后的結(jié)構(gòu)來(lái)控制玻璃性質(zhì)，同時(shí)可以加入一些網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑的離子與鈉離子的相互作用，使鈉離子的遷移率比其二氧化硅膜中的遷移率小，就可在一定程度上阻止玻璃鈍化層內(nèi)的可動(dòng)離子移動(dòng)，因此采用熔凝玻璃作半導(dǎo)體器件PN結(jié)的鈍化保護(hù)層，對(duì)提高半導(dǎo)體器件的耐壓和功率來(lái)說(shuō)是非常有幫助的。
       玻璃鈍化技術(shù)形成的絕緣膜，可隔絕來(lái)自環(huán)境氣氛的影響。選擇玻璃鈍化的制作工藝溫度比制作二氧化硅的熱氧化溫度低得多，另外，形成膨脹系數(shù)與硅相近的玻璃鈍化膜是在一個(gè)較低的溫度(500多度)下短時(shí)間內(nèi)成型的，因此減少了長(zhǎng)時(shí)間高溫過(guò)后對(duì)硅片的沾污，另外，玻璃鈍化工藝穩(wěn)定性和一致性較好，生產(chǎn)周期短，成本低，效益高。



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