馬林寶，肖志強(qiáng)，顧愛軍

（1.南京電子器件研究所，南京 210013；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前言

功率電力電子和FRED器件是電力電子裝置和系統(tǒng)中的CPU，屬于綠色節(jié)能產(chǎn)品，被國際電力電子行業(yè)公認(rèn)為電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的器件。新型電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)能、機(jī)電一體化、減少環(huán)境污染、節(jié)省原材料、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率起著十分重要的作用。

新型電力電子已迅速發(fā)展成為一門獨(dú)立的技術(shù)和學(xué)科領(lǐng)域，它的應(yīng)用幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門，是改造傳統(tǒng)工業(yè)、促進(jìn)新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，可廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、各種開關(guān)電源、綠色照明、機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能電源、高頻感應(yīng)加熱、計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、激光、通訊、新型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、軍事、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域。

絕緣柵雙極晶體管（IBGT）、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管（POWER MOSFET）和集成門極換流晶閘管（IGCT）的性能的急劇提高，為電力電子技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，各種變頻電路和斬波電路中新型電力電子器件的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其均需要與之并聯(lián)一個(gè)起續(xù)流、緩沖、吸收等作用的二極管，減少電容的沖電時(shí)間，同時(shí)抑制因負(fù)載電流瞬時(shí)反向而在器件或模塊寄生電感中產(chǎn)生的高壓電[1]。由于電力電子器件的性能、功率頻率的不斷提高，為了使二極管與功率器件的開關(guān)過程相匹配，所用的二極管必須具有在較低導(dǎo)通壓降的基礎(chǔ)上具有快速開通和快速關(guān)斷的能力和軟恢復(fù)特性。與傳統(tǒng)的整流二極管相比，此種二極管無論從器件結(jié)構(gòu)和工藝上還是器件性能上均與之有較大的差別，因此如何正確設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)和外延層參數(shù)就成為FRED首先要解決的問題。

2 FRED的相關(guān)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

FRED所用的外延材料是在重?fù)诫s（摻As）襯底上生長一層輕摻雜外延層。重?fù)紸s的襯底可有效降低二極管的正向壓降，外延層的電阻率和厚度決定了二極管的擊穿電壓和導(dǎo)通壓降。由于FRED一般情況下是多只管芯并聯(lián)使用，在并聯(lián)使用的管芯中若有一只管芯的導(dǎo)通壓降較低，因?qū)▔航嫡郎囟认禂?shù)的原因造成導(dǎo)通壓降越小，電流越大，溫度越高，導(dǎo)通壓降進(jìn)一步降低的正反饋循環(huán)過程，使二極管很快穿通失效，所以對(duì)二極管的導(dǎo)通壓降和擊穿電壓的一致性要求特別高；在制管工藝中采用擴(kuò)散重金屬鉑（Pt）的技術(shù)[2,3]作為快速復(fù)合中心，提高二極管的開關(guān)速度，相對(duì)常規(guī)的外延層而言，其中的缺陷含量必須很低。因缺陷在晶體中是雜質(zhì)和重金屬的集聚中心，而重金屬的集聚中心會(huì)引起電場(chǎng)的畸變或界面尖峰，使擊穿電壓下降，高的缺陷密度嚴(yán)重影響制管成品率和管芯的可靠性；襯底中金屬含量、氧含量、碳含量、缺陷等對(duì)管芯雪崩耐量也有影響。

2.1 FRED的結(jié)構(gòu)

FRED的結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。由圖1可知，F(xiàn)RED用N型重?fù)紸s拋光片作為外延襯底，依據(jù)制管的設(shè)計(jì)要求，生長一層電阻率和厚度符合擊穿電壓及導(dǎo)通電阻的N-外延層。FRED對(duì)外延層的要求不同于常規(guī)的芯片，對(duì)外延層的一致性和襯底的背損規(guī)范有特殊的標(biāo)準(zhǔn)。

