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快恢复二极管技术研发现况与展望

作者:海飞乐技术 时间:2017-01-10 09:16

     现代电力电子电路中,其主回路通常采用功率MOSFET和IGBT等有具有自关断能力的功率器件,或是采用换流关断的晶闸管作为开关器件。但都需要并联一个功率快恢复二极管。其目的均是为了'能减小主开关器件电容的充电时间,同时抑制因负载电流瞬间变向时而感应产生的峰值电压,或通过负载中的无功电流。
      随着功率半导体器件研发和制造技术的快速发展,电路中主开关器件的性能得到不断提升,这时就要求与之配套使用的功率快恢复二极管必须具有更佳的综合性能和更短的反向恢复时间。
      在高频电路中的低压领域,首选器件是具有高开关速度和低通态压降等特点的肖特基二极管以及MPS结构的整流管。但在高频电路中的高压领域,由于肖特基二极管和MPS整流管具有金属一半导体结的结构关系,其高温状态下的反向漏电流偏大且该类器件的反向击穿电压无法设计得更改,因此不能应用于该领域;这时高耐压和高开关速度的P-I-N结构的快恢复二极管成为该领域应用的首选器件。功率快恢复二极管参数之间如正向压降、反向击穿电压、反向恢复时间、反向峰值电流、漏电流等存在着相互权衡的关系:其中主要是反向击穿压、反向恢复时间,及正向导通电压等之间的矛盾。以P-I-N结构的功率快恢复二极管为例:其P+区和N+区有很高的杂质浓度,同时I区的宽度很窄,在正向导通时产生的大注入效应降低了I区的导通电阳,但也增加了器件反向恢复时的载流子抽取时间,从而使得器件的反向恢复时间增加。所以,只能在各参数之间取其折衷而无法对所有的特性参数进行优化,在取得一个或几个参数优化的同时,以不过多的牺牲其它参数性能为准则,实现器件综合性能上的最大提升。根据这一设计原到理,现代P-I-N结构的功率快恢复二极管通常采用的是低阳极发射效率结构。
     而近年来功率快恢复二极管研究领域的热点各种是寿命控制技术,该技术是在器件内引入复合中心来减少反向抽取时的少数载流子寿命,从而获得较短反向恢复时间。但引入复合中心,会造成反向漏电流尤其是高温状态下的漏电流的增大和正向压降的上升,因此,引入复合中心的位置、浓度等参数对于保持器件的各种特性参数还具有良好的性能是极为重要的。
      随着快恢复二极管市场需求的逐渐増大,目前国外内很多半导体分立器件制造公司致力于研发性能优越的快恢复二极管系列产品。研究人员为了获得高压、高频、低耗散功率快恢复二极管,正在两个方向进行研究。一是采用新的材料或新的结构研制新型功率快恢复二极管,一是沿用成熟的硅材料器件工艺,通过合理的器件结构设计和工艺技术来改善快恢复二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系。正如之前所说的,器件正向注入的载流子时,虽然降低了器件正向压降但同时也降低了器件的开关速度,我们虽然可以通过各种结构的优化和寿命控制技术来缩短器件的开关时间,但是同时又会增加其正向压降和反向漏电流或是降低器件的软度因子,因此只能在各项参数之间取其折衷。就目前来说,实现半导体分立器件性能的折衷技术大致可分为两类:分别是阳极发射效率控制技术和寿命控制技术。
       阳极发射效率控制技术是通过控制P+区的发射效率来控制注入到高阻区中的少数载流子浓度,以达到缩短反向抽取时间的目的,该技术一般是通过新型结构的设计(自调节发射效率双基区二极管结构和SIOD结构)或是降低P型杂质的掺杂剂量和缩短扩散时间的方法来实现。但是这种技术的前提是必须保证P+区掺杂浓度及厚度不能太低,这使得该项技术相对于寿命控制技术来说对提高PIN结构二极管综合性能的空间不大。
      寿命控制技术是通过控制基区中少数载流子在关自过程中的复合速度来提高开关特性的一种技术。从工艺上来说,就是通过向高阻区掺入一定浓度的复合中心来控制少数载流子寿命。它包括电子辐照寿命控制技术和传统的重金属(金、铂等)掺杂寿命控制技术,以及近几年新发展起来的He2、H+离子注入局域寿命控制技术,这些技术的具体内容将在后面文章中详细阐述。
      在这些少子寿命控制技术中,目前被普遍采用的是八十年代已经研究成熟,电子辐照和扩金、铂,这些技术有着各自的特点:在相同的反向恢复时间下,扩金的快恢复二极管正向压降最小,但因其反向漏电流尤其是高温反向漏电流特别大,在高压器件制造中很少使用扩铂的快恢复二极管反向漏电流特别小,而正向压降一般,其器件性能长期稳定性好,但扩铂时的反向恢复时间的精确控制比电子辐照相差,成本较高,所以多在一些高可靠性的快恢复二极管制造中使用;电于辐照的快恢复二极管性能居于扩铂和扩金之间,而且由于辐照感生缺陷的缓慢恢复使长期可靠性不如扩铂的快恢复二极管。
       另一方面,在最近几年中,对于制造功率二极管,为了确保实现高耐压、大功率,各公司逐渐倾向于采用熔凝玻璃作钝化层。该类半导体器件不仅结面积大,而且为了避免平面型结构存在的大曲率处的电场集中效应,通常还要做成台面型或者斜角型(正台面)结构。对这些器件来说采用二氧化硅作钝化膜已经不再适用,这是因为氧化硅中的可动离于,特别是Na+的迁移率较大,使得器件的反向漏电流增加。由于高压器件一般使用的电阻率较高,在长时间的高温氧化过程中,可能引入杂质沾污的问题尤为严重。特别是一些重金属深能级杂质,其扩散系数又很大,高温下会围绕位错凝聚,甚至会产生金属偏析,也会形成软击穿特性。用熔凝玻璃饨化的快恢复二极管则可完全克服上述缺点,其原理是:由氧化锌、三氧化二硼、二氧化硅等多种氧化物组成的熔凝玻璃,其熔凝成形后的网络结构比二氧化硅致密,其玻璃的性质不仅与其各种氧化物的组分有关,而且还与成形后的玻璃的结构有很大程度的联系。人们可以适当调整玻璃成分和成形工艺,改变其化学组分或是改变玻璃成形后的结构来控制玻璃性质,同时可以加入一些网络调节剂的离子与钠离子的相互作用,使钠离子的迁移率比其二氧化硅膜中的迁移率小,就可在一定程度上阻止玻璃钝化层内的可动离子移动,因此采用熔凝玻璃作半导体器件PN结的钝化保护层,对提高半导体器件的耐压和功率来说是非常有帮助的。
       玻璃钝化技术形成的绝缘膜,可隔绝来自环境气氛的影响。选择玻璃钝化的制作工艺温度比制作二氧化硅的热氧化温度低得多,另外,形成膨胀系数与硅相近的玻璃钝化膜是在一个较低的温度(500多度)下短时间内成型的,因此减少了长时间高温过后对硅片的沾污,另外,玻璃钝化工艺稳定性和一致性较好,生产周期短,成本低,效益高。




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