FRED的特性参数及其外延材料的研制

2012-07-02马林宝肖志强顾爱军

电子与封装 2012年12期

马林宝，肖志强，顾爱军

（1.南京电子器件研究所，南京 210013；2.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 前言

功率电力电子和FRED器件是电力电子装置和系统中的CPU，属于绿色节能产品，被国际电力电子行业公认为电力电子技术第三次革命最具代表性的器件。新型电力电子技术对节能、机电一体化、减少环境污染、节省原材料、降低生产成本和提高生产效率起着十分重要的作用。

新型电力电子已迅速发展成为一门独立的技术和学科领域，它的应用几乎渗透到国民经济的各个工业部门，是改造传统工业、促进新型高新技术产业发展的关键技术之一，可广泛应用于电机调速、各种开关电源、绿色照明、机车牵引、电动汽车、风力发电系统、太阳能电源、高频感应加热、计算机、通信、消费类电子、激光、通讯、新型医疗设备、机器人、军事、航空、航天等各个领域。

绝缘栅双极晶体管（IBGT）、功率MOS场效应管（POWER MOSFET）和集成门极换流晶闸管（IGCT）的性能的急剧提高，为电力电子技术的发展提供了坚实的基础，各种变频电路和斩波电路中新型电力电子器件的应用范围不断扩大，其均需要与之并联一个起续流、缓冲、吸收等作用的二极管，减少电容的冲电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而在器件或模块寄生电感中产生的高压电[1]。由于电力电子器件的性能、功率频率的不断提高，为了使二极管与功率器件的开关过程相匹配，所用的二极管必须具有在较低导通压降的基础上具有快速开通和快速关断的能力和软恢复特性。与传统的整流二极管相比，此种二极管无论从器件结构和工艺上还是器件性能上均与之有较大的差别，因此如何正确设计器件结构和外延层参数就成为FRED首先要解决的问题。

2 FRED的相关参数及结构

FRED所用的外延材料是在重掺杂（掺As）衬底上生长一层轻掺杂外延层。重掺As的衬底可有效降低二极管的正向压降，外延层的电阻率和厚度决定了二极管的击穿电压和导通压降。由于FRED一般情况下是多只管芯并联使用，在并联使用的管芯中若有一只管芯的导通压降较低，因导通压降正温度系数的原因造成导通压降越小，电流越大，温度越高，导通压降进一步降低的正反馈循环过程，使二极管很快穿通失效，所以对二极管的导通压降和击穿电压的一致性要求特别高；在制管工艺中采用扩散重金属铂（Pt）的技术[2,3]作为快速复合中心，提高二极管的开关速度，相对常规的外延层而言，其中的缺陷含量必须很低。因缺陷在晶体中是杂质和重金属的集聚中心，而重金属的集聚中心会引起电场的畸变或界面尖峰，使击穿电压下降，高的缺陷密度严重影响制管成品率和管芯的可靠性；衬底中金属含量、氧含量、碳含量、缺陷等对管芯雪崩耐量也有影响。

2.1 FRED的结构

FRED的结构见图1和图2。由图1可知，FRED用N型重掺As抛光片作为外延衬底，依据制管的设计要求，生长一层电阻率和厚度符合击穿电压及导通电阻的N-外延层。FRED对外延层的要求不同于常规的芯片，对外延层的一致性和衬底的背损规范有特殊的标准。

LLD芯片的构造，在原有快速恢复二极管（FRD）相近构造的基础上，为了提高速度，LLD扩散了金及铂等重金属，以缩短载流子寿命。通常，寿命缩短，载流子数减少，正向压降增加。但LLD生产使用了厚度精度高的外延晶片，并能按LLD的设计值制造芯片，可以最佳地发挥trr和VF的特性。重金属高浓度扩散既能实现高速化，也不会像FRD那样影响到正向电压。

图1 FRED管芯结构图1

图2 FRED结构图2

2.2 FRED的特性参数

2.2.1 静态参数

（1）最大正向平均电流IF。IF是指当壳温保持在25℃～75℃之间的一个规定温度值时，二极管所允许的最大正向平均电流，在二极管导通的一列方波中，其平均电流是峰值电流的一半，其描述二极管的容量和带载能力。

（2）正向压降VF。VF是在规定的正向电流和规定结温下的正向压降，VF随着二极管正向电流IF的增加而增加。在实际应用中，对二极管的VF和开关速度会有一个折中的考虑，对于具有相同额定电流或相同管芯面积的二极管，设计用来快速关断的二极管的正向压降比慢速关断的二极管的正向压降要高。

（3）直流反向电压VR。VR是指加于二极管两端所允许的最大直流反向电压，也是二极管的最大工作额定电压。实际的二极管击穿电压会比VR大5%～10%，所以在电路设计和使用时，二极管两端的电压应保持在这个范围之内。在某些情况下，制管厂商会给出不可重复雪崩耐量的额定值，其有关雪崩耐量的额定值是由二极管可以承受多大的雪崩能量来规定的。雪崩耐量只是在二极管极少有的、太大的电压瞬态击穿时的一种保护。

（4）最大反向漏电流IRM。这是一个具有正温度系数的参数，这个数值与VR的乘积为二极管阻断状态下的损耗。其参数本身由器件端特性条件决定，如果二极管的反向漏电流测量值超过了参数表中的规定值，则这个二极管就不合格。正常条件下这个值是结温在25℃条件下的值，除非有特殊说明。

