ZP6000A/8500V整流管的研制

高山城 GAO Shan-cheng；李玉玲 LI Yu-ling；劉東 LIU Dong；馬艷 MA Yan

（西安電力電子技術(shù)研究所，西安710061）

（Xi'an Power Electronics Research Institute，Xi'an 710061，China）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件在變流技術(shù)的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著變流裝置輸出功率的不斷提高，迫切需要減少變流裝置中逆變橋中整流管的串、并聯(lián)的數(shù)目，提高單只器件的功率容量，從而使橋臂的均流、均壓變得更為簡(jiǎn)單，方便設(shè)備的制造、養(yǎng)護(hù)和維修，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，提高經(jīng)濟(jì)效益。因而研制大容量ZP6000A/8500V特高壓整流管就顯得十分重要。

1 理論分析

1.1 雪崩擊穿電壓與穿通電壓 本項(xiàng)目屬于特高壓超大功率電力半導(dǎo)體器件，應(yīng)采用PIN[1]設(shè)計(jì)，PIN型設(shè)計(jì)的元件耐壓原理由PN結(jié)的表面雪崩擊穿電壓與元件體內(nèi)穿通電壓共同決定。如圖1所示。

圖1 整流管阻斷電壓與雪崩電壓、穿通電壓的關(guān)系

根據(jù)半導(dǎo)體器件理論[2]可知，雪崩擊穿電壓與電阻率、基區(qū)寬度有關(guān)，電阻率越高，基區(qū)寬度越大，雪崩擊穿電壓越高，表面雪崩擊穿電壓不僅與體內(nèi)雪崩擊穿電壓有關(guān)，而且與結(jié)終端造型結(jié)構(gòu)在有關(guān)；穿通電壓主要與基區(qū)寬度有關(guān)，基區(qū)寬度越寬，整流管體內(nèi)的耗盡層越不易發(fā)生穿通現(xiàn)象。而大功率整流管不僅要求高阻斷電壓、大通流能力，而且要求低通態(tài)壓降、快反向恢復(fù)時(shí)間（即體內(nèi)儲(chǔ)存較少的反向恢復(fù)電荷），這就要求整流管必須采用低電阻率硅單晶，并減薄基區(qū)寬度，可見它們之間存在一個(gè)最佳值，即阻斷電壓無限接近特定電阻率下雪崩電壓和穿通電壓。

1.2 通態(tài)壓降與反向恢復(fù)時(shí)間 圖2示出一維PIN二極管結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)高阻N-區(qū)，以及擴(kuò)散形成的P+及N-區(qū)，這種結(jié)構(gòu)較好協(xié)調(diào)反向阻斷電壓與正向壓降之間的矛盾，可在獲得較高的反向阻斷電壓前提下，得到較低的正向通壓壓降。該結(jié)構(gòu)中，P+，N+區(qū)濃度高，體壓降可忽略，而在高壓整流管通態(tài)大注入條件下，N-區(qū)體壓降為：

圖2 PIN結(jié)構(gòu)示意圖

由上式可知，UM正比于（d/La）2，欲獲得低通態(tài)壓降，就要減薄N-區(qū)或提高少子壽命。

元件的反向恢復(fù)過程是正向?qū)〞r(shí)體內(nèi)注入大量非平衡載流子消失和恢復(fù)阻斷能力的過程，圖3示出恢復(fù)過程中元件電流的變化[3]。

通過電荷控制理論求解電荷方程可得反向恢復(fù)時(shí)間trr及反向恢復(fù)電荷Qrr：

圖3 反向恢復(fù)電流波形

Ta為N-區(qū)非平衡載流有效壽命。

即反向恢復(fù)時(shí)間正比于N-基區(qū)的少子壽命，且隨N-區(qū)寬度d的增加而按雙曲線函數(shù)高次冪的規(guī)律增加?？梢姡涌旎謴?fù)過程，就要降低少子壽命或減小N-區(qū)寬度。綜上所述，減小N-區(qū)寬度是降低正向壓降和減少反向恢復(fù)時(shí)間唯一關(guān)鍵措施。

1.3 反向阻斷機(jī)理與N-區(qū)極薄化 由1.1和1.2分析可知，要提高阻斷電壓就要求增加N-區(qū)寬度，要降低通態(tài)壓降則要求減薄N-基區(qū)寬度，事實(shí)上除了耐壓要求加厚N-區(qū)外，器件所有其它電熱特性都要求減薄N-區(qū)。在滿足耐壓要求的前提下減薄N-區(qū)是優(yōu)化器件綜合性能的關(guān)鍵。如圖4所示為正角造型的PIN結(jié)構(gòu)空間電荷層擴(kuò)展示意圖[4]。

