功率器件工程师笔记——功率二极管设计

      功率二极管的应用场合不同，对其性能的要求不同，设计的侧重点也就不同。对于整流用普通功率二极管，需要高击穿电压和低正向压降，以提高通流能力，并降低通态损耗，对反向恢复特性要求不是很高。对于开关用功率二极管，则对其开关速度要求较高，关键是要缩短反向恢复时间，并降低正向压降。对续流用功率二极管，不仅要求有快恢复速度和低正向压降，而且要求有较高的软度。如果要求功率二极管在高频下能超快恢复，则需采用功率肖特基二极管。

      功率二极管设计的关键是在满足击穿电压要求的前提下，通过结构优化或少子寿命控制，以获得快速而且较软的恢复特性，并尽可能降低正向压降。

1普通功率二极管设计

1.1设计考虑

      普通功率二极管主要做整流用，设计考虑相对比较简单。主要是保证高电压、大电流及低损耗。通常采用p⁺pnn⁺结构。除了需要采用重掺杂的p⁺区和n⁺区外，工艺上还需要提高少子寿命，以降低正向压降。

1.2结构设计

      通常先根据耐压指标估算出n^-区的掺杂浓度和厚度，然后利用模拟软件分析掺杂浓度和厚度变化对击穿电压和导通特性的影响，通过对比分析，找出满足耐压要求、并且导通特性最好的一组参数作为n区的设计参数。在此基础上，再逐个分析其他结构参数对功率二极管的击穿、导通和反向恢复特性的影响，最后进行折中考虑，提取满足击穿电压、导通压降及反向恢复特性指标要求的结构参数。

      对于1.2kV以下的功率二极管，n区较薄，通常采用外延工艺。对中等电压的整流二极管，因外延层厚度有限，通常采用扩散工艺来实现。除了扩散方法外，另一种方法是采用反外延片，即在n区熔单晶衬底上外延一层高掺杂浓度的n⁺区作为阴极区，但n区的厚度也需要适当减薄，否则会导致正向压降增加。

       图2 NPT和PT耐压结构的U_BD和W_n的关系

     对于超高压的二极管，必须选择穿通（PT）型结构或场阻止（FS）型耐压结构。可采用硅-硅直接键合（SDB）工艺来制作。如利用SDB工艺将p⁺/n^-硅片和n/n^-/n⁺硅片键合在一起，在靠近阴极侧的n^-区内实现了一种隐埋的nFS层（buried FS layer）结构，隐埋层距阴极侧的深度d_FS为硅片总厚度的13%。键合后还可以通过氢注入（类似于质子辐照）并在 400～500℃下退火30min形成有效的双空位、氧空位等缺陷作为复合中心，以降低少子寿命。从而减小反向恢复时间，并获得低的正向压降。

2、快速软恢复二极管的设计

2.1缓冲层/FS层的设计

      为了改善反向恢复特性，除了采用低掺杂的阳极区外，还需在n⁺阴极区和n^-区之间增加一层n缓冲层，以改变阴极侧的掺杂浓度分布，从而控制反向恢复期间载流子的抽取速度。对600V以下的FSRD而言，通常利用外延来形成n缓冲层，如图3a所示。

       图3具有不同缓冲层和FS层的二极管结构

      对于1.2kV以上器件，通常采用高阻区熔（FZ）硅单晶以降低衬底成本，n缓冲层通常采用离子注入工艺来形成，如图3b所示。也可采用场阻止层或软穿通（Soft Punch Through，SPT）结构，使得在反向恢复期间，n^-n结处电场强度减小，载流子的抽取速率减小，从而显著减小高电压振荡，获得更软的恢复特性。

     图3c是一种中部高浓度的宽缓冲层（Middle Broad Buffer Layer，MBBL）二极管结构，它是利用外延工艺在n-区形成一个中心处浓度为N_p，两侧浓度约为1/3N_p的类“山”形掺杂浓度分布。这种较宽的“山”形掺杂浓度分布，也可在FZ硅单晶片上利用P或As离子注入来实现。采用 MBBL 结构可以获得快而软的反向恢复特性，并抑制反向高电压的振荡。将MBBL结构与质子辐照技术结合，可进一步降低反向峰值电流抑制高压振荡。

2.2阳极区的设计

      功率二极管阳极区的设计，首先要考虑降低阳极的注入效率，以协调通态特性与反向恢复特性之间的矛盾关系。此外，还需考虑功率二极管安全工作区及可靠性等因素。降低阳极掺杂浓度，不仅可以降低阳极注入效率，缩短反向恢复时间，而且可使pn结压降减小，有利于降低器件的正向压降。

2.3辅助门极的设计

      除了对快恢复二极管的n缓冲区、阳极区及阴极区进行优化设计外，还可以在阴极侧增加一个控制极，形成门极控制二极管（Gate Controlled Diode，GCD）。如图4所示，它是利用台面工艺将p⁺门极区从n⁺阴极区中分离，并形成独立的门极接触。

      图4 GCD剖面结构及符号

       图5 GCD门极脉冲及对用的恢复特性

      采用门极控制技术虽然可以得到较好的特性，但增加了门极控制电路及其功耗。当然， GCD 也可以采用与GCT相 同的驱动方式，将门极驱动电路通过印制电路板与GCD做在一起，形成集成化的GCD（IGCD）。用IGCD与IGCT反并联可替代串联IGCT的吸收网络，实现对称的静态与动态均压，同时反并联的IGCD还可以减小IGCT的关断损耗。

3、功率肖特基二极管的设计

      功率肖特基二极管的设计关键是n^-区的设计及肖特基结材料的确定。

功率肖特基二极管最小特征导通电阻：

      对实际的功率SBD而言，特征导通电阻值与实际测试值有偏差，且实际测试值小于理论设计值。因为有源区外围设置p⁺场限环，注入的少数载流子的双极效应。

     设计示例：200V功率SBD

     考虑到材料、工艺及测量误差，将击穿电压的设计目标值定为240V。其最小特征导通电阻R_S,SPmin =0.45Ω·mm²。

     在额定电流密度J为150A/cm²时，其压降为0.68V。

     采用的肖特基接触材料为PtSi，其阈值电压U_TO为0.5V。因此正向压降U_F=U_TO+R_S,SPmin J=1.18V。而实际测量的正向压降U_F<0.9V。这个偏差可用上面提到的双极效应来解释。

      相比较而言，对于一个200V的外延pin二极管，结电压在0.7～0.8V的范围内，在150A/cm²下，其压降不高于1V。可见，对于200V器件，采用pin二极管的正向压降与肖特基二极管相当。只是外延pin二极管开关速度低于肖特基二极管。若击穿电压为100V时，功率SBD的特征导通电阻R_S,SP=0.082Ω·mm²。仍采用PtSi肖特基势垒，在额定电流密度为150A/cm²时，其正向压降U_F=U_TO+R_S,SP J =0.62V。如此低的正向压降，采用pin二极管是无法达到的。

      可见，与pin二极管相比，功率SBD在200V以下可显现出其优越性。