应用电子辐照技术试制硅塑封快速二极管及性能研究

杭德生 张治平 张宇蔚 史晓东 高宝山 刘 星

1（南京大学物理学院 南京 210093）

2（无锡爱邦辐射技术有限公司 无锡 214151）

采用电子辐照半导体器件，以降低器件的少子寿命，提高其开关速度，这一富有吸引力的技术具有独特的优点和诱人的经济价值，自发现采用电子辐照技术取代掺金工艺以来，国外研究已经相当活跃[1,2]。

国内则主要集中于器件材料的基础研究[3,4]，对于结合硅塑封中小功率快速二极管的应用开发研究尚少见报道。由于电子辐照技术在器件制造中还存在着辐照工艺与器件制造工艺的互相配合、trr-VFM的兼顾和trr热稳定性问题[5,6]。此问题直接阻碍了高技术的推广与应用。我们根据采用的高能电子辐照技术应用于塑封快速二极管制造的成功经验，结果表明，应用高能电子辐照技术控制塑封快速二极管少子寿命，是半导体器件寿命控制技术的一个重大突破[7,8]。

高能电子辐照硅塑封快速二极管与传统掺金工艺相比，主要优点为：

(1) 工艺简单，可芯片辐照也可成品管辐照，生产效率高；

(2) 由于辐照剂量可调，所以trr、VFM可得到精确控制，且一致性、重复性好，成品率高；

(3) 辐照后器件高温性能好，热稳定性好；

(4) 节约大量贵稀金属金。

本文针对电子辐照控制寿命τ技术，较系统地探讨了不同注量Φe与trr、VFM等电参数间的关系，给出了辐照研制的塑封快速二极管缺陷能级测量和热稳定性结果，分析研究了τ、trr、VFM的变化机理。

1 材料与方法

辐照样品采用 N型硅单晶，电阻率 ρ为 80Ω·cm，经扩磷、扩硼形成P+NN+结构，按快速二极管制造工艺，对已封装成型合格的普通二极管，采用电子辐照代替掺金工艺。

辐照装置：无锡爱邦辐射技术有限公司自制的电子直线加速器，能量为10–12 MeV，电子注量Φe为 2–8×1013e/cm2。

测量仪器：半导体二极管少子寿命测试仪，型号为 CTD-1A；深能级瞬态仪，均为南京大学物理学院自制。二极管反向恢复时间测试仪，型号为BS4323；二极管正向峰值压降测试仪，型号为BS4123，均为浙江金华电子仪器公司生产。高温烘箱，型号为WH05，由常州烘箱厂生产。二极管电老化测试台，型号为 DZ20，由原南京无线电元件十七厂自制。其中少子寿命测试仪是采用准稳态光电导衰减法原理制造的。

辐照前后采用少子寿命测试仪测 τ，反向恢复时间测试仪测trr，正向峰值压降测试仪测VFM，高分辨率深能级瞬态仪(DLTS)测缺陷能级，高精度高温烘箱做热老化试验，功率老化台做满功率老化考核试验。

2 实验结果

2.1 少子寿命τ与电子注量Φe关系

辐照前后τ与Φe关系曲线如图1所示。由图1，当 Φe<2×1013e/cm2时，τ随 Φe下降比较快，当Φe>2×1013e/cm2时，τ随Φe下降较缓慢，由于trr、VFM对τ的大小要求不同，只要采用适当的Φe来控制τ，则可平衡快速二极管trr和VFM电参数。因此，精确控制Φe就可精确控制τ。

图1 少子寿命与电子注量关系曲线Fig.1 Relationship between minority carrier lifetimeand electron beams fluence.

2.2 反向恢复时间trr与电子注量Φe关系

trr与τ关系密切，因而受辐照影响较大(图2)。由图 2，当 Φe为 5–10×1013e/cm2时，trr随 Φe变化缓慢，trr从 4.7 μs降至 0.60–0.45 μs，满足了快速二极管trr≤1 μs的要求，但需兼顾 VFM参数，并保证VFM在合格范围内，且越小越好。

图2 反向恢复时间与电子注量关系曲线Fig.2 Relationship between reverse recovery time and electron beams fluence.

2.3 正向峰值压降VFM与电子注量Φe的关系

由图 3，VFM随 Φe增加而略微增加。当 Φe为5–8×1013e/cm2时，trr在 0.60–0.50 μs，VFM在1.05–1.18 V，既满足了快速二极管trr≤1μs的要求，又满足VFM≤1.3 V的要求。由图2、图3，当Φe为10×1013e/cm2时，trr下降有限，但VFM会迅速上升至1.22 V，VFM过大会增加器件正向损耗。因此，5–8×1013e/cm2最佳电子注量来兼顾优化快速二极管trr-VFM参数，可使trr、VFM受控于最佳值。

图3 正向峰值压降与电子注量关系曲线Fig.3 Relationship between positive peak pressure drop and electron beams fluence.

2.4 高温反向漏电流IR

快速二极管反向漏电流大小是衡量器件工作温度和可靠性水平的一个重要标志。电子辐照与掺金工艺制造的快速二极管IR-T曲线如图4所示。由图4，电子辐照比掺金工艺生产的快速二极管高温反向漏电流IR小，且工作温度提高了约40ºC，此结果正是掺金工艺的致命弱点。因此，电子辐照技术的应用能极大改善器件的高温性能。

图4 反向漏电流与温度关系曲线Fig.4 Relationship between reverse leakage current and temperature.

