1、 软恢复二极管新进展扩散型 双基区二极管张海涛 张 斌 （清华大学电力电子厂）（北京 1021 信箱 402 室， 北京 102201） 摘 要：本文介绍了一种采用扩散型双基区结构的快速软恢复二极管。二极管基区由传统的轻掺杂衬底基区 N- 与扩散形成的较重掺杂的 N 区（缓冲基区）两部分组成。实验结果表明，该二极管的反向恢复软度因子提高到了 1.0 左右，较传统的 PIN 二极管有了较大改善。关键词：二极管 快速 软恢复New Development of Soft Recovery Diode：Diode with Double Base Regions by the DiffusionZh
2、ang Haitao, Zhang Bin(Power Electronics Factory of Tsinghua University)( P. O. Box. 1021, Beijing, China, Post Code: 102201)Abstract: This paper introduces a fast and soft recovery diode with double base regions by diffusion. The base design of the diode consists of two regions: conventional lightly
3、 doped substrate N and a more heavily doped region N (buffering region) by the diffusion. The results of test indicate that the reverse recovery softness of the diodes is increased to about 1.0, and is more improved than the conventional PIN diode.Key words: diode, fast, soft recovery1 引 言广泛应用于功率电路中
4、的 PIN 二极管具有较高的反向耐压，而且在通过正向大电流密度的情况下，由于基区电导调制效应，正向压降较小。为了提高耐压，传统 PIN 二极管采用深扩散缓变结构，造成关断前存在着大量存贮电荷使得反向恢复时间延长；为了减小压降，这种高压二极管通常又需要设计成基区穿通结构，以减薄基区，从而使得反向恢复特性更硬，越来越不适应电力电子技术的发展。为了缩短二极管的反向恢复时间，提高反向恢复软度，同时使得二极管具有较高的耐压，在传统 PIN 二极管的基础上，增加一个 N 型缓冲基区是一个较好的解决办法。即二极管的基区由基片的轻掺杂 N 衬底 区及较重掺杂的 N区组成。国外设计的二极管当中，也有采用双基区结
5、构的，但其 N 缓冲基区的形成均是采用外延工艺实现1。由于我室没有外延设备，国内虽有外延设备，但高阻厚膜外延的目前水平尚难满足大功率二极管的要求，因此我们决定尝试利用传统扩散工艺制作 N 缓冲基区结构，以期达到提高二极管反向恢复软度的目的。2 快恢复二极管的反向恢复分析2.1 反向恢复过程分析反向恢复过程短的二极管称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode）。高频化的电力电子电路要求快恢复二极管的反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。所有的 PN 结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理，它导致正向压降（VF）的降低，从这个意义上
6、讲，它是有利的。但是当在导通的二极管上加反向电压后，由于导通时在基区存贮有大量少数载流子，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间（trr）。图 1 为二极管反向恢复过程的电流和电压波形示意图。图 1 二极管反向恢复电流和电压波形示意图其中，IRM 为反向恢复峰值电流，VRM 为反向峰值电压，QR 为反向恢复电荷，trr 为反向恢复时间，这几个参数是器件设计及应用中十分重要的参数。从时间 t=tf 开始，已经导通的二极管加反向电压 VR，原来导通的正向电流 IF 以
