600 V VDMOS器件的反向恢復(fù)熱失效機理

夏曉娟 吳逸凡 祝 靖 成建兵 郭宇鋒 孫偉鋒

(1南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210003)

(2南京郵電大學(xué)江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,南京 210003)

(3東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,南京 210096)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,功率器件因其輸入阻抗高、開關(guān)速度快等特性被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源及電機驅(qū)動等領(lǐng)域[1-6].橋式電路是開關(guān)電源的一種重要形式,其主要功耗來源是功率管的開關(guān)損耗及與之并聯(lián)使用的二極管的反向恢復(fù)損耗.為了減小二極管的損耗,需降低二極管反向恢復(fù)電荷,在高頻應(yīng)用中,可采用并聯(lián)碳化硅二極管(SiC diode),但是成本較高.在低頻應(yīng)用中,二極管反向恢復(fù)的損耗較低,因此一般都直接采用功率開關(guān)管寄生的體二極管.

近年來,功率器件體二極管的反向恢復(fù)一直是研究熱點[7].相關(guān)研究表明反向抽取的少數(shù)載流子電流是影響器件可靠性的關(guān)鍵因素.文獻[8-9]提出了二極管反向恢復(fù)過程中的動態(tài)雪崩概念,動態(tài)雪崩導(dǎo)致電流匯聚而在薄弱點損壞功率器件.文獻[10]研究了功率器件終端的電流匯聚和碰撞電離現(xiàn)象,并提出了新型終端結(jié)構(gòu)以提高器件關(guān)斷過程中的可靠性.以上文獻所提及的失效均為雪崩擊穿失效,發(fā)生在電壓較高的工作條件下,而目前尚未有對非雪崩擊穿失效的機理研究.

本文詳細研究了600 V VDMOS器件體二極管的工作過程,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)體二極管正向?qū)〞r,除原胞區(qū)域外,器件的終端區(qū)域也會積累大量的少數(shù)載流子,此部分少數(shù)載流子在體二極管反向恢復(fù)過程中,以單股電流的形式從靠近終端位置的原胞流出,這會導(dǎo)致該處p-body區(qū)的溫度升高,進而造成寄生三極管導(dǎo)通及器件失效.Sentaurus TCAD模擬仿真和實際測試結(jié)果均驗證了該結(jié)論.

1 器件結(jié)構(gòu)

高壓VDMOS器件在橋式電路系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用.圖1為典型的半橋電路結(jié)構(gòu),當(dāng)功率管Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷或Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時,電源通過變壓器把能量傳遞給負載電容,電感L處于充電狀態(tài),輸出電流增加.當(dāng)Q1和Q2關(guān)斷后,二極管D1和D2導(dǎo)通,變壓器線圈上的能量通過D1和D2以電流的形式進行泄放,電感L處于放電狀態(tài).該電路的功耗主要來源于功率管Q1，Q2的開關(guān)損耗和二極管D1，D2的反向恢復(fù)損耗.其中,本文中功率管Q1, Q2為功率VDMOS器件,二極管D1,D2為VDMOS器件的體二極管.

本文所研究的VDMOS器件原胞和終端結(jié)構(gòu)如圖2所示.該器件外延層厚度為52 μm，摻雜濃度為7.5×1013cm-2,其原胞區(qū)采用了結(jié)深為3.6 μm的p-body,注入劑量為5.5×1013cm-2.其終端區(qū)通過6個場限環(huán)的結(jié)構(gòu)進行水平方向的耐壓,每個場限環(huán)的結(jié)深為4.2 μm,注入劑量為3.0×1014cm-2.本文所研究的600 V VDMOS器件的電流為4 A.芯片采用標準TO-220封裝.該器件的擊穿電壓為670 V,如圖3所示.

