應用電子輻照技術試制硅塑封快速二極管及性能研究

杭德生 張治平 張宇蔚 史曉東 高寶山 劉 星

1（南京大學物理學院 南京 210093）

2（無錫愛邦輻射技術有限公司 無錫 214151）

采用電子輻照半導體器件，以降低器件的少子壽命，提高其開關速度，這一富有吸引力的技術具有獨特的優(yōu)點和誘人的經濟價值，自發(fā)現(xiàn)采用電子輻照技術取代摻金工藝以來，國外研究已經相當活躍[1,2]。

國內則主要集中于器件材料的基礎研究[3,4]，對于結合硅塑封中小功率快速二極管的應用開發(fā)研究尚少見報道。由于電子輻照技術在器件制造中還存在著輻照工藝與器件制造工藝的互相配合、trr-VFM的兼顧和trr熱穩(wěn)定性問題[5,6]。此問題直接阻礙了高技術的推廣與應用。我們根據采用的高能電子輻照技術應用于塑封快速二極管制造的成功經驗，結果表明，應用高能電子輻照技術控制塑封快速二極管少子壽命，是半導體器件壽命控制技術的一個重大突破[7,8]。

高能電子輻照硅塑封快速二極管與傳統(tǒng)摻金工藝相比，主要優(yōu)點為：

(1) 工藝簡單，可芯片輻照也可成品管輻照，生產效率高；

(2) 由于輻照劑量可調，所以trr、VFM可得到精確控制，且一致性、重復性好，成品率高；

(3) 輻照后器件高溫性能好，熱穩(wěn)定性好；

(4) 節(jié)約大量貴稀金屬金。

本文針對電子輻照控制壽命τ技術，較系統(tǒng)地探討了不同注量Φe與trr、VFM等電參數(shù)間的關系，給出了輻照研制的塑封快速二極管缺陷能級測量和熱穩(wěn)定性結果，分析研究了τ、trr、VFM的變化機理。

1 材料與方法

輻照樣品采用 N型硅單晶，電阻率 ρ為 80?·cm，經擴磷、擴硼形成P+NN+結構，按快速二極管制造工藝，對已封裝成型合格的普通二極管，采用電子輻照代替摻金工藝。

輻照裝置：無錫愛邦輻射技術有限公司自制的電子直線加速器，能量為10–12 MeV，電子注量Φe為 2–8×1013e/cm2。

測量儀器：半導體二極管少子壽命測試儀，型號為 CTD-1A；深能級瞬態(tài)儀，均為南京大學物理學院自制。二極管反向恢復時間測試儀，型號為BS4323；二極管正向峰值壓降測試儀，型號為BS4123，均為浙江金華電子儀器公司生產。高溫烘箱，型號為WH05，由常州烘箱廠生產。二極管電老化測試臺，型號為 DZ20，由原南京無線電元件十七廠自制。其中少子壽命測試儀是采用準穩(wěn)態(tài)光電導衰減法原理制造的。

輻照前后采用少子壽命測試儀測 τ，反向恢復時間測試儀測trr，正向峰值壓降測試儀測VFM，高分辨率深能級瞬態(tài)儀(DLTS)測缺陷能級，高精度高溫烘箱做熱老化試驗，功率老化臺做滿功率老化考核試驗。

2 實驗結果

2.1 少子壽命τ與電子注量Φe關系

輻照前后τ與Φe關系曲線如圖1所示。由圖1，當 Φe<2×1013e/cm2時，τ隨 Φe下降比較快，當Φe>2×1013e/cm2時，τ隨Φe下降較緩慢，由于trr、VFM對τ的大小要求不同，只要采用適當?shù)摩礶來控制τ，則可平衡快速二極管trr和VFM電參數(shù)。因此，精確控制Φe就可精確控制τ。

圖1 少子壽命與電子注量關系曲線Fig.1 Relationship between minority carrier lifetimeand electron beams fluence.

