改善高壓FRD結終端電流絲化的新結構

吳立成，吳 郁，魏 峰，賈云鵬，胡冬青，金 銳，査祎影

(1.北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院，北京100124;2.國網智能院 電工新材料及微電子研究所，北京100192)

為實現高耐壓，高壓快恢復二極管(FRD)N－基區(qū)的摻雜濃度通常取得較低(1013cm－3量級)，當在大電流、高電壓、大di/dt條件下關斷時，會在遠低于靜態(tài)擊穿電壓時發(fā)生動態(tài)雪崩。較強的動態(tài)雪崩會引發(fā)電流絲化，產生不可控的局部溫升，進而導致器件燒毀。這將限制高壓FRD及IGBT作為開關器件在大功率、高頻等領域的充分應用［1］。

如果只在二極管陽極側發(fā)生動態(tài)雪崩且此處摻雜足夠均勻，理論上此二極管有可能表現出較強的堅固性，這是因為陽極處的電流絲可沿橫向移動［2］，緩解了局部溫升。但在實際器件中，結終端處的摻雜不均勻。如果處理不當，就有可能在此處形成一個不移動的電流絲，對二極管的安全工作造成危害。因此，結終端是器件內部的一個薄弱區(qū)域［3］。為解決此問題，Mori等人曾提出過一種HiRC結構［4］，且被成功應用于具有場限環(huán)結構的FRD中［4－5］。該結構是在有源區(qū)與終端區(qū)之間引入的一個P型電阻區(qū)。文中通過仿真分析，探討了分別將這種電阻區(qū)引入結終端延伸(JTE)和橫向變摻雜(VLD)終端時的效果。由于前者引入電阻區(qū)的效果并不理想，提出了一種旨在緩解JTE終端區(qū)電流絲化的新結構。

1 高壓FRD動態(tài)雪崩特性

具有JTE終端(a)和VLD終端(b)的高壓FRD剖面圖，如圖1所示。

圖1 具有JTE終端和VLD終端的高壓FRD剖面圖

圖1中分別給出了具有JTE和VLD終端結構的兩個高壓FRD的剖面示意圖。由圖可見，在有源區(qū)和終端區(qū)之間有一個電阻區(qū)，相當于HiRC結構。它可以看作是主結的延伸部分，其長度由陽極接觸孔邊沿與擴散窗口邊沿之間的距離決定。文中結終端延伸(JTE)結構被定義為由少量的橫向均勻摻雜區(qū)域所組成的P－區(qū);橫向變摻雜(VLD)結構被定義為由很多較小的P－區(qū)組成，且他們的摻雜濃度從左到右逐漸減小。兩個二極管的有源區(qū)結構相同，通過設定面積因子使其達到1 cm2。并且，它們具有相同的擊穿電壓，約為4.5 kV。本文對兩種情況的靜態(tài)和動態(tài)特性進行了仿真計算。分析反向恢復特性時，采用如圖2所示的電路。其中，用電流源IF=200 A代替大負載電感為二極管提供正向電流;直流電壓VDC=2 000 V，寄生電感Lσ=100 nH，由此形成的反向恢復di/dt=2 000 A/μs。很大的IF和di/dt取值，有利于體現出明顯的動態(tài)雪崩效應。仿真結果顯示，在正向導通時，兩種結構中的電阻區(qū)對有源區(qū)邊緣處空穴注入的抑制作用相似;但在發(fā)生了動態(tài)雪崩的反向恢復過程中，兩種結構中電流分布的演化過程出現了明顯的差異。

圖2 反向恢復特性仿真電路

圖3(a)和圖3(b)分別顯示了具有JTE和VLD終端結構的兩個二極管的反向恢復波形?？梢钥闯?(1)它們的電壓電流波形非常相似，反向恢復時間都約為860 ns，只是VLD結構的反向電壓過沖和振蕩稍強。(2)它們的波形中，在反向電流增大時，反向電壓都出現了一些小的“凹陷”，這是一種瞬時的微分負阻效應，是內部發(fā)生了動態(tài)雪崩的標志。

兩種二極管在反向恢復過程中不同時刻的內部電流分布分別在圖4(a)和圖4(b)中給出。可以看出，一方面，兩種結構的有源區(qū)內都因動態(tài)雪崩效應而產生了電流絲。不過，這些電流絲又都在移動著，所以對器件的安全工作并不是特別危險。另一方面，圖4(a)顯示，具有JTE終端結構的FRD中，電阻區(qū)與終端區(qū)之間交界處，還形成了另一個電流絲，并且是不移動的。這就有可能導致器件燒毀。與此同時，具有VLD終端結構的FRD(參見圖4(b))，在相同位置的電流密度卻很小。這表明，在緩解反向恢復過程中主結邊緣的電流絲化方面，引入電阻區(qū)對VLD終端可以獲得與場限環(huán)相同的效果［4－5］，但對于JTE終端卻并不理想。因此需要一種新方法來解決JTE終端所面臨的這個問題。

