快恢复二极管技术综述

王学良 钱敏

摘 要：本研究重点介绍少数载流子寿命控制技术中的全域少数载流子技术和局域少数载流子技术及不同细分的少数载流子寿命控制技术的优缺点，并从阳极发射效率控制技术（如PIN、LLD、SSD、SPEED、MPS等）出发，介绍各类快恢复二极管技术的历史演变及其结构的研究进展。同时，对比分析了另一种快恢复二极管的重要技术——高压钝化技术，如SIPOS技术及PI技术。然后介绍国内外快恢复二极管在各类电力电子领域的应用现状。最后阐释了快恢复二极管技术面临的技术挑战和未来发展趋势。

关键词：快恢复二极管;寿命控制;阳极发射;高压钝化

中图分类号：TN31     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）12-0036-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.007

Review of Technology of Fast Recovery Diode

WANG Xueliang1，2    QIAN Min1

（1.Department of Optics and Engineering Electronic Information，City University of Suzhou，Suzhou 215104，China;2.Advanced Semiconductor Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

Abstract：The study mainly introduces the varities of minor carries lifetime control technology eg non local minor crries lifetime control technology and local minor carries lifetime control technology，and also advantages and disadvantages of all sorts minor carries lifetime control technology.From point view of anode emitting effiency control technology eg PIN，LLD，SSD，SPEED and MPS，introduces the development of those relative fast recovery diodes and illustrates those relative schematic disgrams.Brieves another important passivation technology for FRD eg SIPOS and PI.Introduces the main application of FRD（fast recovery diode）.And finally discusses the challenges of current FRD（fast recovery diode） technology and it's future trend.

Keywords：fast recovery diode;lifetime control;anode emitting;high voltage passivation

0 引言

經过70多年的发展，在快恢复二极管（FRD）领域中相继成功研发出了多种硅（Si）基器件，如全域寿命控制FRD（如扩白金、扩黄金、电子辐照等）、局域寿命控制FRD（如氢注入、氦注入等）、PIN、SSD、SPEED、MPS等。围绕反向恢复时间、恢复软度、器件结构和工艺、降低损耗和提升效率为主要发展方向，不断进行推陈出新。

20世纪50年代PN二极管面世，其取代了肖特基金半二极管，极大地推动了半导体器件在高电压大电流的功率管理等领域中的应用。随着人们对能耗、效率等方面的要求不断提升，对二极管的恢复时间有了更高的要求，以此来降低损耗，实现效率的提升，快恢复二极管（FRD）便是在这样的背景下被研发出来的。第一代快恢复二极管（FRD）采用的控制技术有金扩、铂扩、电子辐照，即寿命全域控制的快恢复二极管。而后随着快恢复二极管应用范围的扩大，其要满足更快恢复、更软恢复、更小漏电等要求，寿命局域控制的快恢复二极管（FRD）被成功研制出来，寿命局域控制技术即所谓的氢注入、氦注入、“氢注入+铂”、“氦注入+钯”等。20世纪70年代末到90年代，随着快恢复二极管（FRD）的应用范围持续扩展，更新更高的要求也被提了出来，而传统的工艺和结构已难以满足这些要求，新结构的快恢复二极管（如SSD、SPEED、MPS等）相继被成功研制出来。鉴于FRD器件、工艺的应用也越来越多样化，本研究从寿命控制技术、阳极发射寿命控制技术、高压钝化和应用方面，来介绍快恢复二极管技术的发展历程。

1 快恢复二极管概述

快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短等特点的半导体二极管[1]，主要应用于电源管理、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管来使用。一般来说，快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，其属于PIN结型的二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区I很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间很短。目前，有2种方法用来控制过剩少数载流子的分布。一是少数载流子寿命控制，分为全域寿命控制（如掺金、掺铂、掺钯和电子辐照等）、局域寿命控制（如氢注入、“氢注入+掺铂”、氦注入、“氦注入+掺钯”）等;二是阳极发射极效率控制技术。

