夏曉娟 吳逸凡 祝 靖 成建兵 郭宇鋒 孫偉鋒

(1南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)(2南京郵電大學(xué)江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210003)(3東南大學(xué)國(guó)家專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京 210096)

600 V VDMOS器件的反向恢復(fù)熱失效機(jī)理

夏曉娟1，2吳逸凡3祝 靖3成建兵1，2郭宇鋒1，2孫偉鋒3

(1南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)
(2南京郵電大學(xué)江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210003)
(3東南大學(xué)國(guó)家專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京 210096)

摘 要:為了研究VDMOS器件體二極管在反向恢復(fù)過(guò)程中的失效機(jī)理，詳細(xì)分析了600 V VDMOS器件體二極管的工作過(guò)程，采用TCAD模擬軟件研究了體二極管正向?qū)ê头聪蚧謴?fù)狀態(tài)下的載流子密度分布及溫度分布情況.模擬結(jié)果表明，VDMOS器件的體二極管在正向?qū)〞r(shí)，器件終端區(qū)同樣會(huì)貯存大量的少數(shù)載流子，當(dāng)體二極管從正向?qū)ㄗ優(yōu)榉聪蚧謴?fù)狀態(tài)時(shí)，貯存的少數(shù)載流子會(huì)以單股電流的形式被抽取，使得VDMOS器件中最靠近終端位置的原胞中的pbody區(qū)域溫度升高，從而導(dǎo)致該區(qū)域寄生三極管基區(qū)電阻增大、發(fā)射結(jié)內(nèi)建電勢(shì)降低，最終觸發(fā)寄生三極管開(kāi)啟，造成VDMOS器件失效.分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

關(guān)鍵詞:VDMOS;體二極管;反向恢復(fù);熱失效

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，功率器件因其輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快等特性被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域［1-6］.橋式電路是開(kāi)關(guān)電源的一種重要形式，其主要功耗來(lái)源是功率管的開(kāi)關(guān)損耗及與之并聯(lián)使用的二極管的反向恢復(fù)損耗.為了減小二極管的損耗，需降低二極管反向恢復(fù)電荷，在高頻應(yīng)用中，可采用并聯(lián)碳化硅二極管(SiC diode)，但是成本較高.在低頻應(yīng)用中，二極管反向恢復(fù)的損耗較低，因此一般都直接采用功率開(kāi)關(guān)管寄生的體二極管.

近年來(lái)，功率器件體二極管的反向恢復(fù)一直是研究熱點(diǎn)［7］.相關(guān)研究表明反向抽取的少數(shù)載流子電流是影響器件可靠性的關(guān)鍵因素.文獻(xiàn)［8-9］提出了二極管反向恢復(fù)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)雪崩概念，動(dòng)態(tài)雪崩導(dǎo)致電流匯聚而在薄弱點(diǎn)損壞功率器件.文獻(xiàn)［10］研究了功率器件終端的電流匯聚和碰撞電離現(xiàn)象，并提出了新型終端結(jié)構(gòu)以提高器件關(guān)斷過(guò)程中的可靠性.以上文獻(xiàn)所提及的失效均為雪崩擊穿失效，發(fā)生在電壓較高的工作條件下，而目前尚未有對(duì)非雪崩擊穿失效的機(jī)理研究.

本文詳細(xì)研究了600 V VDMOS器件體二極管的工作過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體二極管正向?qū)〞r(shí)，除原胞區(qū)域外，器件的終端區(qū)域也會(huì)積累大量的少數(shù)載流子，此部分少數(shù)載流子在體二極管反向恢復(fù)過(guò)程中，以單股電流的形式從靠近終端位置的原胞流出，這會(huì)導(dǎo)致該處p-body區(qū)的溫度升高，進(jìn)而造成寄生三極管導(dǎo)通及器件失效.Sentaurus TCAD模擬仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了該結(jié)論.