LLD芯片的構(gòu)造，在原有快速恢復(fù)二極管（FRD）相近構(gòu)造的基礎(chǔ)上，為了提高速度，LLD擴(kuò)散了金及鉑等重金屬，以縮短載流子壽命。通常，壽命縮短，載流子數(shù)減少，正向壓降增加。但LLD生產(chǎn)使用了厚度精度高的外延晶片，并能按LLD的設(shè)計(jì)值制造芯片，可以最佳地發(fā)揮trr和VF的特性。重金屬高濃度擴(kuò)散既能實(shí)現(xiàn)高速化，也不會(huì)像FRD那樣影響到正向電壓。

圖1 FRED管芯結(jié)構(gòu)圖1

圖2 FRED結(jié)構(gòu)圖2

2.2 FRED的特性參數(shù)

2.2.1 靜態(tài)參數(shù)

（1）最大正向平均電流IF。IF是指當(dāng)殼溫保持在25℃～75℃之間的一個(gè)規(guī)定溫度值時(shí)，二極管所允許的最大正向平均電流，在二極管導(dǎo)通的一列方波中，其平均電流是峰值電流的一半，其描述二極管的容量和帶載能力。

（2）正向壓降VF。VF是在規(guī)定的正向電流和規(guī)定結(jié)溫下的正向壓降，VF隨著二極管正向電流IF的增加而增加。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)二極管的VF和開關(guān)速度會(huì)有一個(gè)折中的考慮，對(duì)于具有相同額定電流或相同管芯面積的二極管，設(shè)計(jì)用來快速關(guān)斷的二極管的正向壓降比慢速關(guān)斷的二極管的正向壓降要高。

（3）直流反向電壓VR。VR是指加于二極管兩端所允許的最大直流反向電壓，也是二極管的最大工作額定電壓。實(shí)際的二極管擊穿電壓會(huì)比VR大5%～10%，所以在電路設(shè)計(jì)和使用時(shí)，二極管兩端的電壓應(yīng)保持在這個(gè)范圍之內(nèi)。在某些情況下，制管廠商會(huì)給出不可重復(fù)雪崩耐量的額定值，其有關(guān)雪崩耐量的額定值是由二極管可以承受多大的雪崩能量來規(guī)定的。雪崩耐量只是在二極管極少有的、太大的電壓瞬態(tài)擊穿時(shí)的一種保護(hù)。

（4）最大反向漏電流IRM。這是一個(gè)具有正溫度系數(shù)的參數(shù)，這個(gè)數(shù)值與VR的乘積為二極管阻斷狀態(tài)下的損耗。其參數(shù)本身由器件端特性條件決定，如果二極管的反向漏電流測(cè)量值超過了參數(shù)表中的規(guī)定值，則這個(gè)二極管就不合格。正常條件下這個(gè)值是結(jié)溫在25℃條件下的值，除非有特殊說明。

2.2.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)

（1）反向恢復(fù)時(shí)間trr。反向恢復(fù)時(shí)間表征FRED的反向恢復(fù)速度，trr隨著溫度的增加而大幅增加。FRED與傳統(tǒng)整流二極管和肖特基二極管的最大區(qū)別在于trr的大小。FRED在具有低通態(tài)壓降和高阻斷電壓的條件下同時(shí)又具有快速開通和關(guān)斷的能力。整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間一般在5μs以上，而FRED的反向恢復(fù)時(shí)間可降到20ns以下[4]，并且具有比較軟的恢復(fù)電流波形。

（2）最大重復(fù)反向電壓瞬時(shí)值VRRM。VRRM是一個(gè)周期性的電壓，包括換流時(shí)的尖峰、感性沖擊等，還有其他在每個(gè)周期中出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓，這些瞬態(tài)電壓是由電路和二極管本身的特性導(dǎo)致的。