2 提升二极管快恢复过程的相关技术

2.1 少数载流子寿命控制技术

缩短FRD快恢复二极管中N区内少数载流子的寿命控制技术有全域寿命控制和局域寿命控制。全域寿命控制技术包括掺金[2-5]、掺铂[4-5]、掺钯[6]和电子辐照[7]等;局域寿命控制技术包括氢注入[8-10]、氦注入[9-12]、“氦注入+掺钯”[13]、“氢注入+掺铂”[14-15]等。各类寿命控制技术对比见表1和表2。

由表1和表2可知，考虑到对IC产线可能存在的污染等因素，氢注入或“氢注入+掺铂”是一种不错的选择;虽然“氦注入+掺钯”是目前最优的方案，但其成本也很高;黄金技术和白金技术是目前性价比较高且常用的技术，黄金技术恢复软、漏电较大，白金技术恢复略硬、漏电较小，但这两种技术与CMOS工艺相比兼容性较差;电子辐照技术的快恢复可调性好，但易老化。

2.2 阳极发射效率控制技术

FRD大部分是PIN型结构（见图1）[16]。1976年，日立公司提出了通过低掺杂P来降低发射效率[17]，从而减少少子在N-中的分布，从而缩短反向恢复时间，最终降低功率损失，所以有着该结构的FRD又被叫作低损耗二极管（Low Loss Diode，LLD）[18]，如图2所示。

为了获得更好的反向恢复性能，Y.Shimizu于1984年提出了靜电屏蔽二极管SSD[19]，如图3所示。在正向导通时，该结构由于浅P的存在，从而减少发射效率，有利于缩短trr;在反向导通时，由于P+的存在，通过巧妙的设计，可减少P的宽度、P+N的耗尽层，也可减少PN的电场，从而提高SSD的整体反向耐压。1989年，H.Schlangenotto提出了具有自我发射效率调整的二极管（Self-Regulating Emission Effciency）[20]，如图4所示。该结构通过深结低浓度的P，降低发射效率，有助于减少N-的少子，从而降低trr;浅结高浓度的P+在大电流时提供高效率的空穴发射，从而降低正向电压。图5为PIN、SSD、SPEED的反向性能对比图。

1987年，B.J.Baliga提出了混合Schottky FRD的器件MPS（Mixed PIN and Schottky），其结构如图6所示。MPS正向导通时，Schottky区导通，正向电压低;MPS反向导通时，PIN区的PN结耗尽层变宽，最终会夹断Schottky区，从而屏蔽反向外电场，提高反向耐压。这一结构大大降低了trr、VF，使得反向耐压最大化。图7、图8显示了MPS、PIN等结构的相关性能对比，由图可知，MPS是一种性能优越的结构[21]。

2007年，Infineon提出了FS-LLD的结构，如图9所示。该结构继承了LLD的特性，低效率发射，从而缩短了trr。由于引入了N+、N-之间的N层作业Field Stop，芯片可做得更薄，从而进一步缩短trr，且VF更低，而BV却不变小。

虽然提高FRD反向恢复性能主要靠这两大技术，但仍有改善软度的Controlled Injection of Backside Holes（CIBH）[22]、 Emitter Controlled Diode（EMCON）、Field Charge Extraction[23]等技术。尽管研究人员交替组合使用这些技术，使所设计的FRD性能最佳，但在这些技术中，少数载流子寿命控制技术对FRD性能的影响是最大的。

