摘 要：本文介紹了一種采用擴散型雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的快速軟恢復二極管。二極管基區(qū)由傳統(tǒng)的輕摻雜襯底基區(qū)N- 與擴散形成的較重摻雜的N區(qū)（緩沖基區(qū)）兩部分組成。實驗結(jié)果表明，該二極管的反向恢復軟度因子提高到了1.0左右，較傳統(tǒng)的PIN二極管有了較大改善。 關(guān)鍵詞：二極管 快速 軟恢復 New Development of Soft Recovery Diode： Diode with Double Base Regions by the Diffusion Zhang 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 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 recovery 1 引 言 廣泛應用于功率電路中的PIN二極管具有較高的反向耐壓，而且在通過正向大電流密度的情況下，由于基區(qū)電導調(diào)制效應，正向壓降較小。為了提高耐壓，傳統(tǒng)PIN二極管采用深擴散緩變結(jié)構(gòu)，造成關(guān)斷前存在著大量存貯電荷使得反向恢復時間延長；為了減小壓降，這種高壓二極管通常又需要設(shè)計成基區(qū)穿通結(jié)構(gòu)，以減薄基區(qū)，從而使得反向恢復特性更硬，越來越不適應電力電子技術(shù)的發(fā)展。為了縮短二極管的反向恢復時間，提高反向恢復軟度，同時使得二極管具有較高的耐壓，在傳統(tǒng)PIN二極管的基礎(chǔ)上，增加一個N型緩沖基區(qū)是一個較好的解決辦法。即二極管的基區(qū)由基片的輕摻雜N —襯底 區(qū)及較重摻雜的N區(qū)組成。 國外設(shè)計的二極管當中，也有采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的，但其N緩沖基區(qū)的形成均是采用外延工藝實現(xiàn)[1]。由于我室沒有外延設(shè)備，國內(nèi)雖有外延設(shè)備，但高阻厚膜外延的目前水平尚難滿足大功率二極管的要求，因此我們決定嘗試利用傳統(tǒng)擴散工藝制作N緩沖基區(qū)結(jié)構(gòu)，以期達到提高二極管反向恢復軟度的目的。 2 快恢復二極管的反向恢復分析 2.1 反向恢復過程分析 反向恢復過程短的二極管稱為快恢復二極管（Fast Recovery Diode）。高頻化的電力電子電路要求快恢復二極管的反向恢復時間短，反向恢復電荷少，并具有軟恢復特性。 所有的PN結(jié)二極管，在傳導正向電流時，都將以少子的形式儲存電荷。少子注入是電導調(diào)制的機理，它導致正向壓降（VF）的降低，從這個意義上講，它是有利的。但是當在導通的二極管上加反向電壓后，由于導通時在基區(qū)存貯有大量少數(shù)載流子，故到截止時要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時間的，即反向阻斷能力的恢復需要 經(jīng)過一段時間，這個過程就是反向恢復過程，發(fā)生這一過程所用的時間定義為反向恢復時間（trr）。圖1為二極管反向恢復過程的電流和電壓波形示意圖。 其中，IRM為反向恢復峰值電流，VRM為反向峰值電壓，QR為反向恢復電荷，trr為反向恢復時間，這幾個參數(shù)是器件設(shè)計及應用中十分重要的參數(shù)。 從時間t=tf開始，已經(jīng)導通的二極管加反向電壓VR，原來導通的正向電流IF以diF/dt的速率減小。這個電流變化率由反向電壓和開關(guān)電路中的電感決定，并且外加反向電壓的絕大部分降落在電路電感上。即 （1） 當t=t0時，二極管中的電流降至0。在這之前二極管處于正向偏置，電流為正向電流。在t0時刻后，正向壓降稍有下降，但仍處于正向偏置，電流開始反向流通，形成反向恢復電流irr。 t0到t1稱為少數(shù)載流子存儲時間ta，這期間，一部分內(nèi)部儲存電荷通過反向被快速抽出，二極管反向電流從零上升至其峰值IRM，PN結(jié)電壓則略有一些減小但仍是正向的。由于二極管上的低電壓，ta期間二極管上功率損耗很小。然而，開關(guān)器件中的功率耗散很高，這是因為功率開關(guān)器件在承受電路滿電壓的同時，還承載了全部的二極管反向電流，而ta期間二極管的反向電流是相當大的。 