7、diF/dt 的速率减小。这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定，并且外加反向电压的绝大部分降落在电路电感上。即（1）当 t=t0 时，二极管中的电流降至 0。在这之前二极管处于正向偏置，电流为正向电流。在 t0 时刻后，正向压降稍有下降，但仍处于正向偏置，电流开始反向流通，形成反向恢复电流 irr。t0 到 t1 称为少数载流子存储时间 ta，这期间，一部分内部储存电荷通过反向被快速抽出，二极管反向电流从零上升至其峰值 IRM，PN 结电压则略有一些减小但仍是正向的。由于二极管上的低电压，ta 期间二极管上功率损耗很小。然而，开关器件中的功率耗散很高，这是因为功率开关器件在承受电路满
8、电压的同时，还承载了全部的二极管反向电流，而 ta 期间二极管的反向电流是相当大的。在 tt1 之后，空间电荷区开始建立，少数载流子通过复合而消失，反向恢复电流迅速下降，下降速率为 dirr/dt，在线路电感中产生较高的电动势，这个电势与电源电压一起加在二极管及与其反并联的功率开关器件上，所以二极管及功率开关器件承受很高的反向电压 VRM。从 t1 到 t2 这段时间称为复合时间tb，测试标准规定， t2 由电流在 0.9IRM 与 0.25IRM 处的连线在时间轴上的交点决定。从 t0 到 t2 这段时间称为反向恢复时间 trr，tb 与 ta 之比即为二极管的软度因子 S。可见，t1 之后
9、二极管基区剩余越多的少数载流子，即复合时间 tb 越长，二极管的软度因子就越大。2.2 反向恢复参数分析通常用软度因子 S（Softness factor）来描述反向恢复的软硬特性：（2） 反向恢复电流的下降速度 dirr/dt 也是一个很重要的参数。若 dirr/dt 过大，由于线路存在电感 L，则会使反向峰值电压 VRM 过高，有时出现强烈振荡，致使二极管或开关器件损坏。VRM 与 dirr/dt 的关系如下。(3)其中，L 为电路总电感，VL 附加感生电势。可以推导出 dirr/dt、VRM、IRM 及 QR 与软度因子 S 的关系如下：（4）（5）（6）（7）由式 37 可见，提高二极
10、管的软度因子 S，可以显著减小反向恢复的 dirr/dt、IRM 及 VRM。例如，对于相同的反向恢复时间 trr，如果软度因子 S 由目前的 0.3 提高到 1.0，则 dirr/dt 和附加感生电势 VL 可以降低 70%，IRM 和 QR 可以降低 35%，这将大大提高功率器件及电路的可靠性与稳定性。2.3 软度因子的影响因素由软度因子定义可知，它其实就是反映二极管在反向恢复的 tb 过程中基区少子因复合而消失的时间长短。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区宽度和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切的关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度
11、因子。2.4 提高软度因子的主要方法提高软度因子主要从两方面着手，一是选择合适的少子寿命控制方法。在诸多少子寿命控制方法中，扩金器件的软度因子较大，但漏电流大，高温特性差；而电子辐照器件软度因子最小，但高温特性好。因此需要根据实际情况，权衡利弊，折中考虑。二是在二极管的结构设计上做文章，能够提高软度因子的二极管结构有多种，如自调节发射效率结构、凹形阶梯阴极短路结构、辅助二极管结构、外延二极管结构及外延双基区结构等。其中效果最为显著的是具有外延双基区双基区结构的二极管。3 双基区二极管的结构及工作原理双基区二极管主要特点是它的基区由 N区和 N 区两部分组成，N是原始硅片的轻掺杂衬底区，N 区则
12、为较重掺杂区，掺杂浓度高于 N区，但远低于 N+区。我们称 N 基区为缓冲基区或缓冲层。N 区通常用外延方法获得，我们为条件所限，采用了传统的扩散方法制作。双基区结构可以显著改善二极管的软度，这是由于缓冲层的杂质浓度高于衬底的浓度，在反向恢复过程中使得耗尽区到达缓冲层后扩展明显减慢。这样，经过少数载流子存储时间之后，在缓冲层中还有大量的载流子未被复合或抽走，使得复合时间相应增加，从而提高了二极管的软度因子。为此，有两个条件需要满足：一是二极管的 N 基区必须足够窄，以保证额定电压下的空间电荷区展宽能够进入缓冲层；二是缓冲层的浓度应适宜，浓度不宜过高，以保证缓冲层具有电导调制效应，但也不宜过低，