（3）最大反向恢復(fù)電流IRRM，這個(gè)參數(shù)的大小將直接影響對(duì)應(yīng)IGBT/MOSFET的電流應(yīng)力和開通損耗。一般情況下IRRM值隨溫度的增加而增加，隨測(cè)試di/dt的增加而增加?？焖俚姆聪蚧謴?fù)可以降低二極管本身的損耗，也可以降低對(duì)應(yīng)IGBT/MOSFET的開關(guān)損耗。

3 外延參數(shù)和技術(shù)要求

初期的快恢復(fù)二極管是用擴(kuò)散片制成的，表示為FRD。FRD的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、制作成本低，但隨著頻率、功率和一致性的要求越來越高，F(xiàn)RD已不能用于高端電路方面。隨著開關(guān)電源頻率的提高，要求二極管的反向恢復(fù)時(shí)間trr大幅減小，F(xiàn)RED的出現(xiàn)滿足了功率IGBT/MOSFET的要求。通常，壽命縮短，載流子數(shù)減少，正向壓降增加，也即二極管VF～trr特性表征了速度和功耗的矛盾，工藝要求將二極管的VF、trr都做得最小，它是評(píng)價(jià)工藝技術(shù)的主要指標(biāo)。

3.1 外延參數(shù)設(shè)定

由圖1和圖2可知，F(xiàn)RED是在重?fù)揭r底上生長一層輕摻外延層，根據(jù)器件參數(shù)要求的不同，外延層的電阻率和厚度有所不同，而有一些器件則要求二層外延以提高器件性能。例如：有一種400V FRED 要求用二層外延，第一層電阻率為1Ω·cm～2Ω·cm，厚度為10μm～12μm；第二層電阻率為12Ω·cm～14Ω·cm，厚度為46μm～48μm。增加一緩沖層[5]可有效地降低導(dǎo)通壓降，更好地控制過渡區(qū)分布的差異，提高導(dǎo)通電阻的一致性和均勻性，進(jìn)而提高導(dǎo)通壓降的一致性和均勻性。

3.2 外延工藝技術(shù)研究

3.2.1 襯底材料

FRED二極管外延襯底用重?fù)紸s＜100＞拋光片，電阻率≤0.004Ω·cm，低的電阻率可以有效減小導(dǎo)通電阻，而＜100＞晶向由于面密度小，可有效降低缺陷密度。從襯底單晶的生長開始，控制晶體中的缺陷密度和金屬含量，為了減少晶體中的缺陷，控制并利用晶體生長和加工中產(chǎn)生的缺陷，采用沉積多晶硅、背面軟損傷等外吸除工藝，有效改善硅片缺陷分布和降低缺陷密度。硅中少子壽命主要取決于外來雜質(zhì)和起陷阱作用的晶體缺陷，除晶體缺陷外，硅晶體中重金屬雜質(zhì)對(duì)二極管也有很大的影響。Shimura[6]等人研究了鈉、鎳、銅、鎢、金、鉻、鈷、鋁、鐵對(duì)硅中少子壽命的影響。

3.2.2 外延設(shè)備和工藝

外延生長工藝技術(shù)主要考慮如何消除和減少外延層中的缺陷和金屬含量，減少襯底中缺陷向外延層中延伸的數(shù)量，使外延層電阻率和厚度的均勻性和一致性做到最好。提高外延片表面的質(zhì)量和完整性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在硅外延設(shè)備和工藝流程上作了改進(jìn)和優(yōu)化：

（1）低溫、低速生長。生長溫度高會(huì)帶來較嚴(yán)重的自摻雜和系統(tǒng)污染，產(chǎn)生較寬的雜質(zhì)界面過渡區(qū)。高溫會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致硅片翹曲變形。低的生長速率會(huì)提高晶格完整性。

（2）良好系統(tǒng)氣密性。設(shè)備具有低于26.7Pa/min的系統(tǒng)漏氣率，使生長過程中不易引入其他雜質(zhì)而造成外延層中缺陷。

（3）設(shè)有硅片傳遞腔。對(duì)于大直徑硅片而言，在裝取片過程中為了盡量減少顆粒引入，在硅片存放腔和沉積腔中有一硅片傳遞腔，依靠機(jī)械手完成裝取片。