在t>t1之后，空間電荷區(qū)開始建立，少數(shù)載流子通過復合而消失，反向恢復電流迅速下降，下降速率為dirr/dt，在線路電感中產(chǎn)生較高的電動勢，這個電勢與電源電壓一起加在二極管及與其反并聯(lián)的功率開關(guān)器件上，所以二極管及功率開關(guān)器件承受很高的反向電壓VRM。從t1到t2這段時間稱為復合時間tb，測試標準規(guī)定， t2由電流在0.9IRM與0.25IRM處的連線在時間軸上的交點決定。從t0到t2這段時間稱為反向恢復時間trr，tb與ta之比即為二極管的軟度因子S?？梢姡瑃1之后二極管基區(qū)剩余越多的少數(shù)載流子，即復合時間tb越長，二極管的軟度因子就越大。 2.2 反向恢復參數(shù)分析 通常用軟度因子S（Softness factor）來描述反向恢復的軟硬特性： （2） 反向恢復電流的下降速度dirr/dt也是一個很重要的參數(shù)。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會使反向峰值電壓VRM過高，有時出現(xiàn)強烈振蕩，致使二極管或開關(guān)器件損壞。VRM與dirr/dt的關(guān)系如下。 （3） 其中，L為電路總電感，VL附加感生電勢。 可以推導出dirr/dt、VRM、IRM 及QR與軟度因子S的關(guān)系如下： 由式3～7可見，提高二極管的軟度因子S，可以顯著減小反向恢復的dirr/dt、IRM及VRM。例如，對于相同的反向恢復時間trr，如果軟度因子S由目前的0.3提高到1.0，則dirr/dt和附加感生電勢VL可以降低70%，IRM和QR可以降低35%，這將大大提高功率器件及電路的可靠性與穩(wěn)定性。 2.3 軟度因子的影響因素 由軟度因子定義可知，它其實就是反映二極管在反向恢復的tb過程中基區(qū)少子因復合而消失的時間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。 2.4 提高軟度因子的主要方法 提高軟度因子主要從兩方面著手，一是選擇合適的少子壽命控制方法。在諸多少子壽命控制方法中，擴金器件的軟度因子較大，但漏電流大，高溫特性差；而電子輻照器件軟度因子最小，但高溫特性好。因此需要根據(jù)實際情況，權(quán)衡利弊，折中考慮。二是在二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計上做文章，能夠提高軟度因子的二極管結(jié)構(gòu)有多種，如自調(diào)節(jié)發(fā)射效率結(jié)構(gòu)、凹形階梯陰極短路結(jié)構(gòu)、輔助二極管結(jié)構(gòu)、外延二極管結(jié)構(gòu)及外延雙基區(qū)結(jié)構(gòu)等。其中效果最為顯著的是具有外延雙基區(qū)雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的二極管。 3 雙基區(qū)二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理 雙基區(qū)二極管主要特點是它的基區(qū)由N－區(qū)和N區(qū)兩部分組成，N－是原始硅片的輕摻雜襯底區(qū)，N區(qū)則為較重摻雜區(qū)，摻雜濃度高于N－區(qū)，但遠低于N+區(qū)。我們稱N基區(qū)為緩沖基區(qū)或緩沖層。N區(qū)通常用外延方法獲得，我們?yōu)闂l件所限，采用了傳統(tǒng)的擴散方法制作。 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)可以顯著改善二極管的軟度，這是由于緩沖層的雜質(zhì)濃度高于襯底的濃度，在反向恢復過程中使得耗盡區(qū)到達緩沖層后擴展明顯減慢。這樣，經(jīng)過少數(shù)載流子存儲時間之后，在緩沖層中還有大量的載流子未被復合或抽走，使得復合時間相應增加，從而提高了二極管的軟度因子。為此，有兩個條件需要滿足：一是二極管的N基區(qū)必須足夠窄，以保證額定電壓下的空間電荷區(qū)展寬能夠進入緩沖層；二是緩沖層的濃度應適宜，濃度不宜過高，以保證緩沖層具有電導調(diào)制效應，但也不宜過低，以保證空間電荷區(qū)不會穿通緩沖層。 這種雙基區(qū)二極管的橫截面結(jié)構(gòu)及濃度分布如圖2和圖3所示。 二極管的陽極則由輕摻雜的P區(qū)與重摻雜的P＋區(qū)鑲嵌組成，該P－P＋結(jié)構(gòu)可以控制空穴注入效應，從而達到控制自調(diào)節(jié)發(fā)射效率和縮短反向恢復時間的目的。