功率快恢復(fù)二極管要點(diǎn)課件

1、功率快恢復(fù)二極管制造技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)述北京工業(yè)大學(xué)功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路研究室亢寶位2008年7月前言 用途：續(xù)流；整流 市場(chǎng)份額：大于IGBT世界：25億美金 中國(guó)：70億元人民幣 我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀：占主流的高端產(chǎn)品幾乎全部進(jìn)口 我國(guó)研究現(xiàn)狀： 研發(fā)幾百至幾十ns超快恢復(fù)二極管者鮮見(jiàn) 北京工業(yè)大學(xué)一直致力于超快恢復(fù)FRD和IGBT研發(fā)功率快恢復(fù)二極管的地位MOS柵類(lèi)雙 極 類(lèi)晶閘管4.1%功率IC45%BJT6.9%二極管13.1%IGBT5.6%功率MOS25%梗 概一. 緒論: 快恢復(fù)二極管的用途與對(duì)它的性能要求二. 快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展之一：PiN二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展三. 快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展之

2、二：PiN /肖特基結(jié)合二 極管結(jié)構(gòu)發(fā)展四. 過(guò)剩載流子壽命控制技術(shù)的發(fā)展五. 制造功率快恢復(fù)二極管的半導(dǎo)體材料的發(fā)展六. 我國(guó)快恢復(fù)二極管產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀七. 結(jié)束語(yǔ) 一. 緒論 快恢復(fù)二極管的用途與對(duì)它的性能要求 主要是續(xù)流二極管(FWD) 電機(jī)調(diào)速逆變電路主要應(yīng)用例二 ：開(kāi)關(guān)電源降壓電路主要應(yīng)用例一 ： 電機(jī)繞組(電感)+_+_DRCLV1MOS管開(kāi)關(guān)控制器V2續(xù)流1. 快恢復(fù)二極管主要用途 其次是整流二極管工作模式：開(kāi)關(guān)2. 快恢復(fù)二極管的開(kāi)關(guān)波形與參數(shù) 開(kāi)通時(shí) 正向恢復(fù)過(guò)程 關(guān)斷時(shí) 反向恢復(fù)過(guò)程ttfrtr0.1IFM0.9IFMIFMVF1.1VF0.25 I rM VSI rrMtr

3、rtbta軟度S= tb/ ta快而軟恢復(fù)慢而硬恢復(fù)電流電壓VFM決定S決定IrrM+-+-P N N+P N N+P N N+P N N+-+快恢復(fù)二極管的功耗電流電壓t功耗t開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗=開(kāi)關(guān)損耗通態(tài)損耗截止損耗+=靜態(tài)損耗+ 高頻工作時(shí)開(kāi)關(guān)損耗為主 快恢復(fù)二極管 低頻工作時(shí)靜態(tài)損耗為主 一般恢復(fù)二極管 3. 對(duì)快恢復(fù)二極管主要性能要求主要目的：降低功耗; 保護(hù)主開(kāi)關(guān)IGBT; 提高可靠性等功率快恢復(fù)二極管發(fā)展史主要是以上性能的改進(jìn)史！ 反向恢復(fù)特性軟 S 正向壓降正溫度系數(shù) dVF/dT0 正向恢復(fù)電荷少 tfr, VFM開(kāi)關(guān)參數(shù)提高電力電子設(shè)備可靠性正向壓降低 VF 反向漏電小 I

4、R 直流參數(shù) 靜態(tài)損耗 反向恢復(fù)電荷少 Qrr 反向恢復(fù)時(shí)間短 trr 反向恢復(fù)電流峰值小 IrrM 開(kāi)關(guān)損耗保護(hù)IGBT減小EMI 1, 常規(guī)PiN二極管（ PiN 1950s) 2, 低損耗二極管 （LLD 1976) 3, 靜電屏蔽二極管（SSD 1984) 4, 場(chǎng)中止低損耗二極管 （FS-LLD 2007) 5, 背注入空穴二極管 （CIBH 2006) 6, 場(chǎng)抽出電荷二極管(FCE 2005) 7, 浮帶區(qū)熔二極管（FZ-Diode 2008 ） 8，超級(jí)結(jié)二極管 （SJ-diode)快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展之一:PiN二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展各種 PiN 二極管結(jié)構(gòu)一覽SSDPPP+N+N

5、-陽(yáng)極陰極SPEEDPiNP+N+N -陽(yáng)極陰極P+LLD陽(yáng)極PN+N -陰極 ( FS-LLD )PN+N -N 陽(yáng)極陰極PP+N-P+N+NN+陽(yáng)極陰極FCECIBHPN+N -陽(yáng)極陰極PPP1, 常 規(guī) PiN 二 極 管P+N-N+陽(yáng)極陰極 以后 PiN二極管的發(fā)展史主要就是提高其折衷性能的歷史 特點(diǎn): 耐壓高,可以按需要隨心設(shè)計(jì) 幾十V 6500V開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng) 缺點(diǎn): 有少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng), 所以:正向壓降大反向恢復(fù)硬 用常規(guī)壽命控制法提高速度時(shí) 三者相互矛盾，難以得到良好折衷2，低損耗二極管（LLD)PN -結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：低發(fā)射區(qū)摻雜濃度 開(kāi)關(guān)時(shí)間短 反向恢復(fù)電流峰值低 正向壓降小 開(kāi)關(guān)