2.2.2 动态参数

（1）反向恢复时间trr。反向恢复时间表征FRED的反向恢复速度，trr随着温度的增加而大幅增加。FRED与传统整流二极管和肖特基二极管的最大区别在于trr的大小。FRED在具有低通态压降和高阻断电压的条件下同时又具有快速开通和关断的能力。整流二极管的反向恢复时间一般在5μs以上，而FRED的反向恢复时间可降到20ns以下[4]，并且具有比较软的恢复电流波形。

（2）最大重复反向电压瞬时值VRRM。VRRM是一个周期性的电压，包括换流时的尖峰、感性冲击等，还有其他在每个周期中出现的瞬态电压，这些瞬态电压是由电路和二极管本身的特性导致的。

（3）最大反向恢复电流IRRM，这个参数的大小将直接影响对应IGBT/MOSFET的电流应力和开通损耗。一般情况下IRRM值随温度的增加而增加，随测试di/dt的增加而增加。快速的反向恢复可以降低二极管本身的损耗，也可以降低对应IGBT/MOSFET的开关损耗。

3 外延参数和技术要求

初期的快恢复二极管是用扩散片制成的，表示为FRD。FRD的优点是工艺简单、制作成本低，但随着频率、功率和一致性的要求越来越高，FRD已不能用于高端电路方面。随着开关电源频率的提高，要求二极管的反向恢复时间trr大幅减小，FRED的出现满足了功率IGBT/MOSFET的要求。通常，寿命缩短，载流子数减少，正向压降增加，也即二极管VF～trr特性表征了速度和功耗的矛盾，工艺要求将二极管的VF、trr都做得最小，它是评价工艺技术的主要指标。

3.1 外延参数设定

由图1和图2可知，FRED是在重掺衬底上生长一层轻掺外延层，根据器件参数要求的不同，外延层的电阻率和厚度有所不同，而有一些器件则要求二层外延以提高器件性能。例如：有一种400V FRED 要求用二层外延，第一层电阻率为1Ω·cm～2Ω·cm，厚度为10μm～12μm；第二层电阻率为12Ω·cm～14Ω·cm，厚度为46μm～48μm。增加一缓冲层[5]可有效地降低导通压降，更好地控制过渡区分布的差异，提高导通电阻的一致性和均匀性，进而提高导通压降的一致性和均匀性。

3.2 外延工艺技术研究

3.2.1 衬底材料

FRED二极管外延衬底用重掺As＜100＞抛光片，电阻率≤0.004Ω·cm，低的电阻率可以有效减小导通电阻，而＜100＞晶向由于面密度小，可有效降低缺陷密度。从衬底单晶的生长开始，控制晶体中的缺陷密度和金属含量，为了减少晶体中的缺陷，控制并利用晶体生长和加工中产生的缺陷，采用沉积多晶硅、背面软损伤等外吸除工艺，有效改善硅片缺陷分布和降低缺陷密度。硅中少子寿命主要取决于外来杂质和起陷阱作用的晶体缺陷，除晶体缺陷外，硅晶体中重金属杂质对二极管也有很大的影响。Shimura[6]等人研究了钠、镍、铜、钨、金、铬、钴、铝、铁对硅中少子寿命的影响。

3.2.2 外延设备和工艺

外延生长工艺技术主要考虑如何消除和减少外延层中的缺陷和金属含量，减少衬底中缺陷向外延层中延伸的数量，使外延层电阻率和厚度的均匀性和一致性做到最好。提高外延片表面的质量和完整性。为了实现上述目的，在硅外延设备和工艺流程上作了改进和优化：

（1）低温、低速生长。生长温度高会带来较严重的自掺杂和系统污染，产生较宽的杂质界面过渡区。高温会产生热应力，导致硅片翘曲变形。低的生长速率会提高晶格完整性。

（2）良好系统气密性。设备具有低于26.7Pa/min的系统漏气率，使生长过程中不易引入其他杂质而造成外延层中缺陷。

（3）设有硅片传递腔。对于大直径硅片而言，在装取片过程中为了尽量减少颗粒引入，在硅片存放腔和沉积腔中有一硅片传递腔，依靠机械手完成装取片。

（4）气路设计合理。气体输运采用压力、温度等闭环控制，流量由质量流量计精确控制，气路运行由电子模拟屏显示，便于操作人员对运行情况进行监控。

生长前的预热处理（包括HCL的原位腐蚀）对于外延过程来说是必不可少的，而对自掺杂来说则是发生衬底杂质转移的重要过程。由于横向自掺杂分布的最大值出现在衬底-外延层交界面附近，自掺杂过程基本上是由热效应引起的，自掺杂的大部分杂质是在生长前的预热处理阶段由衬底蒸发出来的。实际上在生长前的预热处理（包括HCL原位腐蚀）阶段，衬底掺杂剂原子蒸发到气相以后有一部分处于静止层中的杂质原子吸附于衬底表面，并与气相逐渐地建立起了新的吸附平衡，此时即使中断热处理，换清洁基座后进行外延生长仍然存在自掺杂现象。所以说外延生长前的预热处理阶段即提供了自掺杂的大部分杂质源，而且在衬底表面提供了杂质吸附层，它们将在随后生长的外延层中再分布。HCL原位腐蚀可去除衬底表面的自然氧化层和一些金属离子杂质，为外延生长提供洁净的衬底表面。对FERD用外延材料而言，外延生长时杂质的再分布决定了过渡区的分布，而过渡区分布的均匀性又与器件的击穿电压密切相关。图3和图4为FRED 所用外延材料的SRP分布图。