功率器件工程师笔记——快恢复二极管

快速软恢复二极管

      传统的快恢复二极管（FRD）与普通二极管主要区别在于反向恢复时间t_rr的长短，这主要与非平衡载流子寿命有关。常用掺金或电子辐照的方法使少子寿命降低，以获得较短的反向恢复时间。随着电力电子技术的发展，传统的快恢复二极管远不能满足新器件应用的要求，不是简单地缩短t_rr，还要求有较软的恢复特性。

1、结构类型

1.1快恢复二极管结构

         图1 具有不同阳极注入效率的功率二极管结构

   （1）弱阳极二极管结构：如图1a所示，它是通过降低普通 pin 二极管的阳极掺杂浓度形成的。p阳极区的掺杂浓度比普通pin二极管的p⁺阳极区掺杂浓度更低。采用此结构可降低阳极注入效率，提高反向恢复速度，并降低开关损耗。故这种结构也称为低损耗二极管（Low Loss Diode，LLD）。

   （2）发射极注入效率自调整二极管（Self-adjustable p⁺ Emitter Efficiency Doide，SPEED） 结构：如图1b所示，它是在低掺杂的p阳极区中嵌入了高掺杂浓度的p⁺区。低电流密度下，pn结的注入效率较低，所以二极管的压降由正向压降较低的pnn⁺部分决定；高电流密度下，p⁺pn结的注入效率较高，所以二极管的压降由正向压降较低的p⁺pnn⁺部分决定。与普通pin二极管相比，SPEED 结构在高电流密度下正向压降增加更少，有助于提高器件抗浪涌电流的能力，并提高反向恢复速度。

   （3）静电屏蔽二极管（Static Shielding Diode，SSD）结构：如图1c所示，它的阳极是由一个高掺杂的p⁺区环绕浅轻掺杂p区构成。由于轻掺杂p区有较低的注入效率，导致存储电荷减小。该结构可以改善反向恢复特性，但击穿电压较低。

   （4）发射极短路型二极管（Emitter Short Type Diode，ESD）结构：如图1d所示，它是在阳极区增加了部分n⁺控制区，以降低阳极的注入效率。同时在阳极侧也产生了一个寄生的n⁺pn^-n晶体管。通过适当降低p阳极区的掺杂剂量，并控制n⁺区的尺寸，可以减小 n⁺区下方p阳极区的横向电阻，从而避免寄生晶体管在反向恢复期间导通，并获得高击穿电压和低阳极注入效率。通常将p⁺与n⁺区做成精细的接触结构（如宽度L_n+=1μm，L_p = 3μm，结深均为1μm，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3），可以保证反向恢复期间n⁺p结的正偏压低于0. 5V而不发生注入。

   （5）注入效率逆增长（Inverse injection Dependency of Emitter Efficiency，IDEE）二极管结构：如图1e所示，它是通过离子注入和高温推进将阳极区做成了分离的高掺杂深 p⁺区，且深p⁺区之间的n^-区形成沟道，使阳极注入效率与常规的pn结的注入效率变化趋势相反，即随阳极电流的上升而逐渐增大，有利于降低大电流下的通态功耗，提高二极管抗浪涌电流的能力。同时由于阳极p⁺区间距很小，截止状态下沟道区会被p⁺n结的电场屏蔽，所以对击穿电压几乎没有影响。

1.2软恢复二极管结构

       图2 具有不同阴极注入效率的功率二极管结构

   （1）载流子存储二极管（Carrier Stored Diode，CSD）结构：如图2a所示，是将n⁺阴极区和n缓冲层做成梳状结构，同时在靠近阳极的n^-区采用局部少子寿命控制技术形成复合中心，以降低阳极侧的载流子注入。由于梳状开口处的掺杂浓度较低，可增加反向恢复期间阴极侧的载流子浓度，以获得小而长的拖尾电流。通过调整梳状阴极的开口宽度，可减小拖尾电流的斜率，抑制电流和电压振荡。

   （2）场抽取电荷（Field Charge Extraction，FCE）二极管结构：如图2b所示，它是在n⁺阴极侧增加了低掺杂的浅p控制区，于是在阴极侧形成了一个寄生的pnp晶体管。由于p控制区的掺杂有限，对FCE二极管的反向截止和导通特性不会产生明显的影响。反向恢复期间，随着阳极电压的逐渐上升，p控制区与n场阻止（Field Stop，FS）层形成的pn 结会向nFS层注入空穴，且注入效率随器件两端电压的上升而增大，导致FCE有较软的反向恢复特性。与常规二极管的不同之处在于，FCE二极管在反向恢复中期，阴极寄生的pnp晶体管就开始工作，反向恢复电流由存储电荷的抽取电流和阴极注入的附加电流两部分组成。在反向恢复末期，因为有注入的空穴电流和存储在附加p⁺n结处的残余载流子，使得反向电流缓慢地减小到零。