6、特性軟PN結(jié)自建電勢(shì)差減小P區(qū)注入N-區(qū)空穴總量減少近PN結(jié)處空穴濃度降低近NN+結(jié)處空穴濃度提高問(wèn)題：反向特性變軟，擊穿電壓降低，限制它充分應(yīng)用性能優(yōu)點(diǎn)tI rrMLLD（快而軟恢復(fù)）電流電壓N+常規(guī)PIN（慢而硬恢復(fù)）3, 靜電屏蔽二極管（SSD, SPEED）N-陰極N+低摻雜發(fā)射區(qū)P-P+陽(yáng)極P+P+P+P-P-高摻雜發(fā)射區(qū)勢(shì)壘區(qū)屏蔽發(fā)射區(qū) 低發(fā)射區(qū)摻雜 深結(jié)靜電屏蔽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)性能特點(diǎn) 正向壓降小 耐壓提高 反向恢復(fù)快,軟漏電減小發(fā)射極效率自調(diào)整4, （場(chǎng)中止低損耗二極管，F(xiàn)S-LLD）N+N -N P結(jié)構(gòu)特點(diǎn): LLD + N緩沖層性能特點(diǎn): 更軟恢復(fù)LLDFS-LLD緩沖層PN+N

7、-N+CIBH 二極管無(wú)背P+ 的二極管反向恢復(fù)波形對(duì)比結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：加入背P+區(qū)性能特點(diǎn)：反向恢復(fù)更軟P+P+P+P+5, 背注入空穴二極管 CIBH 6，場(chǎng)抽出電荷二極管（FCE）陽(yáng)極FCE陰極 FCE只加N緩沖層常規(guī)PiN只加N緩沖層FCEP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：FS-LLD結(jié)合CIBH性能特點(diǎn)：反向恢復(fù)特軟7，浮帶區(qū)熔二極管（FZ-Diode)P-N-N+電子輻照背面激光退火FZ-DiodeFS-LLD反向恢復(fù)浪涌電壓（V)陽(yáng)極電流(A) 成本低 用FZ硅材料 反向恢復(fù)浪涌電壓小 載流子壽命控制替代 緩沖層 8, 超級(jí)結(jié)二極管（SJ-Diode)陽(yáng)極溝槽回填區(qū)陰極P+PPN+WNNWP 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： W

8、NNN=WPNP橫向凈摻雜濃度等于零正向壓降，反向耐壓與開(kāi)關(guān)速度 三者折衷比PiN更好 性能特點(diǎn)四. 快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展之二: PiN/肖特基結(jié)合二極管結(jié)構(gòu)發(fā)展1, 肖特基/PiN結(jié)合二極管 (MPS 1993)3, 軟快恢復(fù)二極管 ( SFD 1991, U-SFD 2000)4, 中部寬緩沖層 二極管 (MBBL 2004 ） 2, 溝槽氧化物PiN/肖特基二極管(TOPS,TSOX-MPS， 2001)序：肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD)陰極外延層 N襯底 N+金屬肖特基接觸陽(yáng)極_+金屬N-Si00_II+VV正向反向+ - + 幾乎沒(méi)有 恢復(fù)時(shí)間 正向壓降小反向漏電 大 擊穿電壓低 0.

9、55V肖特基勢(shì)壘高度低于 PN 結(jié)勢(shì)壘高度多數(shù)載流子導(dǎo)電, 無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)PNSBDSBDPN大電流正向壓降大于PiN 各種PiN/肖特基結(jié)合二極管結(jié)構(gòu)一覽陰極外延層 N襯底 N+肖特基結(jié)陽(yáng)極PPP MPS金屬SFD外延層 N N+PPPPAl-Si電極肖特基結(jié)P-外延層 N襯底 N+肖特基結(jié)金屬PP MBBLTOPSTSOX-MPS金屬肖特基N+NP多晶硅氧化層PPP陰極陰極陰極P1, PiN/肖特基結(jié)合二極管(MPS)MPSPiNPiNMPSSBDPiN電流密度（A/cm2)反向恢復(fù)電流峰值（A）MPSPiN存儲(chǔ)電荷(uC/cm2)正向壓降（V）正向壓降（V）正向壓降（V）陰極 N襯底 N