13、以保证空间电荷区不会穿通缓冲层。这种双基区二极管的横截面结构及浓度分布如图 2 和图 3 所示。二极管的阳极则由轻掺杂的 P 区与重掺杂的 P区镶嵌组成，该 PP结构可以控制空穴注入效应，从而达到控制自调节发射效率和缩短反向恢复时间的目的。P 区和 P区的杂质浓度及结深主要考虑保证二极管不仅具有足够的反向阻断能力，而且在低电流密度下空穴注入效率低，大电流密度下才有高注入效率。低的空穴注入效率使阳极侧注入载流子浓度下降，转入阻断状态时，PN 结处较早夹断，在规定电流换向速度 di/dt 下，反向峰值电流小，同时，由于基区中性部分仍有较多载流子存在，使软度因子得到改善。二极管的阴极则与一般二极管相
14、同，由重掺杂的 N+区构成。4 实验方案及工艺流程为便于实验比较，我们主要设计了 4 种实验方案：结构上分为双基区结构的二极管和普通结构的传统PIN 二极管 2 种；少子寿命控制方法分为扩金和电子辐照 2 种。如此产生 4 种组合方案。4 种方案采用了电阻率和片厚完全相同的原始硅片，除了传统 PIN 二极管没有 N 缓冲层外，其余的 P、P+、N+等的扩散浓度和结深、以及工艺过程都完全一样，最终片厚也一样。根据管芯的设计要求，制订双基区二极管的工艺流程如下图所示。扩磷(N 缓冲层 ) 磨片 扩铝 (P) 氧化,光刻 扩硼 (P+) 氧化 扩磷 (N+) 扩金 割圆 烧结 蒸铝 退火 磨角保护
15、芯片测试 封装 成品测试 5 实验结果对上述 4 种方案进行了实验，并将实验结果进行了测试比对。测试条件如下：在正向峰值电流 IFM1000A 的条件下测试正向峰值压降 VFM；在正向电流 IFM80A，反向电压VR100V，正向电流下降速率 diF/dt40A/s 的条件下测试反向恢复时间 trr 以及反向峰值恢复电流IRM；并分别于室温及 150下测试反向重复峰值电压 VRRM=2000V 下的漏电流 IRRM。测试结果如表 1 所示，表中数据为多个样品所测数据的平均值，编号代表不同结构与工艺的分类号，其含义如下：1 双基区结构二极管，扩金控制少子寿命；2 双基区结构二极管，电子辐照控制少
16、子寿命；3 传统 PIN 二极管，扩金控制少子寿命；4 传统 PIN 二极管，电子辐照控制少子寿命。从表 1 的数据可以看出，双基区二极管（表中 1、2 类）较传统 PIN 二极管（表中 3、4 类）具有较小的反向恢复时间、反向恢复峰值电流和 dirr/dt，其软度因子也大大提高，但是它的正向压降略大，尤其是采用电子辐照控制少子寿命的二极管。而采用扩金方法控制少子寿命的二极管与采用电子辐照方法控制少子寿命的二极管相比较，扩金二极管具有较小的正向压降、反向恢复时间和反向恢复峰值电流，较大的软度因子，dirr/dt 也偏小，只是反向漏电流偏大，所以具有双基区结构的二极管最好选用扩金的方法来控制少子
17、寿命。表 1 双基区二极管的测试结果分类编号 样品数量（个） 正向压降 VFM（V） 反向恢复时间 trr(s) 软度因子 S=tb/ta 反向恢复峰值电流 IRM（A） dirr/dt(A/s) 漏电流 IRRM（mA）( VRRM=2000V)分类编号 样品 正向压 反向恢 软度 反向恢复 dirr/dt 漏电流IRRM（mA） ( VRRM=2000V) 数量 （个）降 VFM （V） 复时间 trr(s) 因子 S=tb/ta 峰值电流 IRM（A） (A/s) 25 150 1 10 1.88 1.2 1.00 9.4 15.6 0.22 100 2 5 2.57 1.24 0.55
18、 14.9 33.9 0.17 65 3 10 1.72 1.95 0.5 17.8 27.4 0.35 42 4 5 1.98 1.8 0.29 18.8 47.0 0.33 23 表中第 12 类的 150下漏电流的数据取的是样品中示数最小的值。6 结 论双基区结构二极管比传统 PIN 二极管显示了较小的反向恢复时间、反向恢复峰值电流和 dirr/dt，并且在很大程度上提高了软度因子。可见，N 缓冲层对二极管的反向恢复特性产生了较大的影响，但同时，缓冲层二极管的反向漏电流要明显地比传统 PIN 二极管大得多，高温情况下尤其如此。由于时间问题，我们仅做了一批较系统的比较实验，很多问题尚未进一步探讨，我们预计，通过进一步优化设计和改进工艺，双基区结构二极管的反向漏电流问题可望得到改善，反向恢复软度可望得到进一步提高。