2.2 反向恢復時間trr與電子注量Φe關系

trr與τ關系密切，因而受輻照影響較大(圖2)。由圖 2，當 Φe為 5–10×1013e/cm2時，trr隨 Φe變化緩慢，trr從 4.7 μs降至 0.60–0.45 μs，滿足了快速二極管trr≤1 μs的要求，但需兼顧 VFM參數(shù)，并保證VFM在合格范圍內，且越小越好。

圖2 反向恢復時間與電子注量關系曲線Fig.2 Relationship between reverse recovery time and electron beams fluence.

2.3 正向峰值壓降VFM與電子注量Φe的關系

由圖 3，VFM隨 Φe增加而略微增加。當 Φe為5–8×1013e/cm2時，trr在 0.60–0.50 μs，VFM在1.05–1.18 V，既滿足了快速二極管trr≤1μs的要求，又滿足VFM≤1.3 V的要求。由圖2、圖3，當Φe為10×1013e/cm2時，trr下降有限，但VFM會迅速上升至1.22 V，VFM過大會增加器件正向損耗。因此，5–8×1013e/cm2最佳電子注量來兼顧優(yōu)化快速二極管trr-VFM參數(shù)，可使trr、VFM受控于最佳值。

圖3 正向峰值壓降與電子注量關系曲線Fig.3 Relationship between positive peak pressure drop and electron beams fluence.

2.4 高溫反向漏電流IR

快速二極管反向漏電流大小是衡量器件工作溫度和可靠性水平的一個重要標志。電子輻照與摻金工藝制造的快速二極管IR-T曲線如圖4所示。由圖4，電子輻照比摻金工藝生產的快速二極管高溫反向漏電流IR小，且工作溫度提高了約40oC，此結果正是摻金工藝的致命弱點。因此，電子輻照技術的應用能極大改善器件的高溫性能。

圖4 反向漏電流與溫度關系曲線Fig.4 Relationship between reverse leakage current and temperature.

3 輻照后快速二極管熱穩(wěn)定性

3.1 高溫熱處理trr的穩(wěn)定性

為檢驗輻照快速塑封二極管的穩(wěn)定性，我們從1000支/盒中隨機抽取200支快速二極管，每隔50oC退火一次，每次退火30 min，開烘箱冷卻后測試，取trr、VFM的平均值。trr、VFM試驗及退火結果如圖5所示。

由圖 5(a)，T≤300oC 退火，trr略上升，350oC 時trr變化較快并開始反彈，500oC時，trr恢復到輻照前的值。200oC內退火 trr已超出硅器件工作溫度為T≤175oC的工作條件，能退掉不穩(wěn)定的缺陷，使trr穩(wěn)定，說明trr熱穩(wěn)定性好。

由圖5(b)，經T≤300oC退火后，由于trr略有上升，相應的VFM略有下降，VFM值小有利于降低功率器件的正向損耗。因此，選擇T≤300oC退火，器件trr、VFM參數(shù)是穩(wěn)定的。

圖5 反向恢復時間(a)、正向峰值壓降(b)與溫度關系曲線Fig.5 Relationship between reverse recovery time (a), positive peak pressure drop (b) and temperature.

3.2 滿功率電老化試驗的穩(wěn)定性

功率老化試驗是考核器件性能最主要的手段，是檢驗輻照后器件工作狀態(tài)trr是否穩(wěn)定、可靠的重要標志，最能反映器件處于工作狀態(tài)下的本質情況。當 Φe<5×1013e/cm2時，trr過大；當 Φe>8×1013e/cm2時，VFM過大。因此，優(yōu)先選擇Φe為5–8×1013e/cm2的輻照器件。經175oC、168 h高溫貯存后，再進行額定功率及240 h電老化試驗，92支產品全部合格。功率電老化試驗結果見表1。限于篇幅只列出92支產品中編號1–15號結果。其中1–10號Φe為8×1013e/cm2，其余為 5×1013e/cm2。

表1 快速二極管功率老化試驗結果Table 1 Result of the power aging test.