圖1 半橋電路系統(tǒng)工作示意圖

圖2 VDMOS器件剖面圖(單位:μm)

圖3 VDMOS器件的擊穿電壓

2 反向恢復(fù)特性

圖4為VDMOS器件體二極管反向恢復(fù)過程的電流和電壓曲線.反向恢復(fù)過程主要分為3個階段:正向?qū)A段、體二極管中少數(shù)載流子反向抽取的初始階段和恢復(fù)階段.T1時刻為正向?qū)A段,VDMOS器件受到外界電流應(yīng)力,體二極管正向?qū)?電流由器件源極流向漏極,此時器件兩端電壓為正向?qū)妷?約0.7 V.T2時刻為體二極管中少數(shù)載流子反向抽取的初始階段,由于受到外界電壓應(yīng)力,少數(shù)載流子被快速抽取,形成的反向抽取電流以固定的di/dt增加,并在該階段末達到最大值IRRM.在該階段中,外延層中的空穴與p-body中的電子形成電勢差,使器件漏源電壓只能緩慢增加.T3時刻為反向恢復(fù)階段,器件兩端電壓迅速增加,器件同時承受高電壓和大電流,形成高功率區(qū)域,導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高,該階段為器件失效的主要階段.

圖4 VDMOS器件寄生體二極管反向恢復(fù)過程的電流和電壓曲線

圖5為VDMOS器件寄生體二極管正向?qū)〞r(圖4中的T1時刻)的電流與少數(shù)載流子(空穴)的分布情況.此時,器件體二極管處于正向?qū)顟B(tài),空穴載流子由p-body注入到外延層中.電流以源極金屬為起點,通過p-body流向漏極,載流子會沿著不同的電流路徑運動,如圖5(a)中A,B,C,D四個方向,在每個方向上都會有少數(shù)載流子注入,使得原本在器件中只起耐壓作用的終端區(qū)域,也不可避免地貯存了大量的少數(shù)載流子.每條路徑上少數(shù)載流子的分布近似為

(1)

式中,τHL為大注入載流子壽命;La為雙極性擴散長度;q為電子電荷電量;d為沿電流路徑從p-body到漏極的路徑長度;JT為載流子密度.

由圖5(b)可知,空穴的濃度由原胞區(qū)向終端區(qū)逐漸降低,沿圖中A-A′線進行分析,可看出原胞區(qū)下方的空穴載流子濃度達到1.8×1016cm-3,隨著橫向距離的增大,空穴的濃度降低,最終穩(wěn)定在2.7×1014cm-3左右.

圖6為體二極管反向恢復(fù)階段時(圖4中T3刻)的電流與空穴載流子的分布情況.器件進入體二極管反向恢復(fù)后,原本貯存在N型外延層中的空穴載流子被反向抽取,經(jīng)過p-body區(qū)域到達源極金屬.終端區(qū)貯存的大量載流子將通過最靠近終端區(qū)的原胞進行泄放.如圖6所示,VDMOS器件在反向抽取過程中,終端區(qū)大量的空穴電流流向最外側(cè)的原胞,形成一股大電流,流經(jīng)p-body區(qū),到達源極金屬.此時器件漏源兩端的電壓達到230 V,該區(qū)域就成為高功率區(qū),其功率密度可根據(jù)下式計算:

圖5 VDMOS器件體二極管正向?qū)〞r的電流分布及空穴載流子分布

圖6 VDMOS器件在T3時刻的空穴載流子分布、電流密度分布及電場分布

pd=JtotE

(2)

式中,Pd為功率密度,W/cm3;Jtot為該區(qū)域的總電流密度, A/cm2;E為該區(qū)域的電場強度,V/cm.

高功率區(qū)域隨著時間的推移會形成焦耳熱,導(dǎo)致溫度升高,其溫度變化為

(3)

式中,P為功率;K和α分別為熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴散系數(shù),其值為1.3 W/(cm·K)和0.8 cm2/s.

