吳立成，吳 郁，魏 峰，賈云鵬，胡冬青，金 銳，査祎影

(1.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124;2.國網(wǎng)智能院 電工新材料及微電子研究所，北京100192)

為實(shí)現(xiàn)高耐壓，高壓快恢復(fù)二極管(FRD)N－基區(qū)的摻雜濃度通常取得較低(1013cm－3量級)，當(dāng)在大電流、高電壓、大di/dt條件下關(guān)斷時(shí)，會在遠(yuǎn)低于靜態(tài)擊穿電壓時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩。較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)雪崩會引發(fā)電流絲化，產(chǎn)生不可控的局部溫升，進(jìn)而導(dǎo)致器件燒毀。這將限制高壓FRD及IGBT作為開關(guān)器件在大功率、高頻等領(lǐng)域的充分應(yīng)用［1］。

如果只在二極管陽極側(cè)發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩且此處摻雜足夠均勻，理論上此二極管有可能表現(xiàn)出較強(qiáng)的堅(jiān)固性，這是因?yàn)殛枠O處的電流絲可沿橫向移動(dòng)［2］，緩解了局部溫升。但在實(shí)際器件中，結(jié)終端處的摻雜不均勻。如果處理不當(dāng)，就有可能在此處形成一個(gè)不移動(dòng)的電流絲，對二極管的安全工作造成危害。因此，結(jié)終端是器件內(nèi)部的一個(gè)薄弱區(qū)域［3］。為解決此問題，Mori等人曾提出過一種HiRC結(jié)構(gòu)［4］，且被成功應(yīng)用于具有場限環(huán)結(jié)構(gòu)的FRD中［4－5］。該結(jié)構(gòu)是在有源區(qū)與終端區(qū)之間引入的一個(gè)P型電阻區(qū)。文中通過仿真分析，探討了分別將這種電阻區(qū)引入結(jié)終端延伸(JTE)和橫向變摻雜(VLD)終端時(shí)的效果。由于前者引入電阻區(qū)的效果并不理想，提出了一種旨在緩解JTE終端區(qū)電流絲化的新結(jié)構(gòu)。

1 高壓FRD動(dòng)態(tài)雪崩特性

具有JTE終端(a)和VLD終端(b)的高壓FRD剖面圖，如圖1所示。

圖1 具有JTE終端和VLD終端的高壓FRD剖面圖

圖1中分別給出了具有JTE和VLD終端結(jié)構(gòu)的兩個(gè)高壓FRD的剖面示意圖。由圖可見，在有源區(qū)和終端區(qū)之間有一個(gè)電阻區(qū)，相當(dāng)于HiRC結(jié)構(gòu)。它可以看作是主結(jié)的延伸部分，其長度由陽極接觸孔邊沿與擴(kuò)散窗口邊沿之間的距離決定。文中結(jié)終端延伸(JTE)結(jié)構(gòu)被定義為由少量的橫向均勻摻雜區(qū)域所組成的P－區(qū);橫向變摻雜(VLD)結(jié)構(gòu)被定義為由很多較小的P－區(qū)組成，且他們的摻雜濃度從左到右逐漸減小。兩個(gè)二極管的有源區(qū)結(jié)構(gòu)相同，通過設(shè)定面積因子使其達(dá)到1 cm2。并且，它們具有相同的擊穿電壓，約為4.5 kV。本文對兩種情況的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。分析反向恢復(fù)特性時(shí)，采用如圖2所示的電路。其中，用電流源IF=200 A代替大負(fù)載電感為二極管提供正向電流;直流電壓VDC=2 000 V，寄生電感Lσ=100 nH，由此形成的反向恢復(fù)di/dt=2 000 A/μs。很大的IF和di/dt取值，有利于體現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)雪崩效應(yīng)。仿真結(jié)果顯示，在正向?qū)〞r(shí)，兩種結(jié)構(gòu)中的電阻區(qū)對有源區(qū)邊緣處空穴注入的抑制作用相似;但在發(fā)生了動(dòng)態(tài)雪崩的反向恢復(fù)過程中，兩種結(jié)構(gòu)中電流分布的演化過程出現(xiàn)了明顯的差異。

圖2 反向恢復(fù)特性仿真電路

圖3(a)和圖3(b)分別顯示了具有JTE和VLD終端結(jié)構(gòu)的兩個(gè)二極管的反向恢復(fù)波形?？梢钥闯?(1)它們的電壓電流波形非常相似，反向恢復(fù)時(shí)間都約為860 ns，只是VLD結(jié)構(gòu)的反向電壓過沖和振蕩稍強(qiáng)。(2)它們的波形中，在反向電流增大時(shí)，反向電壓都出現(xiàn)了一些小的“凹陷”，這是一種瞬時(shí)的微分負(fù)阻效應(yīng)，是內(nèi)部發(fā)生了動(dòng)態(tài)雪崩的標(biāo)志。

