提高快恢復二極管正向浪涌電流特性的研究

  在現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)中，功率半導體分立器件愈發(fā)的突顯了其作用。特別是在全球能源互聯(lián)的背景之下，依托半導體功率器件是完成電網(wǎng)系統(tǒng)智能化、堅強化的最重要的手段之一。
 
  快恢復二極管(FastRecoveryDiode)是電網(wǎng)系統(tǒng)中功率分立半導體器件的重要一員。由于具有較短的反向恢復時間(trr)、良好的開關特性等特點,常常用作高頻、高壓、大電流整流、續(xù)流，F(xiàn)RD器件在全控型器件的電路中是不可缺少的，在電網(wǎng)電路中需要承受電網(wǎng)系統(tǒng)各種不穩(wěn)定因素所帶來的影響，如電流、電壓過載沖擊等。為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)的正常、順利運行，F(xiàn)RD器件除了保證必需的足夠優(yōu)異的額定導通和關斷能力之外，還要有足夠的能力承受數(shù)倍甚至于數(shù)十倍的正向浪涌過載電流沖擊而不被損壞?？旎謴投O管的正向浪涌電流測試是為了驗證器件在實際工況條件下能否夠承受浪涌過載電流的沖擊，是FRD器件在實際應用中的可靠性保證試驗之一。
 
  因此如何提高FRD器件正向浪涌電流的能力是設計和制備FRD器件的重要問題之一，本文從FRD芯片設計的角度，通過調整有源區(qū)結構、有源區(qū)p+區(qū)摻雜濃度、載流子壽命控制方式等方面對如何提高器件正向浪涌電流能力進行研究。
 
  1. 正向浪涌電流測試
  正向電流測試是一種對器件具有破壞性的測試，該測試是檢測FRD器件在高溫度環(huán)境下，芯片自身結構以及外部封裝結構（包括鍵合引腳等)能夠承受的瞬間過高電流脈沖能力，評估器件能夠承受的非重復性正向浪涌電流等級(IFSM)。正向浪涌電流是指在某一個結溫Tj條件下，對被測試的快恢復二極管施加的導通角為0°~180°的正向正弦半波脈沖電流，該正向正弦半波脈沖電流是測試快恢復二極管所能夠承受的最大脈沖電流，一旦超過該值，器件就會發(fā)生損壞。
 
  正向浪涌電流測試過程是對被測FRD器件施加一個單脈沖正弦半波正向浪涌電流，并檢測FRD器件是否損壞。如果FRD器件沒有損壞，則繼續(xù)逐步增大浪涌沖擊電流，同時需要保持足夠的浪涌沖擊間隔，以使二極管結溫返回到其初始溫度，如此反復直至二極管損壞為止。FRD器件在損壞前所承受的最后一次正向浪涌電流和對應的結溫就是該測試器件IFSM實測值，測試電路如下圖所示。

 
  在PiN二極管正向導通過程中，正向導通電流(IF)從零逐漸增大。在電流很小的時候，空間電荷的產(chǎn)生使得正向電流隨正向壓降成正比增長。當少子注入效應逐漸增強，但是注入濃度還低于本征摻雜濃度的時候，擴散運動是主要的正向電流來源。
 
  在導通階段，少子注入濃度正比于正向電流大小。隨著正向導通電流不斷增大，漂移區(qū)的導通電阻不斷變小。當正向導通電流繼續(xù)增大，高摻雜區(qū)的載流子復合效應增大，這就使得正向電壓降落更快。在正向電流密度為100A/cm²時，正向導通電壓隨著溫度的升高稍有下降，這是因為PN結的結電壓隨著溫度的升高而下降。當電流密度大于300A/cm²時，溫度系數(shù)就由負變正，二極管內(nèi)部的的電阻就會變大，壓降升高，消耗功率變大，從而使溫度進一步升高[5]。根據(jù)半導體物理的知識，溫度的上升會導致本征載流子濃度不斷的提高[9]，當本征載流子濃度大于或比擬與注入載流子濃度時，在本征載流子將基區(qū)起到主導地位，形成一個負溫度系數(shù)的電阻，在這種情況下，快恢復二極管極易產(chǎn)生電流絲，導致局部溫度升高，最終燒毀器件。
 
  因此，根據(jù)浪涌測試條件下FRD器件失效機理，如果能夠提高FRD器件載流子注入數(shù)量，降低電阻就可以在一定程度上提高器件抗正向浪涌電流的能力。
 
  2. 試驗結果與分析
  本文選擇使用3300V-100AFRD器件進行正向浪涌電流試驗研究，F(xiàn)RD試驗工藝流程見圖2。從FRD器件的制備過程中，首先是對襯底進行場氧化，然后利用光刻和刻蝕技術制備出摻雜窗口，再通過離子注入等方式進行雜質摻雜，并在高溫條件下進行退火推結。在完成后續(xù)的金屬電極和鈍化后，對FRD器件進行載流子壽命控制。  
  通過FRD器件制備過程，需要注意以下幾個方面：①器件有源區(qū)結構；②有源區(qū)(p+區(qū))的摻雜濃度；③載流子壽命控制方式。這三個器件結構參數(shù)都會在一定程度上影響器件正向導通時p+區(qū)和n+區(qū)向n-基區(qū)注入載流子的效率，因此在下文中從這三個方面對器件抗正向浪涌電流能力進行分析。
 
