CAL技術(shù)在現(xiàn)代快恢復(fù)二極管中的應(yīng)用

  所謂CAL技術(shù)就是質(zhì)子輻照+鉑汲取來控制局域少子壽命的技術(shù)。CAL是 Controlled Axial Lifetime的縮寫,即軸向壽命可控技術(shù)。最初的CAL技術(shù)僅指質(zhì)子輻照技術(shù),因其反向漏電流大,進(jìn)而吸取擴鉑技術(shù)漏電流小的優(yōu)點,采用質(zhì)子輻照+鉑汲取相結(jié)合構(gòu)成新CAL技術(shù)。
 
  1. 現(xiàn)代FRD
  快恢復(fù)二極管( Fast Revery Diode)是二極管的一種,簡稱FRD。
  在現(xiàn)代電力電子學(xué)中,總是低估功率二極管的作用,尤其是將直流變?yōu)榻涣鞯霓D(zhuǎn)換器電路中?，F(xiàn)今的半導(dǎo)體器件開發(fā)商對開發(fā)良好特性的二極管方面投入巨大,這表明人們開始認(rèn)識到了現(xiàn)代FRD的重要性?，F(xiàn)代FRD通常作為續(xù)流二極管與IGBTIGCT、GCT、GTO、SCR、Power MOSFET等三端功率器件合為一體并聯(lián)使用,起續(xù)流作用。有的還必須加吸收,即再串接一個FRD二極管。
 
  Linder提出了現(xiàn)代FRD的基本特征及其解決的根本問題。根本問題就是三個電流瞬變,即由淺等離子所造成的瞬變、由基區(qū)寬度不夠造成的瞬變、由發(fā)射效率不理想造成的瞬變。由這三個瞬變帶來來了以下弊端:
  (1)瞬變時的高di/dt在電感中產(chǎn)生高電壓(U=L·di/dt),很小的寄生電感就足以產(chǎn)生燒毀半導(dǎo)體器件及電路中其它器件；
  (2)瞬變時的高di/dt將在LC諧振電路產(chǎn)生振蕩,產(chǎn)生電磁干擾(EMI)問題；
  (3)di/dt的突變會在電感中產(chǎn)生很高的du/dt,進(jìn)而加速了一些絕緣材料的老化,且其在寄生電感中又產(chǎn)生一個di/dt,兩兩相疊加損壞器件。
  解決這些問題的基本方法就是低陽極濃度、緩沖層和CAL技術(shù)?，F(xiàn)代FRD的基本特征就是高軟度因子，這三個基本方法對提高軟度因子起到不同程度的作用,其中CAL技術(shù)作用最大最關(guān)鍵。
 
  2. 現(xiàn)代CAL技術(shù)原理
  CAL技術(shù)首次應(yīng)用于FRD是 Heinrich Schlangenotto/,在1994年,運用這一技術(shù)成功設(shè)計制造出了第一個CAL二極管(阻斷電壓為1200V)。
 
  CAL技術(shù)是在垂直于PN結(jié)結(jié)面方向上一定深度處的一個很小的范圍內(nèi),引入局部區(qū)域的高密度復(fù)合中心,原理與電子輻照類似,在器件內(nèi)部通過輕離子轟擊晶格原子產(chǎn)生缺陷作為復(fù)合中心。注入的輕離子會在其射程末端產(chǎn)生大量的濃度很高的感生缺陷,即為缺陷峰,輻照表面與缺陷峰之間的感生缺陷密度是缺陷峰處的10%~20%,因此只降低了PN結(jié)附近的少子壽命,實現(xiàn)了局域壽命控制。
 
  CAL技術(shù)從根本上解決了三個瞬變的問題。
  (1)陽極側(cè)載流子濃度過高導(dǎo)致較大的反向峰值電流l_RRM,電流由于中間區(qū)域等離子濃度的急劇減少而迅速下降,而陰極側(cè)載流子濃度又大幅度升高,反向電流又變?yōu)檐浕謴?fù)狀態(tài),造成了瞬變。低陽極濃度技術(shù)與CAL技術(shù)通過降低陽極發(fā)射效率,陰極保持高的載流子濃度使得反向峰值電流降低,di/dt下降變緩,軟度因子F變大。這一變化過程如圖1所示。

