FRED的特性參數及其外延材料的研制

馬林寶，肖志強，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)能產品，被國際電力電子行業(yè)公認為電力電子技術第三次革命最具代表性的器件。新型電力電子技術對節(jié)能、機電一體化、減少環(huán)境污染、節(jié)省原材料、降低生產成本和提高生產效率起著十分重要的作用。

新型電力電子已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術和學科領域，它的應用幾乎滲透到國民經濟的各個工業(yè)部門，是改造傳統(tǒng)工業(yè)、促進新型高新技術產業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一，可廣泛應用于電機調速、各種開關電源、綠色照明、機車牽引、電動汽車、風力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能電源、高頻感應加熱、計算機、通信、消費類電子、激光、通訊、新型醫(yī)療設備、機器人、軍事、航空、航天等各個領域。

絕緣柵雙極晶體管（IBGT）、功率MOS場效應管（POWER MOSFET）和集成門極換流晶閘管（IGCT）的性能的急劇提高，為電力電子技術的發(fā)展提供了堅實的基礎，各種變頻電路和斬波電路中新型電力電子器件的應用范圍不斷擴大，其均需要與之并聯(lián)一個起續(xù)流、緩沖、吸收等作用的二極管，減少電容的沖電時間，同時抑制因負載電流瞬時反向而在器件或模塊寄生電感中產生的高壓電[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過程相匹配，所用的二極管必須具有在較低導通壓降的基礎上具有快速開通和快速關斷的能力和軟恢復特性。與傳統(tǒng)的整流二極管相比，此種二極管無論從器件結構和工藝上還是器件性能上均與之有較大的差別，因此如何正確設計器件結構和外延層參數就成為FRED首先要解決的問題。

2 FRED的相關參數及結構

FRED所用的外延材料是在重摻雜（摻As）襯底上生長一層輕摻雜外延層。重摻As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通壓降較低，因導通壓降正溫度系數的原因造成導通壓降越小，電流越大，溫度越高，導通壓降進一步降低的正反饋循環(huán)過程，使二極管很快穿通失效，所以對二極管的導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散重金屬鉑（Pt）的技術[2,3]作為快速復合中心，提高二極管的開關速度，相對常規(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和重金屬的集聚中心，而重金屬的集聚中心會引起電場的畸變或界面尖峰，使擊穿電壓下降，高的缺陷密度嚴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、缺陷等對管芯雪崩耐量也有影響。

2.1 FRED的結構

FRED的結構見圖1和圖2。由圖1可知，FRED用N型重摻As拋光片作為外延襯底，依據制管的設計要求，生長一層電阻率和厚度符合擊穿電壓及導通電阻的N-外延層。FRED對外延層的要求不同于常規(guī)的芯片，對外延層的一致性和襯底的背損規(guī)范有特殊的標準。

LLD芯片的構造，在原有快速恢復二極管（FRD）相近構造的基礎上，為了提高速度，LLD擴散了金及鉑等重金屬，以縮短載流子壽命。通常，壽命縮短，載流子數減少，正向壓降增加。但LLD生產使用了厚度精度高的外延晶片，并能按LLD的設計值制造芯片，可以最佳地發(fā)揮trr和VF的特性。重金屬高濃度擴散既能實現高速化，也不會像FRD那樣影響到正向電壓。

圖1 FRED管芯結構圖1

圖2 FRED結構圖2

2.2 FRED的特性參數

2.2.1 靜態(tài)參數

（1）最大正向平均電流IF。IF是指當殼溫保持在25℃～75℃之間的一個規(guī)定溫度值時，二極管所允許的最大正向平均電流，在二極管導通的一列方波中，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。在實際應用中，對二極管的VF和開關速度會有一個折中的考慮，對于具有相同額定電流或相同管芯面積的二極管，設計用來快速關斷的二極管的正向壓降比慢速關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。實際的二極管擊穿電壓會比VR大5%～10%，所以在電路設計和使用時，二極管兩端的電壓應保持在這個范圍之內。在某些情況下，制管廠商會給出不可重復雪崩耐量的額定值，其有關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)擊穿時的一種保護。