P區(qū)和P＋區(qū)的雜質(zhì)濃度及結(jié)深主要考慮保證二極管不僅具有足夠的反向阻斷能力，而且在低電流密度下空穴注入效率低，大電流密度下才有高注入效率。低的空穴注入效率使陽極側(cè)注入載流子濃度下降，轉(zhuǎn)入阻斷狀態(tài)時，PN結(jié)處較早夾斷，在規(guī)定電流換向速度di/dt下，反向峰值電流小，同時，由于基區(qū)中性部分仍有較多載流子存在，使軟度因子得到改善。二極管的陰極則與一般二極管相同，由重摻雜的N+區(qū)構(gòu)成。 4 實驗方案及工藝流程 為便于實驗比較，我們主要設(shè)計了4種實驗方案：結(jié)構(gòu)上分為雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的二極管和普通結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)PIN二極管2種；少子壽命控制方法分為擴金和電子輻照2種。如此產(chǎn)生4種組合方案。4種方案采用了電阻率和片厚完全相同的原始硅片，除了傳統(tǒng)PIN二極管沒有N緩沖層外，其余的P、P+、N+等的擴散濃度和結(jié)深、以及工藝過程都完全一樣，最終片厚也一樣。 根據(jù)管芯的設(shè)計要求，制訂雙基區(qū)二極管的工藝流程如下圖所示。 5 實驗結(jié)果 對上述4種方案進行了實驗，并將實驗結(jié)果進行了測試比對。測試條件如下： 在正向峰值電流IFM＝1000A的條件下測試正向峰值壓降VFM；在正向電流IFM＝80A，反向電壓VR＝100V，正向電流下降速率diF/dt＝40A/μs的條件下測試反向恢復時間trr以及反向峰值恢復電流IRM；并分別于室溫及150℃下測試反向重復峰值電壓VRRM=2000V下的漏電流IRRM。測試結(jié)果如表1所示，表中數(shù)據(jù)為多個樣品所測數(shù)據(jù)的平均值，編號代表不同結(jié)構(gòu)與工藝的分類號，其含義如下： 1 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管，擴金控制少子壽命； 2 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管，電子輻照控制少子壽命； 3 傳統(tǒng)PIN二極管，擴金控制少子壽命； 4 傳統(tǒng)PIN二極管，電子輻照控制少子壽命。 從表1的數(shù)據(jù)可以看出，雙基區(qū)二極管（表中1、2類）較傳統(tǒng)PIN二極管（表中3、4類）具有較小的反向恢復時間、反向恢復峰值電流和dirr/dt，其軟度因子也大大提高，但是它的正向壓降略大，尤其是采用電子輻照控制少子壽命的二極管。而采用擴金方法控制少子壽命的二極管與采用電子輻照方法控制少子壽命的二極管相比較，擴金二極管具有較小的正向壓降、反向恢復時間和反向恢復峰值電流，較大的軟度因子，dirr/dt也偏小，只是反向漏電流偏大，所以具有雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的二極管最好選用擴金的方法來控制少子壽命。 表1 雙基區(qū)二極管的測試結(jié)果 分類編號 樣品數(shù)量（個） 正向壓降VFM（V） 反向恢復時間trr（μs） 軟度因子S=tb/ta 反向恢復峰值電流IRM（A） dirr/dt（A/μs） 漏電流IRRM（mA）（@ VRRM=2000V） 表中第1～2類的150℃下漏電流的數(shù)據(jù)取的是樣品中示數(shù)最小的值。 6 結(jié) 論 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管比傳統(tǒng)PIN二極管顯示了較小的反向恢復時間、反向恢復峰值電流和dirr/dt，并且在很大程度上提高了軟度因子?？梢?，N緩沖層對二極管的反向恢復特性產(chǎn)生了較大的影響，但同時，緩沖層二極管的反向漏電流要明顯地比傳統(tǒng)PIN二極管大得多，高溫情況下尤其如此。由于時間問題，我們僅做了一批較系統(tǒng)的比較實驗，很多問題尚未進一步探討，我們預計，通過進一步優(yōu)化設(shè)計和改進工藝，雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管的反向漏電流問題可望得到改善，反向恢復軟度可望得到進一步提高。