圖3 具有(a)JTE終端和(b)VLD終端FRD反向恢復波形

圖4 具有(a)JTE終端和(b)VLD終端的FRD反向恢復不同時刻的電流線分布仿真結果

圖5有助于理解產生這個問題的根本原因。如圖5所示，在較高反向偏壓時，VLD終端電阻區(qū)與終端區(qū)交界附近的靜態(tài)電場強度比JTE終端相應位置要低，且分布更加均勻。根據動態(tài)雪崩的原理［1］，發(fā)生動態(tài)雪崩時電場與電流密度之間可以相互促進，所以JTE終端所具有的較強局部電場就會與本地產生的或者是有源區(qū)內部移動過來的電流絲相互作用，使其被強化和固定。

圖5 不同終端(a)JTE和(b)VLD的FRD在反偏3.3 kV時電阻區(qū)與終端界面處局部電場分布仿真圖

2 可緩解JTE終端區(qū)電流絲化結構

為降低陽極注入效率和減弱動態(tài)雪崩，有人曾提出在有源區(qū)引入P+/P陽極緩沖層結構［5－6］，這就為在JTE終端中引入一個新的電阻區(qū)結構提供了機會。圖6所給出新結構顯示了這個思路。其中的電阻區(qū)不再由P+區(qū)構成，而是代之以摻雜較低的陽極P型緩沖層，P+區(qū)則被限制在有源區(qū)之內。

圖6 新電阻區(qū)結構的剖面圖

新的電阻區(qū)結構具有以下優(yōu)點:(1)P型緩沖層的摻雜濃度要比常規(guī)的P型陽極低。因此，電阻區(qū)的電阻增大，能起到更好的鎮(zhèn)流作用。(2)既然P型緩沖層可以在縱向方向降低有源區(qū)的電場峰值強度，同理它也可以在橫向方向降低電阻區(qū)與JTE終端交界處的電場峰值。在3.3 kV下新結構中交界處附近的電場分布仿真結果如圖7所示，相應位置的電場強度要比圖5(a)所示的更低且更均勻。因此JTE終端與電阻區(qū)交界處在動態(tài)雪崩時產生的電流絲化將會緩解。

圖7 3.3 kV時新結構終端與電阻區(qū)界面附近的電場分布仿真圖

圖8所給出的新結構反向恢復過程的電流分布仿真結果可以驗證這一點。如圖所示，陽極側在JTE終端與電阻區(qū)交界處的電流密度大幅降低，此處固定電流絲的產生被有效抑制。圖8和圖4(a)的電流分布情況形成了鮮明的對照，顯示出P型緩沖層電阻區(qū)對問題的解決有效。

圖8 具有P緩沖層電阻區(qū)JTE終端的FRD反向恢復不同時刻的電流分布仿真結果，開關條件同圖2

3 結束語

本文通過仿真分析，比較了具有不同結終端(JTE和VLD)的高壓FRD在動態(tài)雪崩條件下的反向恢復特性。仿真結果表明如果僅通過P+型陽極延伸形成電阻區(qū)，具有VLD終端的器件在動態(tài)雪崩過程中表現要優(yōu)于具有JTE終端的器件。改用P+/P陽極結構中的P型緩沖層做電阻區(qū)之后，JTE終端與電阻區(qū)交界處的電流絲化問題可得到顯著緩解。

［1］LUTZ J，BABURSKE R.Dynamic avalanche in bipolar power devices［J］.Microelectronics Reliability，2012(2):475－481.

［2］MARTIN D，BREITHOLTZ B，JOSEF L，et al.Dynamic avalanche in Si power diodes and impact ionization at the nn+junction［J］.Solid－State Electronics，2000，44(2):477－485.

［3］SATORU K，TAKAHIDE S，RYUZO T，et al.Investigation of dynamic avalanche in the termination region for FWDs with high reverse recovery capability［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2008(6):137－147.

［4］MORI M，KOBAYASHI H，YASUDA Y.6.5 kV ultra soft＆fast recovery diode(U－SFD)with high reverse recovery capability［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2000(5):115－118.

［5］MATTHIAS S，VOBECKY J，CORVASCE C，et al.Field shielded anode(FSA)concept enabling higher temperature operation of fast recovery diodes［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2011(6):88－93.

［6］CHEN M，LUTZ J，FELSL H P，et al.The CIBH diode great improvement for ruggedness and softness of high voltage diodes［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2008(9):153－158.