3 辐照后快速二极管热稳定性

3.1 高温热处理trr的稳定性

为检验辐照快速塑封二极管的稳定性，我们从1000支/盒中随机抽取200支快速二极管，每隔50ºC退火一次，每次退火30 min，开烘箱冷却后测试，取trr、VFM的平均值。trr、VFM试验及退火结果如图5所示。

由图 5(a)，T≤300ºC 退火，trr略上升，350ºC 时trr变化较快并开始反弹，500ºC时，trr恢复到辐照前的值。200ºC内退火 trr已超出硅器件工作温度为T≤175ºC的工作条件，能退掉不稳定的缺陷，使trr稳定，说明trr热稳定性好。

由图5(b)，经T≤300ºC退火后，由于trr略有上升，相应的VFM略有下降，VFM值小有利于降低功率器件的正向损耗。因此，选择T≤300ºC退火，器件trr、VFM参数是稳定的。

图5 反向恢复时间(a)、正向峰值压降(b)与温度关系曲线Fig.5 Relationship between reverse recovery time (a), positive peak pressure drop (b) and temperature.

3.2 满功率电老化试验的稳定性

功率老化试验是考核器件性能最主要的手段，是检验辐照后器件工作状态trr是否稳定、可靠的重要标志，最能反映器件处于工作状态下的本质情况。当 Φe<5×1013e/cm2时，trr过大；当 Φe>8×1013e/cm2时，VFM过大。因此，优先选择Φe为5–8×1013e/cm2的辐照器件。经175ºC、168 h高温贮存后，再进行额定功率及240 h电老化试验，92支产品全部合格。功率电老化试验结果见表1。限于篇幅只列出92支产品中编号1–15号结果。其中1–10号Φe为8×1013e/cm2，其余为 5×1013e/cm2。

表1 快速二极管功率老化试验结果Table 1 Result of the power aging test.

由表1，满功率老化试验后trr上升0.01–0.02 μs，VFM下降约为0.01 V，试验后trr、VFM参数全部合格，满足 trr≤1 μs、VFM≤1.3 V 的国家标准[9]，说明电子辐照快速二极管经电老化后性能稳定可靠，经多年塑封二极管辐照实践证明，采用高能电子辐照技术制造快速二极管是可行的。

4 讨论

4.1 电子辐照在二极管体内引入缺陷的性质

采用高分辨率深能级瞬态仪(DLTS)检测辐照前样品，未发现缺陷能级，选择能量为12 MeV，Φe为8×1013e/cm2辐照样品，用DLTS检测缺陷能级的性质列于表2。

表2 缺陷的电学参数Table 2 Electric parameters of the defects.

引入多子 E1–E4能级的复合作用是导致快速二极管trr和VFM发生变化的直接原因，由于E3(Ec–0.37 eV)、E4(Ec–0.43 eV)能级密度较高,俘获面积较大，故为主要的复合能级，且 E3能级退火温度可达500ºC，是辐照后器件热稳定好的根本原因。

4.2 τ、trr降低的机理

由表 2，高能电子轰击硅器件，在其禁带中引入深能级复合中心，从而使复合中心浓度及俘获系数增大，是导致与之相关的材料少子寿命下降的直接原因。

辐照前τ0与辐照后τ的变化关系[4]：

式中，K为辐照损伤系数、Φe为电子注量。

trr是快速二极管的特征参数，随着 τ变化，trr下降是由τ引起的。

式中，IF为正向电流，IR为反向抽取电流。

式(1)中K值与辐照能量、材料、电阻率和温度有关，当K、Φe确定时，τ和trr也就确定。

式(1)、(2)中，τ、trr随Φe的变化规律与图1、2相吻合。

4.3 正向压降增加的机理

快速二极管的正向压降Vf可表示为

式中，Vj为二极管的结压降，辐照后快速二极管正向压降的增加，主要取决于二极管的基区压降Vb，即：

对于基区宽度w、正向电流I、PN面积A已确定的快速二极管，辐照引起二极管Vb增加的主要因素是N区的电导率σn减小，随着Φe的增加σn减小，即：[10]

由式(4)、(5)，由于载流子去除效应，使得辐照后相当数量的导电载流子受到缺陷的束缚而不参与导电，引起σn下降，由于trr的下降，使Vb增加，略增加了快速二极管的正向压降Vf，但在合格范围内。

5 结语

纵观高能电子辐照快速二极管试验及考核全过程，得出如下结论：

(1) 应用高能电子辐照技术降低成品管快速塑封二极管反向恢复时间，在Φe为5–8×1013e/cm2，试制塑封中子功率二极管并使其性能满足相关标准的要求。

(2) 具有工艺简单，trr参数可以精确控制，且成品率高等独特优点，是快速器件寿命控制工艺技术的一个突破。

(3) 采用高能电子辐照技术控制少子寿命，且二极管高温性能优于掺金工艺。

(4) 应用高能电子辐照制造成品管快速二极管，经高温贮存、热处理、满功率电老化后性能稳定可靠。

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9 GB/T2900.68-2004

10 陈盘训. 整流和开关二极管中子辐射效应[J]. 半导体技术, 1986, 3: 19–24 CHEN Panxun. Neutron radiation effect of switching diode and rectifier diode[J]. Semicond Technol, 1986, 3:19–24