1 器件結(jié)構(gòu)

高壓VDMOS器件在橋式電路系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用.圖1為典型的半橋電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)功率管Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷或Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時(shí)，電源通過(guò)變壓器把能量傳遞給負(fù)載電容，電感L處于充電狀態(tài)，輸出電流增加.當(dāng)Q1和Q2關(guān)斷后，二極管D1和D2導(dǎo)通，變壓器線圈上的能量通過(guò)D1和D2以電流的形式進(jìn)行泄放，電感L處于放電狀態(tài).該電路的功耗主要來(lái)源于功率管Q1，Q2的開(kāi)關(guān)損耗和二極管D1，D2的反向恢復(fù)損耗.其中，本文中功率管Q1，Q2為功率VDMOS器件，二極管D1，D2為VDMOS器件的體二極管.

圖1 半橋電路系統(tǒng)工作示意圖

本文所研究的VDMOS器件原胞和終端結(jié)構(gòu)如圖2所示.該器件外延層厚度為52 μm，摻雜濃度為7.5×1013cm－2，其原胞區(qū)采用了結(jié)深為 3.6 μm 的p-body，注入劑量為5.5 ×1013cm－2.其終端區(qū)通過(guò)6個(gè)場(chǎng)限環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平方向的耐壓，每個(gè)場(chǎng)限環(huán)的結(jié)深為4.2 μm，注入劑量為3.0×1014cm－2.本文所研究的600 V VDMOS器件的電流為4 A.芯片采用標(biāo)準(zhǔn)TO-220封裝.該器件的擊穿電壓為670 V，如圖3所示.

圖2 VDMOS器件剖面圖(單位:μm)

圖3 VDMOS器件的擊穿電壓

2 反向恢復(fù)特性

圖4 VDMOS器件寄生體二極管反向恢復(fù)過(guò)程的電流和電壓曲線

圖4為VDMOS器件體二極管反向恢復(fù)過(guò)程的電流和電壓曲線.反向恢復(fù)過(guò)程主要分為3個(gè)階段:正向?qū)A段、體二極管中少數(shù)載流子反向抽取的初始階段和恢復(fù)階段.T1時(shí)刻為正向?qū)A段，VDMOS器件受到外界電流應(yīng)力，體二極管正向?qū)?，電流由器件源極流向漏極，此時(shí)器件兩端電壓為正向?qū)妷?，約0.7 V.T2時(shí)刻為體二極管中少數(shù)載流子反向抽取的初始階段，由于受到外界電壓應(yīng)力，少數(shù)載流子被快速抽取，形成的反向抽取電流以固定的di/dt增加，并在該階段末達(dá)到最大值IRRM.在該階段中，外延層中的空穴與pbody中的電子形成電勢(shì)差，使器件漏源電壓只能緩慢增加.T3時(shí)刻為反向恢復(fù)階段，器件兩端電壓迅速增加，器件同時(shí)承受高電壓和大電流，形成高功率區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，該階段為器件失效的主要階段.

圖5為VDMOS器件寄生體二極管正向?qū)〞r(shí)(圖4中的T1時(shí)刻)的電流與少數(shù)載流子(空穴)的分布情況.此時(shí)，器件體二極管處于正向?qū)顟B(tài)，空穴載流子由p-body注入到外延層中.電流以源極金屬為起點(diǎn)，通過(guò)p-body流向漏極，載流子會(huì)沿著不同的電流路徑運(yùn)動(dòng)，如圖5(a)中A，B，C，D四個(gè)方向，在每個(gè)方向上都會(huì)有少數(shù)載流子注入，使得原本在器件中只起耐壓作用的終端區(qū)域，也不可避免地貯存了大量的少數(shù)載流子.每條路徑上少數(shù)載流子的分布近似為

式中，τHL為大注入載流子壽命;La為雙極性擴(kuò)散長(zhǎng)度;q為電子電荷電量;d為沿電流路徑從p-body到漏極的路徑長(zhǎng)度;JT為載流子密度.

由圖5(b)可知，空穴的濃度由原胞區(qū)向終端區(qū)逐漸降低，沿圖中A-A'線進(jìn)行分析，可看出原胞區(qū)下方的空穴載流子濃度達(dá)到1.8×1016cm－3，隨著橫向距離的增大，空穴的濃度降低，最終穩(wěn)定在2.7 ×1014cm－3左右.

