快恢復(fù)二極管技術(shù)綜述

王學(xué)良 錢敏

摘 要：本研究重點介紹少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)中的全域少數(shù)載流子技術(shù)和局域少數(shù)載流子技術(shù)及不同細分的少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)的優(yōu)缺點，并從陽極發(fā)射效率控制技術(shù)（如PIN、LLD、SSD、SPEED、MPS等）出發(fā)，介紹各類快恢復(fù)二極管技術(shù)的歷史演變及其結(jié)構(gòu)的研究進展。同時，對比分析了另一種快恢復(fù)二極管的重要技術(shù)——高壓鈍化技術(shù)，如SIPOS技術(shù)及PI技術(shù)。然后介紹國內(nèi)外快恢復(fù)二極管在各類電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后闡釋了快恢復(fù)二極管技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：快恢復(fù)二極管;壽命控制;陽極發(fā)射;高壓鈍化

中圖分類號：TN31 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）12-0036-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.007

Review of Technology of Fast Recovery Diode

WANG Xueliang1，2? ? QIAN Min1

（1.Department of Optics and Engineering Electronic Information，City University of Suzhou，Suzhou 215104，China;2.Advanced Semiconductor Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

Abstract：The study mainly introduces the varities of minor carries lifetime control technology eg non local minor crries lifetime control technology and local minor carries lifetime control technology，and also advantages and disadvantages of all sorts minor carries lifetime control technology.From point view of anode emitting effiency control technology eg PIN，LLD，SSD，SPEED and MPS，introduces the development of those relative fast recovery diodes and illustrates those relative schematic disgrams.Brieves another important passivation technology for FRD eg SIPOS and PI.Introduces the main application of FRD（fast recovery diode）.And finally discusses the challenges of current FRD（fast recovery diode） technology and it's future trend.

Keywords：fast recovery diode;lifetime control;anode emitting;high voltage passivation

0 引言

經(jīng)過70多年的發(fā)展，在快恢復(fù)二極管（FRD）領(lǐng)域中相繼成功研發(fā)出了多種硅（Si）基器件，如全域壽命控制FRD（如擴白金、擴黃金、電子輻照等）、局域壽命控制FRD（如氫注入、氦注入等）、PIN、SSD、SPEED、MPS等。圍繞反向恢復(fù)時間、恢復(fù)軟度、器件結(jié)構(gòu)和工藝、降低損耗和提升效率為主要發(fā)展方向，不斷進行推陳出新。

20世紀(jì)50年代PN二極管面世，其取代了肖特基金半二極管，極大地推動了半導(dǎo)體器件在高電壓大電流的功率管理等領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著人們對能耗、效率等方面的要求不斷提升，對二極管的恢復(fù)時間有了更高的要求，以此來降低損耗，實現(xiàn)效率的提升，快恢復(fù)二極管（FRD）便是在這樣的背景下被研發(fā)出來的。第一代快恢復(fù)二極管（FRD）采用的控制技術(shù)有金擴、鉑擴、電子輻照，即壽命全域控制的快恢復(fù)二極管。而后隨著快恢復(fù)二極管應(yīng)用范圍的擴大，其要滿足更快恢復(fù)、更軟恢復(fù)、更小漏電等要求，壽命局域控制的快恢復(fù)二極管（FRD）被成功研制出來，壽命局域控制技術(shù)即所謂的氫注入、氦注入、“氫注入+鉑”、“氦注入+鈀”等。20世紀(jì)70年代末到90年代，隨著快恢復(fù)二極管（FRD）的應(yīng)用范圍持續(xù)擴展，更新更高的要求也被提了出來，而傳統(tǒng)的工藝和結(jié)構(gòu)已難以滿足這些要求，新結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)二極管（如SSD、SPEED、MPS等）相繼被成功研制出來。鑒于FRD器件、工藝的應(yīng)用也越來越多樣化，本研究從壽命控制技術(shù)、陽極發(fā)射壽命控制技術(shù)、高壓鈍化和應(yīng)用方面，來介紹快恢復(fù)二極管技術(shù)的發(fā)展歷程。

1 快恢復(fù)二極管概述

快恢復(fù)二極管是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短等特點的半導(dǎo)體二極管[1]，主要應(yīng)用于電源管理、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管來使用。一般來說，快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，其屬于PIN結(jié)型的二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)I很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間很短。目前，有2種方法用來控制過剩少數(shù)載流子的分布。一是少數(shù)載流子壽命控制，分為全域壽命控制（如摻金、摻鉑、摻鈀和電子輻照等）、局域壽命控制（如氫注入、“氫注入+摻鉑”、氦注入、“氦注入+摻鈀”）等;二是陽極發(fā)射極效率控制技術(shù)。