   （3）背面空穴注入可控（Controlled Injection of Backside Holes，CIBH）二极管结构：如图2c所示，是将多个p控制区隐埋在n^-区中，形成隐埋型p浮置区，由此导致阴极面增加了两个pn结。由n⁺阴极区与p浮置区形成的pn⁺结相当于一个雪崩二极管，其击穿电压很低，在反向截止期间会发生雪崩击穿，可将阴极侧的电场峰值控制在很低的范围，从而有效地抑制了反向恢复期间动态雪崩的发生。由于p浮置区所起的作用与FCE结构中的 p 控制区相同，所以，CIBH二极管也具有软恢复特性。提高p⁺隐埋区掺杂浓度时，CIBH二极管的反向恢复特性更软，但反向恢复电流会明显增大。与常规二极管相比，在相同的n^-区、阳极区及阴极区参数下，CIBH二极管反向击穿电压较低且漏电流较大。这是因为阳极电压反向时阴极附加pn^-结正偏，注入的空穴通过n^-区到达阳极，增加了二极管的漏电流，并导致二极管的击穿电压下降。

   （4）IDEE-CIBH二极管结构:如图2d所示，它是由IDEE二极管阳极与CIBH二极管阴极结合而成的，具有两者的优点，不仅可以使功率二极管获得良好通态特性和反向恢复特性，而且可以提高二极管抗浪涌冲击和动态雪崩能力。

   （5）场扩展阴极（Relaxed Field of Cathode，RFC）二极管结构: 如图2e所示，它分为有源区和终端区两部分。在有源区内，阳极采用低掺杂的p区，阴极增加了多个p控制区；在终端区内，阳极侧采用了p场限环和n截止环结构，阴极侧的n⁺区则完全被p区替代，于是终端区和有源区具有两种不同的阴极电子注入效率，即有源区的电子注入效率    γ_n,_active≈0.7～0.8，说明反向恢复期间有源区阴极侧电子的抽取能力减弱；而终端区的电子注入效率γ_n,edge≈0，说明阴极侧的电子不会从终端区抽走，从而使RFC二极管具有较软的反向恢复特性，并减小反向峰值电压随电路杂散电感L_s的变化。

2软恢复的机理及控制

2.1软恢复机理

      功率二极管工作在不同时期，内部的载流子浓度分布完全不同。正向峰值电压U_FM与导通初期pn结两侧载流子的积累有关，正向压降U_F与导通期间n区的载流子浓度分布有关；反向电流峰值与反向恢复初期pn结两侧的载流子浓度有关；软度因子S与反向恢复末期nn⁺结处载流子浓度有关。所以，为了获得良好的电学特性，需要对功率二极管中的载流子浓度分布进行严格控制。

     图3 功率二极管中载流子浓度分布与其特性参数的联系

     在导通状态下，二极管n区内充满了大量的电子和空穴，且电子和空穴的浓度相等，均大于10¹⁶ cm^-3，远高于n区的掺杂浓度。t₁时刻开始换流，随着载流子的抽取在外电路形成反向电流，阴极电流由电子电流组成，阳极电流由空穴电流组成。在换流期间从t₂到t₄之间，n区一直存在载流子的堆积。如图4a所示，在t₄和t₅之间，二极管突然从载流子积累状态跳到载流子耗尽状态，反向电流急剧衰减，故表现为硬恢复特性。如图4b所示，在t₄和t₅之间，载流子的积累情况始终存在，并不断提供反向电流。直到t₅时刻，二极管开始承受反向电压，此后的恢复过程会导致拖尾电流。可见，功率二极管是否具有软恢复特性取决于其中载流子数的衰减速度，尤其在反向恢复末期，只有当nn⁺结附近的载流子浓度达到一定值时才能保证其软度。也就是说，在反向恢复末期仍存在较多的载流子时才能实现真正的软恢复。