（4）最大反向漏電流IRM。這是一個具有正溫度系數的參數，這個數值與VR的乘積為二極管阻斷狀態(tài)下的損耗。其參數本身由器件端特性條件決定，如果二極管的反向漏電流測量值超過了參數表中的規(guī)定值，則這個二極管就不合格。正常條件下這個值是結溫在25℃條件下的值，除非有特殊說明。

2.2.2 動態(tài)參數

（1）反向恢復時間trr。反向恢復時間表征FRED的反向恢復速度，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又具有快速開通和關斷的能力。整流二極管的反向恢復時間一般在5μs以上，而FRED的反向恢復時間可降到20ns以下[4]，并且具有比較軟的恢復電流波形。

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

（3）最大反向恢復電流IRRM，這個參數的大小將直接影響對應IGBT/MOSFET的電流應力和開通損耗。一般情況下IRRM值隨溫度的增加而增加，隨測試di/dt的增加而增加?？焖俚姆聪蚧謴涂梢越档投O管本身的損耗，也可以降低對應IGBT/MOSFET的開關損耗。

3 外延參數和技術要求

初期的快恢復二極管是用擴散片制成的，表示為FRD。FRD的優(yōu)點是工藝簡單、制作成本低，但隨著頻率、功率和一致性的要求越來越高，FRD已不能用于高端電路方面。隨著開關電源頻率的提高，要求二極管的反向恢復時間trr大幅減小，FRED的出現滿足了功率IGBT/MOSFET的要求。通常，壽命縮短，載流子數減少，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，它是評價工藝技術的主要指標。

3.1 外延參數設定

由圖1和圖2可知，FRED是在重摻襯底上生長一層輕摻外延層，根據器件參數要求的不同，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]可有效地降低導通壓降，更好地控制過渡區(qū)分布的差異，提高導通電阻的一致性和均勻性，進而提高導通壓降的一致性和均勻性。

3.2 外延工藝技術研究

3.2.1 襯底材料

FRED二極管外延襯底用重摻As＜100＞拋光片，電阻率≤0.004Ω·cm，低的電阻率可以有效減小導通電阻，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對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、鐵對硅中少子壽命的影響。

3.2.2 外延設備和工藝

外延生長工藝技術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量和完整性。為了實現上述目的，在硅外延設備和工藝流程上作了改進和優(yōu)化：

（1）低溫、低速生長。生長溫度高會帶來較嚴重的自摻雜和系統(tǒng)污染，產生較寬的雜質界面過渡區(qū)。高溫會產生熱應力，導致硅片翹曲變形。低的生長速率會提高晶格完整性。

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

（3）設有硅片傳遞腔。對于大直徑硅片而言，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，依靠機械手完成裝取片。

（4）氣路設計合理。氣體輸運采用壓力、溫度等閉環(huán)控制，流量由質量流量計精確控制，氣路運行由電子模擬屏顯示，便于操作人員對運行情況進行監(jiān)控。

生長前的預熱處理（包括HCL的原位腐蝕）對于外延過程來說是必不可少的，而對自摻雜來說則是發(fā)生襯底雜質轉移的重要過程。由于橫向自摻雜分布的最大值出現在襯底-外延層交界面附近，自摻雜過程基本上是由熱效應引起的，自摻雜的大部分雜質是在生長前的預熱處理階段由襯底蒸發(fā)出來的。實際上在生長前的預熱處理（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，此時即使中斷熱處理，換清潔基座后進行外延生長仍然存在自摻雜現象。所以說外延生長前的預熱處理階段即提供了自摻雜的大部分雜質源，而且在襯底表面提供了雜質吸附層，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，為外延生長提供潔凈的襯底表面。對FERD用外延材料而言，外延生長時雜質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。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 結果與討論

圖4 200V FRED外延電阻率分布

文中針對FRED產品的特性參數，詳細解釋了快恢復二極管的動態(tài)參數和靜態(tài)參數。介紹了2種用外延片的FRED結構，描述了外延參數的一致性和均勻性對快恢復二極管電參數的影響。通過優(yōu)化工藝程序，研制出滿足快恢復二極管用的系列外延材料，為快恢復二極管材料的國產化和批量生產奠定了基礎。

[1] 高乃沖，孫民，等. 電力電子技術，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. 大功率快速恢復二極管概述[J].半導體情報，2001，38（3）：1-9.

[5] 張海濤，張斌等. 電力電子技術，2003，37（2）：79-81.

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