2 提升二極管快恢復(fù)過程的相關(guān)技術(shù)

2.1 少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)

縮短FRD快恢復(fù)二極管中N區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子的壽命控制技術(shù)有全域壽命控制和局域壽命控制。全域壽命控制技術(shù)包括摻金[2-5]、摻鉑[4-5]、摻鈀[6]和電子輻照[7]等;局域壽命控制技術(shù)包括氫注入[8-10]、氦注入[9-12]、“氦注入+摻鈀”[13]、“氫注入+摻鉑”[14-15]等。各類壽命控制技術(shù)對比見表1和表2。

由表1和表2可知，考慮到對IC產(chǎn)線可能存在的污染等因素，氫注入或“氫注入+摻鉑”是一種不錯的選擇;雖然“氦注入+摻鈀”是目前最優(yōu)的方案，但其成本也很高;黃金技術(shù)和白金技術(shù)是目前性價比較高且常用的技術(shù)，黃金技術(shù)恢復(fù)軟、漏電較大，白金技術(shù)恢復(fù)略硬、漏電較小，但這兩種技術(shù)與CMOS工藝相比兼容性較差;電子輻照技術(shù)的快恢復(fù)可調(diào)性好，但易老化。

2.2 陽極發(fā)射效率控制技術(shù)

FRD大部分是PIN型結(jié)構(gòu)（見圖1）[16]。1976年，日立公司提出了通過低摻雜P來降低發(fā)射效率[17]，從而減少少子在N-中的分布，從而縮短反向恢復(fù)時間，最終降低功率損失，所以有著該結(jié)構(gòu)的FRD又被叫作低損耗二極管（Low Loss Diode，LLD）[18]，如圖2所示。

為了獲得更好的反向恢復(fù)性能，Y.Shimizu于1984年提出了靜電屏蔽二極管SSD[19]，如圖3所示。在正向?qū)〞r，該結(jié)構(gòu)由于淺P的存在，從而減少發(fā)射效率，有利于縮短trr;在反向?qū)〞r，由于P+的存在，通過巧妙的設(shè)計，可減少P的寬度、P+N的耗盡層，也可減少PN的電場，從而提高SSD的整體反向耐壓。1989年，H.Schlangenotto提出了具有自我發(fā)射效率調(diào)整的二極管（Self-Regulating Emission Effciency）[20]，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)通過深結(jié)低濃度的P，降低發(fā)射效率，有助于減少N-的少子，從而降低trr;淺結(jié)高濃度的P+在大電流時提供高效率的空穴發(fā)射，從而降低正向電壓。圖5為PIN、SSD、SPEED的反向性能對比圖。

1987年，B.J.Baliga提出了混合Schottky FRD的器件MPS（Mixed PIN and Schottky），其結(jié)構(gòu)如圖6所示。MPS正向?qū)〞r，Schottky區(qū)導(dǎo)通，正向電壓低;MPS反向?qū)〞r，PIN區(qū)的PN結(jié)耗盡層變寬，最終會夾斷Schottky區(qū)，從而屏蔽反向外電場，提高反向耐壓。這一結(jié)構(gòu)大大降低了trr、VF，使得反向耐壓最大化。圖7、圖8顯示了MPS、PIN等結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能對比，由圖可知，MPS是一種性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)[21]。

2007年，Infineon提出了FS-LLD的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。該結(jié)構(gòu)繼承了LLD的特性，低效率發(fā)射，從而縮短了trr。由于引入了N+、N-之間的N層作業(yè)Field Stop，芯片可做得更薄，從而進一步縮短trr，且VF更低，而BV卻不變小。

雖然提高FRD反向恢復(fù)性能主要靠這兩大技術(shù)，但仍有改善軟度的Controlled Injection of Backside Holes（CIBH）[22]、 Emitter Controlled Diode（EMCON）、Field Charge Extraction[23]等技術(shù)。盡管研究人員交替組合使用這些技術(shù)，使所設(shè)計的FRD性能最佳，但在這些技術(shù)中，少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)對FRD性能的影響是最大的。

3 高壓鈍化技術(shù)