10、+PPP金屬肖特基結(jié)陽(yáng)極2, 溝槽氧化物PiN/肖特基二極管（TOPS） 空穴濃度TOPSMPS 離陽(yáng)極距離主要優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)電流峰值 小金屬肖特基結(jié)N+NP多晶硅氧化層PPPTOPS1MPSTOPS2 PiNIGBT開(kāi)通波形比較（匹配不同續(xù)流二極管時(shí)） IGBT開(kāi)通峰值電流依次減小續(xù)流管 （疊加在上面的二極管反向恢復(fù)電流減小的原因）P外延層N+PPPP-肖特基結(jié)Al-Si電極3，軟快恢復(fù)二極管(SFD)N-N+P肖特基結(jié)N-N+PN-PN結(jié)Al-Si電極Al-Si電極 PiN 肖特基 SFD加入P- 層保護(hù)肖特基結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)減弱高壓感應(yīng)勢(shì)壘降低比MPS漏電小，耐壓高保留SBD和LLD的 反向恢

11、復(fù)快軟性能特點(diǎn) 空穴濃度 電流密度 N N+nENPPP結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 中部重?fù)诫s 反向恢復(fù)末期耗盡層擴(kuò)展慢性能特點(diǎn) 反向恢復(fù) 軟 反向恢復(fù)電流峰值低，浪涌電壓小浪涌電壓峰值電源電壓電流時(shí)間常規(guī)MBBLMBBL常規(guī)常規(guī)1.2W0W0W0電壓 MPS陽(yáng)極4, 中部寬緩沖層二極管（ MBBL ）肖特基結(jié)1. 均勻與半均勻分布載流子壽命控制技術(shù) 調(diào)整輻照劑量壽命可準(zhǔn)確調(diào)整；正向壓降小 高溫漏電流較大；有時(shí)效；超快回復(fù)需輻照量太大（1）電子等高能粒子輻照（從略）（2）鉑等重金屬熱擴(kuò)散（從略） 高溫漏電流小；電性能長(zhǎng)期穩(wěn)定高可靠 有技術(shù)訣竅可得到優(yōu)異二極管性能五. 過(guò)剩載流子壽命控制技術(shù)發(fā)展 激光退火可得到半

12、均勻的載流子壽命分布2，軸向局域載流子壽命控制技術(shù)（1）優(yōu)越性： 正向壓降 小 反向恢復(fù)速度 快 反向恢復(fù)軟度 大 反向恢復(fù)電流峰值 低綜 合 性 能 最 優(yōu) 化P+ N D N N+ N+軸向低壽命區(qū)D的位置 IrrMPNN-N+D低載流子壽命區(qū)IrrMNO.2NO.1電壓電壓電流電流0.20.020.21.0PN-N+N+90495um387NO.1NO.2VF(V)IRM(A) SNO.12.714702.0NO.23.426921.1N+1.00.20.50.1PN-N+（2）現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)局域壽命控制的技術(shù)方法（3）現(xiàn)有技術(shù)使用情況及存在問(wèn)題 氫離子注入（有N型摻雜效應(yīng)；缺陷產(chǎn)生效率較低）

13、 氦離子注入 需要超高能量注入設(shè)備，不易普及；但是國(guó)外已經(jīng)使用較多，例如歐洲SEMI LAB. 的CAL系列 反向漏電流較大北工大正研究輕離子注入缺陷提取鉑來(lái)解決北工大正研究注入缺陷轉(zhuǎn)化為納米空腔來(lái)解決 半導(dǎo)體材料 SiGaAs 4H SiC 6H SiCGaN禁帶寬度 Eg (eV)1.121.43.2633.39擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec (106V/cm)0.30.43.02.03.3電子遷移率n (cm2.V.s)13508500980370900介電常數(shù)r11.812.89.89.79.0熱導(dǎo)率(W/cm.K)1.70.54.94.91.3本征載流子濃度ni (cm-3)1.5E101.8E6

14、8.2E-92.3E-61.9E-10電子飽和漂移速度vs (107cm/s)1.02.02.02.02.5六. 制造FRD用半導(dǎo)體材料的發(fā)展禁帶寬度 大電子遷移率 可飽和漂移速度 大熱導(dǎo)率 高擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng) 高擊穿電壓 高開(kāi)關(guān)速度 快正向壓降 小功率密度 大抗輻射力 強(qiáng)工作溫度 高 已有單晶片和外延片商品 已有PiN、SBD和JBS快恢復(fù)二極管商品 新材料快恢復(fù)二極管的性能優(yōu)越性七. 二極管制造工藝平臺(tái)的類(lèi)別第一類(lèi)： 深結(jié)臺(tái)面工藝，單晶片，圓片或方片工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)條件要求低，單晶片成本 電參數(shù)優(yōu)化難（結(jié)太深），生產(chǎn)效率低 第二類(lèi)：淺結(jié)平面工藝, 精細(xì)光刻，離子注入 國(guó)內(nèi)：基本是第一類(lèi)，罕見(jiàn)第二類(lèi) 國(guó)外：基本是第二類(lèi)，少數(shù)保留為第一類(lèi) 工藝復(fù)雜，生產(chǎn)條件要求高