圖6為體二極管反向恢復(fù)階段時(shí)(圖4中T3刻)的電流與空穴載流子的分布情況.器件進(jìn)入體二極管反向恢復(fù)后，原本貯存在N型外延層中的空穴載流子被反向抽取，經(jīng)過(guò)p-body區(qū)域到達(dá)源極金屬.終端區(qū)貯存的大量載流子將通過(guò)最靠近終端區(qū)的原胞進(jìn)行泄放.如圖6所示，VDMOS器件在反向抽取過(guò)程中，終端區(qū)大量的空穴電流流向最外側(cè)的原胞，形成一股大電流，流經(jīng)p-body區(qū)，到達(dá)源極金屬.此時(shí)器件漏源兩端的電壓達(dá)到230 V，該區(qū)域就成為高功率區(qū)，其功率密度可根據(jù)下式計(jì)算:

圖5 VDMOS器件體二極管正向?qū)〞r(shí)的電流分布及空穴載流子分布

圖6 VDMOS器件在T3時(shí)刻的空穴載流子分布、電流密度分布及電場(chǎng)分布

式中，Pd為功率密度，W/cm3;Jtot為該區(qū)域的總電流密度，A/cm2;E為該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm.

高功率區(qū)域隨著時(shí)間的推移會(huì)形成焦耳熱，導(dǎo)致溫度升高，其溫度變化為

式中，P為功率;K和α分別為熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，其值為 1.3 W/(cm·K)和0.8 cm2/s.

圖7為VDMOS器件在反向恢復(fù)過(guò)程中的溫度變化情況.可看出，VDMOS器件的高溫部分主要集中在原胞p-body區(qū)域.T1時(shí)刻為VDMOS器件寄生體二極管正向?qū)ǖ那闆r，此時(shí)，器件只有4 A的正向電流和約0.7 V的正向?qū)妷?，器件功率很低，不?huì)產(chǎn)生熱量，因此溫度維持不變.T2時(shí)刻為VDMOS器件寄生體二極管中少數(shù)載流子反向抽取的初始階段，器件的反向抽取電流達(dá)到30 A，而此時(shí)漏源兩端耐壓僅40 V，器件功率較低，只會(huì)產(chǎn)生較少熱量，溫度開(kāi)始緩慢升高.T3時(shí)刻為VDMOS器件寄生體二極管的恢復(fù)階段，器件的電流和耐壓均較高，功率很高，產(chǎn)生較高熱量，溫度開(kāi)始明顯增加.圖7(b)為在T3時(shí)刻的三維溫度分布圖，由圖可知，VDMOS器件在p-body區(qū)域的溫度遠(yuǎn)高于器件其他部分的溫度.

圖7 VDMOS器件體二極管反向恢復(fù)過(guò)程溫度變化情況

隨著溫度的升高，器件寄生三極管基區(qū)的電阻增大，內(nèi)建電勢(shì)降低，同時(shí)伴隨著較大位移電流和反向恢復(fù)電流，觸發(fā)寄生三極管的開(kāi)啟，電流發(fā)生倍增效應(yīng)，從而導(dǎo)致器件損壞.寄生三極管基區(qū)電阻率ρ、內(nèi)建電勢(shì)Vbi與溫度T的關(guān)系如下:

式中，為空穴的有效質(zhì)量;p為空穴濃度;k為波爾茲曼常數(shù);Na和Nd分別為受主雜質(zhì)濃度和施主雜質(zhì)濃度;ni為本征載流子濃度;μp為空穴遷移率.圖8為VDMOS器件寄生三極管開(kāi)啟失效時(shí)的電流分布.從圖中可看出最大電流發(fā)生在器件最外側(cè)的原胞處.