由表1，滿功率老化試驗后trr上升0.01–0.02 μs，VFM下降約為0.01 V，試驗后trr、VFM參數(shù)全部合格，滿足 trr≤1 μs、VFM≤1.3 V 的國家標準[9]，說明電子輻照快速二極管經電老化后性能穩(wěn)定可靠，經多年塑封二極管輻照實踐證明，采用高能電子輻照技術制造快速二極管是可行的。

4 討論

4.1 電子輻照在二極管體內引入缺陷的性質

采用高分辨率深能級瞬態(tài)儀(DLTS)檢測輻照前樣品，未發(fā)現(xiàn)缺陷能級，選擇能量為12 MeV，Φe為8×1013e/cm2輻照樣品，用DLTS檢測缺陷能級的性質列于表2。

表2 缺陷的電學參數(shù)Table 2 Electric parameters of the defects.

引入多子 E1–E4能級的復合作用是導致快速二極管trr和VFM發(fā)生變化的直接原因，由于E3(Ec–0.37 eV)、E4(Ec–0.43 eV)能級密度較高,俘獲面積較大，故為主要的復合能級，且 E3能級退火溫度可達500oC，是輻照后器件熱穩(wěn)定好的根本原因。

4.2 τ、trr降低的機理

由表 2，高能電子轟擊硅器件，在其禁帶中引入深能級復合中心，從而使復合中心濃度及俘獲系數(shù)增大，是導致與之相關的材料少子壽命下降的直接原因。

輻照前τ0與輻照后τ的變化關系[4]：

式中，K為輻照損傷系數(shù)、Φe為電子注量。

trr是快速二極管的特征參數(shù)，隨著 τ變化，trr下降是由τ引起的。

式中，IF為正向電流，IR為反向抽取電流。

式(1)中K值與輻照能量、材料、電阻率和溫度有關，當K、Φe確定時，τ和trr也就確定。

式(1)、(2)中，τ、trr隨Φe的變化規(guī)律與圖1、2相吻合。

4.3 正向壓降增加的機理

快速二極管的正向壓降Vf可表示為

式中，Vj為二極管的結壓降，輻照后快速二極管正向壓降的增加，主要取決于二極管的基區(qū)壓降Vb，即：

對于基區(qū)寬度w、正向電流I、PN面積A已確定的快速二極管，輻照引起二極管Vb增加的主要因素是N區(qū)的電導率σn減小，隨著Φe的增加σn減小，即：[10]

由式(4)、(5)，由于載流子去除效應，使得輻照后相當數(shù)量的導電載流子受到缺陷的束縛而不參與導電，引起σn下降，由于trr的下降，使Vb增加，略增加了快速二極管的正向壓降Vf，但在合格范圍內。

5 結語

縱觀高能電子輻照快速二極管試驗及考核全過程，得出如下結論：

(1) 應用高能電子輻照技術降低成品管快速塑封二極管反向恢復時間，在Φe為5–8×1013e/cm2，試制塑封中子功率二極管并使其性能滿足相關標準的要求。

(2) 具有工藝簡單，trr參數(shù)可以精確控制，且成品率高等獨特優(yōu)點，是快速器件壽命控制工藝技術的一個突破。

(3) 采用高能電子輻照技術控制少子壽命，且二極管高溫性能優(yōu)于摻金工藝。

(4) 應用高能電子輻照制造成品管快速二極管，經高溫貯存、熱處理、滿功率電老化后性能穩(wěn)定可靠。

1 Chu C K, Donlon J F. Annealing effects on electron irradiated and gold diffused thyristors for fast switch application[R]. USA: IAS Annual Meeting , 1976

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7 杭德生. 降低超快、特快、快速塑封二極管反向恢復時間的方法[P]. 國家發(fā)明專利, 2006,No.ZL200410041382.9 HANG Desheng. Method of reduce the reverse recovery time of ultrafast plastic diode, express plastic diode and fast plastic diode[P]. National Invention Patent, 2006,No.ZL200410041382.9

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9 GB/T2900.68-2004

10 陳盤訓. 整流和開關二極管中子輻射效應[J]. 半導體技術, 1986, 3: 19–24 CHEN Panxun. Neutron radiation effect of switching diode and rectifier diode[J]. Semicond Technol, 1986, 3:19–24