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快恢復二極管技術研發現況與展望

作者:海飛樂技術 時間:2017-01-10 09:16

     現代電力電子電路中,其主回路通常采用功率MOSFET和IGBT等有具有自關斷能力的功率器件,或是采用換流關斷的晶閘管作為開關器件。但都需要并聯一個功率快恢復二極管。其目的均是為了'能減小主開關器件電容的充電時間,同時抑制因負載電流瞬間變向時而感應產生的峰值電壓,或通過負載中的無功電流。
      隨著功率半導體器件研發和制造技術的快速發展,電路中主開關器件的性能得到不斷提升,這時就要求與之配套使用的功率快恢復二極管必須具有更佳的綜合性能和更短的反向恢復時間。
      在高頻電路中的低壓領域,首選器件是具有高開關速度和低通態壓降等特點的肖特基二極管以及MPS結構的整流管。但在高頻電路中的高壓領域,由于肖特基二極管和MPS整流管具有金屬一半導體結的結構關系,其高溫狀態下的反向漏電流偏大且該類器件的反向擊穿電壓無法設計得更改,因此不能應用于該領域;這時高耐壓和高開關速度的P-I-N結構的快恢復二極管成為該領域應用的首選器件。功率快恢復二極管參數之間如正向壓降、反向擊穿電壓、反向恢復時間、反向峰值電流、漏電流等存在著相互權衡的關系:其中主要是反向擊穿壓、反向恢復時間,及正向導通電壓等之間的矛盾。以P-I-N結構的功率快恢復二極管為例:其P+區和N+區有很高的雜質濃度,同時I區的寬度很窄,在正向導通時產生的大注入效應降低了I區的導通電陽,但也增加了器件反向恢復時的載流子抽取時間,從而使得器件的反向恢復時間增加。所以,只能在各參數之間取其折衷而無法對所有的特性參數進行優化,在取得一個或幾個參數優化的同時,以不過多的犧牲其它參數性能為準則,實現器件綜合性能上的最大提升。根據這一設計原到理,現代P-I-N結構的功率快恢復二極管通常采用的是低陽極發射效率結構。
     而近年來功率快恢復二極管研究領域的熱點各種是壽命控制技術,該技術是在器件內引入復合中心來減少反向抽取時的少數載流子壽命,從而獲得較短反向恢復時間。但引入復合中心,會造成反向漏電流尤其是高溫狀態下的漏電流的增大和正向壓降的上升,因此,引入復合中心的位置、濃度等參數對于保持器件的各種特性參數還具有良好的性能是極為重要的。
      隨著快恢復二極管市場需求的逐漸増大,目前國外內很多半導體分立器件制造公司致力于研發性能優越的快恢復二極管系列產品。研究人員為了獲得高壓、高頻、低耗散功率快恢復二極管,正在兩個方向進行研究。一是采用新的材料或新的結構研制新型功率快恢復二極管,一是沿用成熟的硅材料器件工藝,通過合理的器件結構設計和工藝技術來改善快恢復二極管中導通損耗與開關頻率間的矛盾關系。正如之前所說的,器件正向注入的載流子時,雖然降低了器件正向壓降但同時也降低了器件的開關速度,我們雖然可以通過各種結構的優化和壽命控制技術來縮短器件的開關時間,但是同時又會增加其正向壓降和反向漏電流或是降低器件的軟度因子,因此只能在各項參數之間取其折衷。就目前來說,實現半導體分立器件性能的折衷技術大致可分為兩類:分別是陽極發射效率控制技術和壽命控制技術。
       陽極發射效率控制技術是通過控制P+區的發射效率來控制注入到高阻區中的少數載流子濃度,以達到縮短反向抽取時間的目的,該技術一般是通過新型結構的設計(自調節發射效率雙基區二極管結構和SIOD結構)或是降低P型雜質的摻雜劑量和縮短擴散時間的方法來實現。但是這種技術的前提是必須保證P+區摻雜濃度及厚度不能太低,這使得該項技術相對于壽命控制技術來說對提高PIN結構二極管綜合性能的空間不大。
      壽命控制技術是通過控制基區中少數載流子在關自過程中的復合速度來提高開關特性的一種技術。從工藝上來說,就是通過向高阻區摻入一定濃度的復合中心來控制少數載流子壽命。它包括電子輻照壽命控制技術和傳統的重金屬(金、鉑等)摻雜壽命控制技術,以及近幾年新發展起來的He2、H+離子注入局域壽命控制技術,這些技術的具體內容將在后面文章中詳細闡述。
      在這些少子壽命控制技術中,目前被普遍采用的是八十年代已經研究成熟,電子輻照和擴金、鉑,這些技術有著各自的特點:在相同的反向恢復時間下,擴金的快恢復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鉑的快恢復二極管反向漏電流特別小,而正向壓降一般,其器件性能長期穩定性好,但擴鉑時的反向恢復時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二極管制造中使用;電于輻照的快恢復二極管性能居于擴鉑和擴金之間,而且由于輻照感生缺陷的緩慢恢復使長期可靠性不如擴鉑的快恢復二極管。
       另一方面,在最近幾年中,對于制造功率二極管,為了確保實現高耐壓、大功率,各公司逐漸傾向于采用熔凝玻璃作鈍化層。該類半導體器件不僅結面積大,而且為了避免平面型結構存在的大曲率處的電場集中效應,通常還要做成臺面型或者斜角型(正臺面)結構。對這些器件來說采用二氧化硅作鈍化膜已經不再適用,這是因為氧化硅中的可動離于,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,在長時間的高溫氧化過程中,可能引入雜質沾污的問題尤為嚴重。特別是一些重金屬深能級雜質,其擴散系數又很大,高溫下會圍繞位錯凝聚,甚至會產生金屬偏析,也會形成軟擊穿特性。用熔凝玻璃飩化的快恢復二極管則可完全克服上述缺點,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,其熔凝成形后的網絡結構比二氧化硅致密,其玻璃的性質不僅與其各種氧化物的組分有關,而且還與成形后的玻璃的結構有很大程度的聯系。人們可以適當調整玻璃成分和成形工藝,改變其化學組分或是改變玻璃成形后的結構來控制玻璃性質,同時可以加入一些網絡調節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的可動離子移動,因此采用熔凝玻璃作半導體器件PN結的鈍化保護層,對提高半導體器件的耐壓和功率來說是非常有幫助的。
       玻璃鈍化技術形成的絕緣膜,可隔絕來自環境氣氛的影響。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,形成膨脹系數與硅相近的玻璃鈍化膜是在一個較低的溫度(500多度)下短時間內成型的,因此減少了長時間高溫過后對硅片的沾污,另外,玻璃鈍化工藝穩定性和一致性較好,生產周期短,成本低,效益高。




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