圖8 VDMOS器件失效時(shí)的電流分布

3 測(cè)試結(jié)果

圖9 VDMOS器件體二極管反向恢復(fù)特性測(cè)試

圖9(a)為600 V 4 A等級(jí)的VMODS器件寄生體二極管的反向恢復(fù)測(cè)試電路.當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)，電源對(duì)電感進(jìn)行充電，電感電流增加;當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，電感通過(guò)被測(cè)器件的寄生體二極管進(jìn)行續(xù)流，使被測(cè)器件寄生體二極管處于正向?qū)顟B(tài).當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管再次開(kāi)啟時(shí)，電源電壓加在被測(cè)器件的兩端，使被測(cè)器件進(jìn)入反向恢復(fù)過(guò)程，即本文研究的過(guò)程.圖9(b)為VDMOS器件發(fā)生失效時(shí)的電流、電壓測(cè)試波形，由圖可知，器件反向恢復(fù)電流的峰值為12 A，當(dāng)反向恢復(fù)電流為5.8 A時(shí)，器件失效，發(fā)生失效的時(shí)刻與圖4中的T3時(shí)刻相似.這是由于器件的p-body區(qū)在高電場(chǎng)和高電流密度下，產(chǎn)生焦耳熱，溫度升高，使得器件寄生三極管基區(qū)電阻增加，內(nèi)建電勢(shì)降低，觸發(fā)寄生三極管開(kāi)啟，進(jìn)而導(dǎo)致VDMOS器件失效.

圖10為VDMOS器件失效的顯微照片.可看出器件的失效位置為最靠近終端區(qū)域的原胞位置.對(duì)比圖10和圖8，可證實(shí)理論分析與實(shí)際測(cè)試一致，即VDMOS器件在體二極管反向恢復(fù)過(guò)程中，由于器件寄生三極管開(kāi)啟，使得電流集中匯聚到最外側(cè)的原胞區(qū)，并在該處產(chǎn)生大量的焦耳熱，最終使器件的最外側(cè)原胞成為薄弱點(diǎn).

圖10 VDMOS器件失效的顯微照片

4 結(jié)語(yǔ)

本文借助Sentaurus TCAD仿真軟件研究了600 V VDMOS器件寄生體二極管的工作過(guò)程.模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在VDMOS器件的寄生體二極管正向?qū)〞r(shí)，由于電流的流動(dòng)，終端區(qū)會(huì)貯存大量的少數(shù)載流子，在反向恢復(fù)時(shí)，貯存的少數(shù)載流子會(huì)以單股電流的形式被抽取，這股大電流流經(jīng)p-body區(qū)到達(dá)源極金屬，導(dǎo)致VDMOS器件最靠近終端位置原胞的p-body區(qū)域溫度升高，觸發(fā)寄生三極管開(kāi)啟，造成VDMOS器件失效.

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Thermal failure mechanism of 600 V VDMOS during reverse recovery

Xia Xiaojuan1，2Wu Yifan3Zhu Jing3Cheng Jianbing1，2Guo Yufeng1，2Sun Weifeng3

(1College of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)
(2Jiangsu Province Engineering Lab of RF Integrated and Micro Assembly，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)
(3National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Key words:vertical double-diffused metal oxide semiconductor(VDMOS);body diode;reverse recovery;thermal failure

中圖分類(lèi)號(hào):TN386

A

1001－0505(2013)06-1243-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.06.021

收稿日期:2013-06-19.

夏曉娟(1983—)，女，博士，講師;孫偉鋒(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，swffrog@seu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61274080)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2011753).

引文格式:夏曉娟，吳逸凡，祝靖，等.600 V VDMOS器件的反向恢復(fù)熱失效機(jī)理［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(6):1243-1247.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.06.021］Abstract:In order to study the failure mechanism of the body diode in a vertical double-diffused metal oxide semiconductor(VDMOS)device，the reverse-recovery phenomenon of the body diode in 600 V VDMOS is investigated in detail.The distributions of carrier density and temperature of the VDMOS during the forward conduction condition and reverse recovery condition are analyzed by the TCAD simulation tools.The simulation results show that lots of the minority carriers can be stored in the termination during the on-state mode of the body diode.When the diode switches from the forward conduction mode to the reverse blocking mode，the minority carriers stored in the termination will be removed as current in a single path.As a result，the temperature in the p-body region of the cell near the termination is increased，which leads to the increase of the base resistance in the parasitic bipolar and the decrease of the built-in potential of the emitter junction.The parasitic bipolar can be triggered and the VDMOS device fails.The analytical results agree with the measurements well.