兩種二極管在反向恢復(fù)過程中不同時(shí)刻的內(nèi)部電流分布分別在圖4(a)和圖4(b)中給出。可以看出，一方面，兩種結(jié)構(gòu)的有源區(qū)內(nèi)都因動(dòng)態(tài)雪崩效應(yīng)而產(chǎn)生了電流絲。不過，這些電流絲又都在移動(dòng)著，所以對器件的安全工作并不是特別危險(xiǎn)。另一方面，圖4(a)顯示，具有JTE終端結(jié)構(gòu)的FRD中，電阻區(qū)與終端區(qū)之間交界處，還形成了另一個(gè)電流絲，并且是不移動(dòng)的。這就有可能導(dǎo)致器件燒毀。與此同時(shí)，具有VLD終端結(jié)構(gòu)的FRD(參見圖4(b))，在相同位置的電流密度卻很小。這表明，在緩解反向恢復(fù)過程中主結(jié)邊緣的電流絲化方面，引入電阻區(qū)對VLD終端可以獲得與場限環(huán)相同的效果［4－5］，但對于JTE終端卻并不理想。因此需要一種新方法來解決JTE終端所面臨的這個(gè)問題。

圖3 具有(a)JTE終端和(b)VLD終端FRD反向恢復(fù)波形

圖4 具有(a)JTE終端和(b)VLD終端的FRD反向恢復(fù)不同時(shí)刻的電流線分布仿真結(jié)果

圖5有助于理解產(chǎn)生這個(gè)問題的根本原因。如圖5所示，在較高反向偏壓時(shí)，VLD終端電阻區(qū)與終端區(qū)交界附近的靜態(tài)電場強(qiáng)度比JTE終端相應(yīng)位置要低，且分布更加均勻。根據(jù)動(dòng)態(tài)雪崩的原理［1］，發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩時(shí)電場與電流密度之間可以相互促進(jìn)，所以JTE終端所具有的較強(qiáng)局部電場就會與本地產(chǎn)生的或者是有源區(qū)內(nèi)部移動(dòng)過來的電流絲相互作用，使其被強(qiáng)化和固定。

圖5 不同終端(a)JTE和(b)VLD的FRD在反偏3.3 kV時(shí)電阻區(qū)與終端界面處局部電場分布仿真圖

2 可緩解JTE終端區(qū)電流絲化結(jié)構(gòu)

為降低陽極注入效率和減弱動(dòng)態(tài)雪崩，有人曾提出在有源區(qū)引入P+/P陽極緩沖層結(jié)構(gòu)［5－6］，這就為在JTE終端中引入一個(gè)新的電阻區(qū)結(jié)構(gòu)提供了機(jī)會。圖6所給出新結(jié)構(gòu)顯示了這個(gè)思路。其中的電阻區(qū)不再由P+區(qū)構(gòu)成，而是代之以摻雜較低的陽極P型緩沖層，P+區(qū)則被限制在有源區(qū)之內(nèi)。

圖6 新電阻區(qū)結(jié)構(gòu)的剖面圖

新的電阻區(qū)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)P型緩沖層的摻雜濃度要比常規(guī)的P型陽極低。因此，電阻區(qū)的電阻增大，能起到更好的鎮(zhèn)流作用。(2)既然P型緩沖層可以在縱向方向降低有源區(qū)的電場峰值強(qiáng)度，同理它也可以在橫向方向降低電阻區(qū)與JTE終端交界處的電場峰值。在3.3 kV下新結(jié)構(gòu)中交界處附近的電場分布仿真結(jié)果如圖7所示，相應(yīng)位置的電場強(qiáng)度要比圖5(a)所示的更低且更均勻。因此JTE終端與電阻區(qū)交界處在動(dòng)態(tài)雪崩時(shí)產(chǎn)生的電流絲化將會緩解。

圖7 3.3 kV時(shí)新結(jié)構(gòu)終端與電阻區(qū)界面附近的電場分布仿真圖

圖8所給出的新結(jié)構(gòu)反向恢復(fù)過程的電流分布仿真結(jié)果可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。如圖所示，陽極側(cè)在JTE終端與電阻區(qū)交界處的電流密度大幅降低，此處固定電流絲的產(chǎn)生被有效抑制。圖8和圖4(a)的電流分布情況形成了鮮明的對照，顯示出P型緩沖層電阻區(qū)對問題的解決有效。

圖8 具有P緩沖層電阻區(qū)JTE終端的FRD反向恢復(fù)不同時(shí)刻的電流分布仿真結(jié)果，開關(guān)條件同圖2

3 結(jié)束語

本文通過仿真分析，比較了具有不同結(jié)終端(JTE和VLD)的高壓FRD在動(dòng)態(tài)雪崩條件下的反向恢復(fù)特性。仿真結(jié)果表明如果僅通過P+型陽極延伸形成電阻區(qū)，具有VLD終端的器件在動(dòng)態(tài)雪崩過程中表現(xiàn)要優(yōu)于具有JTE終端的器件。改用P+/P陽極結(jié)構(gòu)中的P型緩沖層做電阻區(qū)之后，JTE終端與電阻區(qū)交界處的電流絲化問題可得到顯著緩解。

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