 
  2)因基區(qū)寬度不夠,導(dǎo)致空間電荷區(qū)在電流下降到零之前就擴展到了N-區(qū),突然沒有載流子來維持電流,引起瞬變。添加緩沖層N可使空間電荷區(qū)不斷擴大到N區(qū)后由于緩沖層濃度高而大大減慢,從而使得復(fù)合時間增加,即軟度因子F增大。這變化過程如圖2所示。  
  (3)由于發(fā)射效率不理想,使得二極管陰極側(cè)的載流子濃度比陽極側(cè)低很多,很可能會造成陰極側(cè)的載流子濃度完全被耗盡,結(jié)果就在陰極發(fā)射極又形成了一個耗盡層和電場,這樣就在N-區(qū)中間區(qū)域儲存了一定量的載流子,傳統(tǒng)的擴鉑技術(shù)均勻的降低了器件內(nèi)部整體的載流子壽命，使得殘留的載流子快速復(fù)合,造成了瞬變。而CAL技術(shù)維持中間區(qū)域壽命很高,使得殘留的載流子復(fù)合的很慢,進(jìn)而di/dt下降變緩,軟度因子F增大。這一變化過程如圖3所示。  
  需要注意的是,輕離子輻照形成的缺陷能級約為Ec-0.42eV,對應(yīng)的深能級復(fù)合中心位置位于禁帶中心附近,會使器件的反向漏電流增大,進(jìn)而增加了器件的功率損耗。歐洲的一些公司(如semilab)應(yīng)用該技術(shù)制造的快恢復(fù)高壓二極管的軟度因子非常大(比其它任何產(chǎn)品都要好很多),但其高壓漏電流也非常大(比其他任何產(chǎn)品都要大很多)所以市場銷量并不佳。為保持軟度因子大的優(yōu)點并解決反向漏電流大的問題,可采用缺陷對Pt汲取,將這些離子注入感生出的缺陷轉(zhuǎn)化為Pt摻雜,對應(yīng)復(fù)合中心能級將變?yōu)镋c-0.23eV左右的Pt摻雜能級,對于FRD的性能來說,這是很理想的摻雜能級。
 
  3. 器件制作及測試結(jié)果
  3.1 器件制作
  低陽極濃度技術(shù)可通過離子注入、透明發(fā)射極和降低硼擴紙源濃度來實現(xiàn)。將原本的紙源B70XK、B50XK換成B10XK、B05XK,可使表面濃度從1×10²¹cm^-3降為5×10¹⁹cm^-3,實驗結(jié)果表明,在反向恢復(fù)時間trr相同的條件下軟度因子F有一定上升,但幅度不大,反向恢復(fù)電荷Qr明顯降低。為了進(jìn)一步解決尾端瞬變的問題,除低陽極濃度技術(shù)外還需在N+陰極區(qū)和N-區(qū)之間添加一層N緩沖層,使二極管變?yōu)镻⁺N^-NN⁺的結(jié)構(gòu)，從而改變陰極側(cè)的摻雜濃度,通常采用二氧化硅乳膠原固態(tài)磷源、陶瓷磷片以及三氯氧磷低濃度擴散來實現(xiàn)緩沖層。
 
  CAL技術(shù)是通過高能粒子加速器注入輕離子調(diào)節(jié)復(fù)合中心分布,進(jìn)而控制少數(shù)載流子壽命,輕離子一般指He²⁺、H⁺,這兩種離子在不同能量時射程范圍為幾µm至一百多µm。如圖4所示。復(fù)合中心峰值濃度用輻射劑量調(diào)節(jié),注入深度則用輕離子注入能量來調(diào)節(jié)。
 
  采用不同的退火條件,分別為不退火、800℃、900℃、1000℃、1100℃,時間均為1h。結(jié)果表明輕離子注入感生缺陷,對鉑的汲取能力,是隨著退火溫度和時間增加而降低的。
 