  2.1有源區(qū)結構的影響
  在設計FRD器件時，通常折衷考慮器件的通態(tài)特性和關斷特性的折衷。通過降低陽極發(fā)射效率的方式降低反向恢復峰值電流和反向恢復時間，器件結構如圖3所示。從器件結構中可以看出，采用低陽極發(fā)射效率的器件有源區(qū)結構呈波浪型結構，可以有效通過有源區(qū)結深和注入?yún)^(qū)面積等參數(shù)調節(jié)發(fā)射極注入效率調節(jié)，降低了p+區(qū)注入到n-基區(qū)的載流子數(shù)量。  
  為了驗證有源區(qū)結構差異對器件抗正向浪涌電流能力的影響，分組試驗條件流片驗證，具體分片條件見表1。  
  測試低陽極結構與常規(guī)結構樣品在不同載流子壽命控制方式條件(1，2，3和4)的正向浪涌電流與VF之間對應關系，如圖4所示。常規(guī)結構對應樣品(1#、2#)正向浪涌電流分別為正向導通電流13、16倍，而低陽極注入結構樣品(3#、4/#)分別為正向導通電流10、14倍。與常規(guī)結構相比，低陽極注入結構樣品在同一種壽命控制條件下正向浪涌電流減小了2~3倍正向導通電流。低陽極發(fā)射效率有源區(qū)結構方案有源區(qū)p+區(qū)注入到n-基區(qū)的載流子數(shù)量少于常規(guī)結構方案，這一點可以從器件正向電壓降(VF)的數(shù)值看出。導通壓降主要由注入到n-基區(qū)的載流子數(shù)量決定，注入到基區(qū)的載流子數(shù)量越多，電導調制效應越明顯，導通壓降越低。由于電導調制效應降低導致導通壓降VF增大，器件導通時功率損耗增大，器件結溫不斷上升，載流子濃度不斷的提高，最終達到材料本征溫度，本征載流子在基區(qū)起到主導地位，形成一個負溫度系數(shù)的電阻，在這種情況下，快恢復二極管極易產(chǎn)生電流絲，導致局部溫度升高，最終燒毀器件。  
  綜上所述，對于低陽極發(fā)射效率有源區(qū)結構器件所能夠承受的正向浪涌電流等級低于常規(guī)有源區(qū)結構器件。
 
  2.2有源區(qū)雜質補償?shù)挠绊?br />   在FRD器件制備過程中，通常會對有源區(qū)表面進行一次p型雜質的補償注入(如圖3)，此雜質補償作用主要是為了提高有源區(qū)表面的摻雜濃度，以便于與金屬形成歐姆接觸，降低通態(tài)壓降，提高器件的性能。因此對有源區(qū)雜質補償影響抗正向浪涌電流能力進行研究，試驗工藝分片條件如表2。  
  如圖5所示，與無有源區(qū)雜質補償器件相比，器件進行有源區(qū)雜質補償后，正向浪涌電流增加1~4倍，其主要原因是器件有源區(qū)雜質補償后，與金屬形成良好的歐姆接觸，而金屬化電阻與溫度成正比關系，所以接觸電阻隨溫度升高的速率減小，單位時間內(nèi)接觸電阻損耗降低。另外，由于雜質補償導致器件有源區(qū)注入到n-基區(qū)區(qū)域載流子數(shù)目增加，電導調制效應增強，導通壓降降低，器件開通損耗降低。試驗研究表明增大有源區(qū)雜質補償劑量可提高二極管正向浪涌電流。  
  2.3 壽命控制的影響
  高性能的快恢復二極管不僅要求具有較低的正向導通壓降，還要求有較短的開關時間。通過引入復合能級的載流子壽命控制技術，可加快關斷時器件內(nèi)部少子復合速率，減小二極管反向恢復時間。常用的壽命控制技術有全局壽命控制技術與局域壽命控制技術。
 
 
  為了驗證FRD器件載流子壽命控制技術對于抗正向浪涌電流能力的影響，本試驗采用目前主要載流子壽命控制方法：全局壽命控制（方式a)，以及局域壽命控制（方式b)，具體工藝條件見表3。  
  如圖6所示，采用全局壽命方式樣品正向浪涌電流分別為導通電流14倍、12倍，而采用局域壽命樣品正向浪涌電流分別為導通電流16倍、14倍，與全局壽命方式樣品相比，采用局域壽命樣品正向浪涌電流增大2倍。由于快速恢復二極管導通壓降與反向恢復特性為折衷關系，如果采用全局壽命控制方式，為了改善反向恢復特性，則需要降低二極管有源區(qū)（陽極)注入效率，但會增大導通壓降。而局域壽命方式可以有效改善器件反向恢復特性，且器件導通壓降變化較小，折衷特性優(yōu)良，損耗較小。  
  3. 結論
  在實際電網(wǎng)工況條件要求快恢復二極管具有優(yōu)良的正向浪涌電流參數(shù)，以保證換流閥、直流斷路器裝置在短路或者電網(wǎng)掉電情況下無故障。通過調整快恢復二極管有源區(qū)結構、增大有源區(qū)雜質補償劑量、采用載流子局域壽命控制方式可改善快恢復二極管的浪涌特性。



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