（4）氣路設(shè)計(jì)合理。氣體輸運(yùn)采用壓力、溫度等閉環(huán)控制，流量由質(zhì)量流量計(jì)精確控制，氣路運(yùn)行由電子模擬屏顯示，便于操作人員對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

生長前的預(yù)熱處理（包括HCL的原位腐蝕）對(duì)于外延過程來說是必不可少的，而對(duì)自摻雜來說則是發(fā)生襯底雜質(zhì)轉(zhuǎn)移的重要過程。由于橫向自摻雜分布的最大值出現(xiàn)在襯底-外延層交界面附近，自摻雜過程基本上是由熱效應(yīng)引起的，自摻雜的大部分雜質(zhì)是在生長前的預(yù)熱處理階段由襯底蒸發(fā)出來的。實(shí)際上在生長前的預(yù)熱處理（包括HCL原位腐蝕）階段，襯底摻雜劑原子蒸發(fā)到氣相以后有一部分處于靜止層中的雜質(zhì)原子吸附于襯底表面，并與氣相逐漸地建立起了新的吸附平衡，此時(shí)即使中斷熱處理，換清潔基座后進(jìn)行外延生長仍然存在自摻雜現(xiàn)象。所以說外延生長前的預(yù)熱處理階段即提供了自摻雜的大部分雜質(zhì)源，而且在襯底表面提供了雜質(zhì)吸附層，它們將在隨后生長的外延層中再分布。HCL原位腐蝕可去除襯底表面的自然氧化層和一些金屬離子雜質(zhì)，為外延生長提供潔凈的襯底表面。對(duì)FERD用外延材料而言，外延生長時(shí)雜質(zhì)的再分布決定了過渡區(qū)的分布，而過渡區(qū)分布的均勻性又與器件的擊穿電壓密切相關(guān)。圖3和圖4為FRED 所用外延材料的SRP分布圖。

圖3 400V FRED外延電阻率分布

400V FRED用外延材料增加緩沖層，在外延層研制中加大了難度，控制的參數(shù)多了一倍，通過不斷地優(yōu)化工藝程序我們得到了如圖3的外延片電阻率分布結(jié)果。由圖3可知，襯底與緩沖層之間和緩沖層與表面外延層之間的過渡區(qū)比較陡峭，控制也較理想。用此外延片制作的器件參數(shù)合格，成品率理想。

200V FRED外延層電阻率分布見圖4。由圖4可知，200V用外延層的電阻率分布較為理想，外延層平坦，缺陷密度較低且分布均勻，滿足器件要求。

4 結(jié)果與討論

圖4 200V FRED外延電阻率分布

文中針對(duì)FRED產(chǎn)品的特性參數(shù)，詳細(xì)解釋了快恢復(fù)二極管的動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)。介紹了2種用外延片的FRED結(jié)構(gòu)，描述了外延參數(shù)的一致性和均勻性對(duì)快恢復(fù)二極管電參數(shù)的影響。通過優(yōu)化工藝程序，研制出滿足快恢復(fù)二極管用的系列外延材料，為快恢復(fù)二極管材料的國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 高乃沖，孫民，等. 電力電子技術(shù)，1997，1:85-87.

[2] M.D.M,iller.IEEE Trans,Electron Dvevices,1976,ED-23,1279.

[3] H Zimmermann.and H.Ryssel, Apdl. Phys. 1992,A35,121.

[4] 張海濤，張斌. 大功率快速恢復(fù)二極管概述[J].半導(dǎo)體情報(bào)，2001，38（3）：1-9.

[5] 張海濤，張斌等. 電力電子技術(shù)，2003，37（2）：79-81.

[6] F.Shimura, T.Okwi, T.Kusama, et al. J.Appl.Phys, 1990，67：7168.