  3.2 測試結(jié)果
  采用CAL技術(shù)及擴鉑技術(shù)制作的晶粒樣品的測試結(jié)果分別如表1和表2所列。   4. CAL技術(shù)在快恢復(fù)二極管FRD器件上體現(xiàn)出的十大創(chuàng)新點
  CAL技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代快恢復(fù)二極管制造中,帶來十大根本創(chuàng)新。
  (1)通態(tài)壓降U_FM小。
  傳統(tǒng)的鉑擴技術(shù)大幅度降低了大注入壽命,嚴(yán)重的升高了通態(tài)電壓,在相同條件下,CAL技術(shù)只降低局部少子壽命,因此τ_H較大,通態(tài)壓降較小。
  (2)反向漏電流luM小。
  二極管的反向漏電流τ_SC有關(guān),而τ_SC的大小決定于復(fù)合中心的性質(zhì)(復(fù)合中心能級位置、濃度和俘獲截面)。而復(fù)合中心能級與本征能級(近似禁帶中線)的差值越小,τ_SC就越小,漏電就越大,CAL.技術(shù)可形成E_c-0.23eV的復(fù)合中心能級,折衷考慮該能級為最佳能級位置。
  (3)等效結(jié)溫T_vj大。
  相同條件下,反向漏電流小,等效結(jié)溫大,器件可靠性高。
  (4)同樣功耗,同樣壓降,反向恢復(fù)時間t_rr最小。
  CAL技術(shù)正是通過復(fù)合中心的缺陷來降低少子壽命,從而減小反向恢復(fù)時間。
  (5)反向恢復(fù)電荷Q_r小。   同理,CAL技術(shù)加速了反向關(guān)斷時少數(shù)載流子的復(fù)合,被抽出或復(fù)合的少子的量減少了,trr和Irr自然也會降低,進(jìn)而反向恢復(fù)電荷Q_rr也會隨之減小。
  (6)軟度因子F大。   利用CAL技術(shù)加速反向恢復(fù)時基區(qū)P⁺N^-結(jié)附近少數(shù)載流子復(fù)合消失的速度,而其他區(qū)域維持高的載流子壽命,使F增大,反向恢復(fù)軟度特性極佳。
  (7)通態(tài)前沖電壓U_FRM最小。   標(biāo)準(zhǔn)二極管為了在關(guān)斷時得到軟恢復(fù)特性設(shè)計成很寬的W_B,作為比較的CAL二極管,W_B保持盡可能的小。相同的參數(shù)來控制IGBT的關(guān)斷,得出的是CAL二極管和標(biāo)準(zhǔn)二極管的U_FRM分別為84V和224V,使用CAL技術(shù)制造的二極管的U_FRM比普通二極管整整低了三倍。
  (8)同樣應(yīng)用頻率,即同樣t_rr下,可以采用NPT結(jié)構(gòu)。
  普通二極管用穿通結(jié)構(gòu)使得基區(qū)寬度變小,導(dǎo)致通態(tài)功耗增大,而使用CAL技術(shù)可采用非穿通結(jié)構(gòu),使得基區(qū)存儲非平衡載流子數(shù)量多,反向恢復(fù)特性較好,且其邊緣不上翹,進(jìn)而漏電流小。
  (9)不同溫度下的通態(tài)伏安特性曲線有交點。
  采用鉑擴數(shù)及CAL技術(shù)的1200V快恢復(fù)二極管的正向溫度特性曲線如圖5所示。
  由圖可以看出,CAL技術(shù)的二極管在不同溫度下的通態(tài)伏安特性曲線有交點。
  假定把二極管比作平板電容,則均壓為:△U=△Q/C,而△Q_r越小則△U就越小,因此適合并聯(lián)應(yīng)用,使器件生產(chǎn)廠可以配對出廠,直接進(jìn)行并聯(lián),無需保護(hù)。  
  (10)不僅靜態(tài)雪崩能力P_RSM大,而且動態(tài)雪崩能力也最好。
  場電荷抽取(FCE)如圖7所示,陰極側(cè)一部分陰極面積包含了一個P⁺層,在陽極側(cè),注入輕離子以減少局部壽命,實現(xiàn)軟恢復(fù)特性。若在陰極側(cè)建立空間電荷區(qū),則P⁺區(qū)將注入空穴,而注入的空穴會補償由動態(tài)雪崩產(chǎn)生的電子。因有效的避免了Egawa電,其動態(tài)雪崩能力的得到了很大的提高。  
  5. 結(jié)束語
  本文敘述了現(xiàn)代FRD的最關(guān)鍵技術(shù)就是運用CAL技術(shù)控制基區(qū)壽命,給出了這一技術(shù)的原理,成功運用這一技術(shù)制造了15A/1200V、20kHZ快軟恢復(fù)二極管,進(jìn)一步闡明了應(yīng)用CAL技術(shù)給快恢復(fù)二極管帶來的十大根本變革。



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