目前，F(xiàn)RD普遍采用SIPOS作為PN結(jié)的鈍化層，如果直接采用SiO2、PSG、BPSG或玻璃作為鈍化層，存在以下3個問題。①絕緣層中靠近硅襯底界面處有固定的正電荷，會造成N型硅的電子積累和P型硅的反型層;②不能防止鈍化層的電荷積累或被Na+、K+等堿金屬離子的沾污，電荷能在靠近硅襯底表面的地方感應(yīng)出相反極性的電荷，并改變其電導(dǎo)率;③由于載流子注入二氧化硅的絕緣體中，能進行儲存和長期停留，使器件表面的電導(dǎo)率發(fā)生改變，從而使PN結(jié)反向擊穿電壓變低，穩(wěn)定性、可靠性變差。由于SIPOS的電中性，使用SIPOS[24]作為鈍化層，使在外界環(huán)境下感生的電荷不堆積在硅表面，而是流入到半絕緣多晶硅中，被其中的陷阱所“俘獲”，從而在多晶硅中形成屏蔽外電場的空間電荷區(qū)，使硅襯底表面的能帶分布不受外電場的影響，薄膜的半絕緣性使膜中可以有電流流過，因而緩解了勢壘區(qū)的表面電場，從而提高擊穿電壓。SIPOS膜包含氧原子，氧原子的存在減少了表面的態(tài)密度，降低了漏電流，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，加之膜的電中性，所以其是高壓器件的理想鈍化膜。

另外，值得一提的是，F(xiàn)RD具有厚Polyimide層（即PI）[25]。在功率開關(guān)器件芯片制造過程中，為了提高器件的電學(xué)性能和可靠性，在芯片表面常采用二氧化硅、氮化硅或磷硅玻璃（PSG）、SIPOS等作為鈍化層。多年的生產(chǎn)實踐證明，這些材料的鈍化效果良好，但制備這些材料還需要增加先進的設(shè)備，導(dǎo)致器件的制造成本增加。近年來，隨著功率器件制造技術(shù)水平的不斷提高，制造成本不斷降低，聚酰亞胺（PI）逐漸成為一種使用范圍廣的鈍化層。實踐證明，PI鈍化層具有很低的漏電性能、較強的機械性能及耐化學(xué)腐蝕性能。同時，PI膜也可有效遮擋潮氣，增加元器件的抗潮濕能力，從而改善芯片的可靠性，降低生產(chǎn)成本。PI層還具有抗輻射的性能，試驗表明，10 μm的PI層可擋氫注入硅約7 μm（在氫流入能量1 MeV），PI層在眾多鈍化技術(shù)中具有獨特的功能，且性價比高。

4 應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)向高頻化、模塊化方向發(fā)展，快恢復(fù)二極管FRD作為一種高頻器件也在蓬勃發(fā)展，通常被應(yīng)用于較高頻率的整流和續(xù)流電子線路中，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于高頻開關(guān)型電鍍電源、高頻高效開關(guān)電源、高頻快速充電電源、不間斷電源、高頻逆變焊機、PWM脈寬調(diào)制器、功率因數(shù)校正裝置、變頻驅(qū)動、交流電動機驅(qū)動、軌道交通牽引傳動、新能源汽車驅(qū)動、電網(wǎng)遠程多級輸電等場景中。其具有高效、節(jié)能和節(jié)材等特性，在應(yīng)用場景中備受青睞。快恢復(fù)二極管的兩個典型應(yīng)用案例見圖10和圖11。

5 展望

在提高快恢復(fù)二極管FRD的快恢復(fù)性能方面有兩大主流技術(shù)，即少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)和陽極發(fā)射效率控制技術(shù)。雖然少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)在應(yīng)用方面更勝一籌，但陽極發(fā)射效率控制技術(shù)在近年來也發(fā)展迅速。在實際產(chǎn)品研發(fā)和工藝開發(fā)過程中，科研人員更傾向于對兩大技術(shù)進行有效組合，甚至還有一些科研人員將陰極的FCE、CIBH等技術(shù)與這兩大技術(shù)進行有效融合，從而尋求更好的快恢復(fù)二極管FRD方案。毫無疑問，少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)是最為重要的，它對快恢復(fù)二極管FRD的性能影響是最大的。因此，從事快恢復(fù)二極管FRD研究的科技工作者也在極力尋求性價比高的少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)，以此來贏得市場與客戶。成本也正逐漸成為快恢復(fù)二極管FRD領(lǐng)域中需要考量的一個因素。硅基快恢復(fù)二極管FRD在耐壓、反向恢復(fù)時間及漏電方面受到硅基材料的極限物理特性的限制。而第三代半導(dǎo)體材料碳化硅在臨界擊穿電場、遷移率、熱傳導(dǎo)率等方面明顯優(yōu)于硅基材料。隨著第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)的日益成熟，寬禁帶半導(dǎo)體材料（如SiC）因其優(yōu)異的物理特性被廣泛應(yīng)用[26]。圖12為SiC、Si和GaN物理特性的對比圖。

6 結(jié)語

快恢復(fù)二極管FRD在整流線路和逆變線路中發(fā)揮著重要作用。隨著開關(guān)器件IGBT和VDMOS性能的迅速提升，F(xiàn)RD的性能發(fā)展也在不斷提升。事實上，F(xiàn)RD與IGBT/VDMOS是對“孿生兄弟”，二者息息相關(guān)。

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