3 高压钝化技术

目前，FRD普遍采用SIPOS作为PN结的钝化层，如果直接采用SiO2、PSG、BPSG或玻璃作为钝化层，存在以下3个问题。①绝缘层中靠近硅衬底界面处有固定的正电荷，会造成N型硅的电子积累和P型硅的反型层;②不能防止钝化层的电荷积累或被Na+、K+等碱金属离子的沾污，电荷能在靠近硅衬底表面的地方感应出相反极性的电荷，并改变其电导率;③由于载流子注入二氧化硅的绝缘体中，能进行储存和长期停留，使器件表面的电导率发生改变，从而使PN结反向击穿电压变低，稳定性、可靠性变差。由于SIPOS的电中性，使用SIPOS[24]作为钝化层，使在外界环境下感生的电荷不堆积在硅表面，而是流入到半绝缘多晶硅中，被其中的陷阱所“俘获”，从而在多晶硅中形成屏蔽外电场的空间电荷区，使硅衬底表面的能带分布不受外电场的影响，薄膜的半绝缘性使膜中可以有电流流过，因而缓解了势垒区的表面电场，从而提高击穿电压。SIPOS膜包含氧原子，氧原子的存在减少了表面的态密度，降低了漏电流，提高器件的稳定性和可靠性，加之膜的电中性，所以其是高压器件的理想钝化膜。

另外，值得一提的是，FRD具有厚Polyimide层（即PI）[25]。在功率开关器件芯片制造过程中，为了提高器件的电学性能和可靠性，在芯片表面常采用二氧化硅、氮化硅或磷硅玻璃（PSG）、SIPOS等作为钝化层。多年的生产实践证明，这些材料的钝化效果良好，但制备这些材料还需要增加先进的设备，导致器件的制造成本增加。近年来，随着功率器件制造技术水平的不断提高，制造成本不断降低，聚酰亚胺（PI）逐渐成为一种使用范围广的钝化层。实践证明，PI钝化层具有很低的漏电性能、较强的机械性能及耐化学腐蚀性能。同时，PI膜也可有效遮挡潮气，增加元器件的抗潮湿能力，从而改善芯片的可靠性，降低生产成本。PI层还具有抗辐射的性能，试验表明，10 μm的PI层可挡氢注入硅约7 μm（在氢流入能量1 MeV），PI层在众多钝化技术中具有独特的功能，且性价比高。

4 应用

随着电力电子技术向高频化、模块化方向发展，快恢复二极管FRD作为一种高频器件也在蓬勃发展，通常被应用于较高频率的整流和续流电子线路中，现已被广泛应用于高频开关型电镀电源、高频高效开关电源、高频快速充电电源、不间断电源、高频逆变焊机、PWM脉宽调制器、功率因数校正装置、变频驱动、交流电动机驱动、轨道交通牵引传动、新能源汽车驱动、电网远程多级输电等场景中。其具有高效、节能和节材等特性，在应用场景中备受青睐。快恢复二极管的两个典型应用案例见图10和图11。

5 展望

在提高快恢复二极管FRD的快恢复性能方面有两大主流技术，即少数载流子寿命控制技术和阳极发射效率控制技术。虽然少数载流子寿命控制技术在应用方面更胜一筹，但阳极发射效率控制技术在近年来也发展迅速。在实际产品研发和工艺开发过程中，科研人员更倾向于对两大技术进行有效组合，甚至还有一些科研人员将阴极的FCE、CIBH等技術与这两大技术进行有效融合，从而寻求更好的快恢复二极管FRD方案。毫无疑问，少数载流子寿命控制技术是最为重要的，它对快恢复二极管FRD的性能影响是最大的。因此，从事快恢复二极管FRD研究的科技工作者也在极力寻求性价比高的少数载流子寿命控制技术，以此来赢得市场与客户。成本也正逐渐成为快恢复二极管FRD领域中需要考量的一个因素。硅基快恢复二极管FRD在耐压、反向恢复时间及漏电方面受到硅基材料的极限物理特性的限制。而第三代半导体材料碳化硅在临界击穿电场、迁移率、热传导率等方面明显优于硅基材料。随着第三代半导体材料技术的日益成熟，宽禁带半导体材料（如SiC）因其优异的物理特性被广泛应用[26]。图12为SiC、Si和GaN物理特性的对比图。

6 结语

快恢复二极管FRD在整流线路和逆变线路中发挥着重要作用。随着开关器件IGBT和VDMOS性能的迅速提升，FRD的性能发展也在不断提升。事实上，FRD与IGBT/VDMOS是对“孪生兄弟”，二者息息相关。

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