       图4 功率二极管掺杂分布及反向恢复期间空穴的衰减过程

2.2载流子的分布及控制

    图5 功率二极管中的载流子分布及其对应的反向恢复特性曲线

       图5a所示可看出，载流子浓度近似为“U形”分布。但是，由于空穴迁移率μ_p与电子迁移率μ_n不同（μ_n≈3μ_p），导致两侧的非平衡载流子浓度梯度不同，根据电流连续性方程， J_n≈J_p，于是阳极侧的非平衡载流子浓度梯度dp/dxI_A约为阴极侧dn/dxI_K的3倍，如图中实线所示，导致二极管出现反向硬恢复。若降低阳极侧的载流子浓度梯度，并提高阴极侧的载流子浓度梯度，如图中虚线所示，可以实现二极管软恢复。

      通过控制阳极的掺杂剂量、改变阳极结构，或采用少子寿命控制技术，均可控制阳极或阴极的注入效率，调制其内部的载流子浓度分布，从而获得较软的反向恢复特性和较好导通特性，并使导通压降具有正的温度系数。

     图6 不同二极管结构对应的特性参数（IF=200A）

2.3阳极注入的效率及控制

      pn结的空穴注入效率：

                 图7 阳极注入效率与电流密度的关系

      阳极空穴注入效率γ_A随阳极电流密度增加而下降，其变化曲线如图7所示。对常规的p⁺阳极，由于其掺杂浓度较高，p⁺区载流子复合很强烈，故γ_A随J_A增加而急剧下降，如图中虚线所示。为了获得良好的导通特性，理想的注入效率如图中实线所示，即在中、小电流水平下，希望有低的注入效率，以降低反向恢复峰值电流I_RM，并实现软恢复；在大电流水平下，比如有浪涌电流发生时，希望有较高的注入效率。

      如果限制J_n随J_A的增加（如采用短路阳极），则会导致阳极注入效率与电流的依赖关系发生逆转，即注入效率γ_A随阳极电流密度的增加而增加。在低电流密度下，γ_A较低，在高电流密度下，γ_A较高。

     对图2d所示的IDEE二极管而言，在低电流密度下，因为阳极p⁺n结存在附加势垒， 穿过p⁺区的电流很小，所以几乎所有电流都通过n沟道。随着总电流密度的增加，由于受 n沟道电阻R_ch限制，电子电流密度J_n仍然较低，而通过p⁺区的电流逐渐增加，从而导致注入效率γ_A逐渐增大。在高电流密度J_A下，由于R_ch仍较大，限制了J_n的增长，使得注入效率 γ_p随J_p的增加而增大，故采用IDEE阳极可实现理想的注入效率，从而使二极管获得很高的抗浪涌电流能力。

   图8 不同阳极注入效率对功率二极管正向导通特性和反向恢复特性的影响

     通过限制阳极的掺杂或利用少子寿命控制技术来控制阳极的注入效率。

     采用弱掺杂的阳极有利于获得软的恢复特性，但对其导通特性影响较大。并且阳极表面浓度要满足欧姆接触制作的限制，不能降得太低。因此，仅靠减弱阳极的掺杂浓度是远远不够的。

      常用的寿命控制技术包括掺金与掺铂、电子辐照及质子辐照等。掺金二极管的截止漏电流及正向峰值电压较高；电子辐照二极管的反向恢复峰值电流大，软度小；只有质子辐照的二极管综合特性最佳。

2.4超结结构及nn+结电场的抑制

       超结是指由p区和n区交替形成的一种梳齿状结面的pn结，且p区和n区之间必须满足电荷平衡条件。为了表示与器件结构中原有的n区和p区不同，通常将组成超结的p区和n区分别称为p柱区和n柱区。超结技术的关键是要保证p柱区和n柱区之间的电荷平衡，即p柱区宽度W_p掺杂浓度N_p的乘积与n柱区宽度W_n和掺杂浓度N_n的乘积相等（W_nN_n= W_pN_p），使净掺杂浓度等于零。这在实际工艺中较难控制。超结最初采用离子注入与外延工艺交替形成，目前多采用沟槽刻蚀与回填工艺形成。

          图9 超结与半超结二极管的结构与电场分布示意图

      在截止状态下，组成SJ的p柱区和n柱区完全耗尽，整个耐压层类似于本征层，使电场强度分布近似为矩形分布，器件的耐压得以提高。在电荷平衡的条件下，柱区越厚，SJ承受的耐压就越高，当然形成SJ的工艺难度也就越高。半超结二极管的耐压层是由超结及其下方的n辅助层共同组成。在截止状态下的电场强度分布近似为梯形分布，且nn⁺结处的电场强度峰值有所减小。由于半超结二极管结构中柱区的高度有所减小，所以工艺难度也有所降低，可以在器件特性和工艺难度之间取得折中。

            图10 超结、半超结与pin二极管的特性比较