圖7為VDMOS器件在反向恢復(fù)過程中的溫度變化情況.可看出,VDMOS器件的高溫部分主要集中在原胞p-body區(qū)域.T1時刻為VDMOS器件寄生體二極管正向?qū)ǖ那闆r,此時,器件只有4 A的正向電流和約0.7 V的正向?qū)妷?器件功率很低,不會產(chǎn)生熱量,因此溫度維持不變.T2時刻為VDMOS器件寄生體二極管中少數(shù)載流子反向抽取的初始階段,器件的反向抽取電流達到30 A,而此時漏源兩端耐壓僅40 V,器件功率較低,只會產(chǎn)生較少熱量,溫度開始緩慢升高.T3時刻為VDMOS器件寄生體二極管的恢復(fù)階段,器件的電流和耐壓均較高,功率很高,產(chǎn)生較高熱量,溫度開始明顯增加.圖7(b)為在T3時刻的三維溫度分布圖,由圖可知,VDMOS器件在p-body區(qū)域的溫度遠高于器件其他部分的溫度.

圖7 VDMOS器件體二極管反向恢復(fù)過程溫度變化情況

隨著溫度的升高,器件寄生三極管基區(qū)的電阻增大,內(nèi)建電勢降低,同時伴隨著較大位移電流和反向恢復(fù)電流,觸發(fā)寄生三極管的開啟,電流發(fā)生倍增效應(yīng),從而導(dǎo)致器件損壞.寄生三極管基區(qū)電阻率ρ、內(nèi)建電勢Vbi與溫度T的關(guān)系如下:

(4)

(5)

圖8 VDMOS器件失效時的電流分布

3 測試結(jié)果

圖9(a)為600 V 4 A等級的VMODS器件寄生體二極管的反向恢復(fù)測試電路.當(dāng)功率開關(guān)管開啟時,電源對電感進行充電,電感電流增加;當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷后,電感通過被測器件的寄生體二極管

圖9 VDMOS器件體二極管反向恢復(fù)特性測試

進行續(xù)流,使被測器件寄生體二極管處于正向?qū)顟B(tài).當(dāng)功率開關(guān)管再次開啟時,電源電壓加在被測器件的兩端,使被測器件進入反向恢復(fù)過程,即本文研究的過程.圖9(b)為VDMOS器件發(fā)生失效時的電流、電壓測試波形,由圖可知,器件反向恢復(fù)電流的峰值為12 A,當(dāng)反向恢復(fù)電流為5.8 A時,器件失效,發(fā)生失效的時刻與圖4中的T3時刻相似.這是由于器件的p-body區(qū)在高電場和高電流密度下,產(chǎn)生焦耳熱,溫度升高,使得器件寄生三極管基區(qū)電阻增加,內(nèi)建電勢降低,觸發(fā)寄生三極管開啟,進而導(dǎo)致VDMOS器件失效.

圖10為VDMOS器件失效的顯微照片.可看出器件的失效位置為最靠近終端區(qū)域的原胞位置.對比圖10和圖8,可證實理論分析與實際測試一致,即VDMOS器件在體二極管反向恢復(fù)過程中,由于器件寄生三極管開啟,使得電流集中匯聚到最外側(cè)的原胞區(qū),并在該處產(chǎn)生大量的焦耳熱,最終使器件的最外側(cè)原胞成為薄弱點.

圖10 VDMOS器件失效的顯微照片

4 結(jié)語

本文借助Sentaurus TCAD仿真軟件研究了600 V VDMOS器件寄生體二極管的工作過程. 模擬和實驗結(jié)果表明,在VDMOS器件的寄生體二極管正向?qū)〞r,由于電流的流動,終端區(qū)會貯存大量的少數(shù)載流子,在反向恢復(fù)時,貯存的少數(shù)載流子會以單股電流的形式被抽取,這股大電流流經(jīng)p-body區(qū)到達源極金屬,導(dǎo)致VDMOS器件最靠近終端位置原胞的p-body區(qū)域溫度升高,觸發(fā)寄生三極管開啟,造成VDMOS器件失效.

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