圖4 正角PIN結(jié)構(gòu)剖面圖

當(dāng)元件施加反向電壓時(shí)，PN結(jié)空間電荷區(qū)開始在P+N-結(jié)兩側(cè)擴(kuò)展。由于P+區(qū)濃度遠(yuǎn)大于N-區(qū)濃度，空間電荷區(qū)主要在N-區(qū)側(cè)展寬。當(dāng)N-區(qū)過寬時(shí)，空間電荷區(qū)將在P+N-結(jié)兩側(cè)自由擴(kuò)展，其邊界如圖4中曲線1所示，結(jié)區(qū)電場(chǎng)也持續(xù)增大，直到體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值導(dǎo)致雪崩擊穿。這種器件反向耐壓高，但過寬的N-區(qū)導(dǎo)致通態(tài)壓降大、強(qiáng)烈地制約著通流能力，而且在導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存過多的非平衡載流子導(dǎo)致反向恢復(fù)電荷過多、反向恢復(fù)時(shí)間的過長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)器件的整體優(yōu)化。

當(dāng)N-區(qū)較簿時(shí)，空間電荷區(qū)首先在表面區(qū)域擴(kuò)展?jié)MN-區(qū)并進(jìn)入N+區(qū)而受到高濃度N+限制展寬減緩，但電壓可繼續(xù)增加，空間電荷區(qū)邊界如圖4中曲線2所示。由于N-區(qū)較簿，表面空間電荷區(qū)展寬將過早受到限制而降低雪崩擊穿電壓，雖然通態(tài)壓降小，通流能力強(qiáng)，但器件卻得不到很高耐壓。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 極薄化N-區(qū)寬度設(shè)計(jì)[5]根據(jù)半導(dǎo)體理論可知，一定電壓下表面電場(chǎng)分布及表面空間電荷區(qū)展寬與造型角度、摻雜濃度分布、N－區(qū)電阻率有關(guān)。很難用特定的數(shù)理公式進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，較為精確地直觀地研究確定這些參數(shù)，借助于“激光探針感生電流法[6]”。其基本原理是用直徑極小的一束激光掃描在加有反壓的整流管磨角臺(tái)面區(qū)域時(shí)，激光點(diǎn)在空間電荷區(qū)以外不產(chǎn)生光生電流，在空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光生電流。在空間電荷區(qū)內(nèi)某點(diǎn)產(chǎn)生光生電流的大小與該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小直接相關(guān)，兩者之間為增函數(shù)關(guān)系。用X-Y記錄儀記錄展示這一關(guān)系如圖5。

圖5 激光探針感生電流表面特性測(cè)量圖

圖5中：曲線1是表面空間電荷區(qū)展寬不受限制的情況。曲線2是表面空間電荷區(qū)展寬過早受到限制。曲線3是體內(nèi)穿通電壓與表面空間電荷區(qū)展寬受到限且有雪崩倍增效應(yīng)同時(shí)發(fā)生。

極薄化N-區(qū)寬度設(shè)計(jì)的判據(jù)是體內(nèi)穿通電壓與表面空間電荷區(qū)展寬受到限且有雪崩倍增效應(yīng)同時(shí)發(fā)生。此時(shí)整流管的阻斷電壓最高、通流能力最大，通態(tài)壓降最小，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，從圖中可以清楚檢測(cè)到極小化N-區(qū)寬度。

2.2 大面積芯片、高少子壽命高均勻性摻雜技術(shù)[7]根據(jù)半導(dǎo)體器件理論可知，對(duì)于通流能力6000A的整流管需要在5英寸硅片上研制，芯片面積的增加對(duì)摻雜的均勻性提出了更高的要求。器件雜質(zhì)表面濃度及其縱向分布會(huì)對(duì)器件的阻斷電壓、發(fā)射效率等產(chǎn)生重大影響。對(duì)于大面積分立器件，摻雜必須實(shí)現(xiàn)在整個(gè)面積內(nèi)雜質(zhì)的均勻分布。如果器件雜質(zhì)分布不均勻，整個(gè)芯片上雜質(zhì)分布最不利于器件性能的點(diǎn)將決定器件的最終特性。這將限制器件阻斷電壓和通流能力，使器件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)影響器件質(zhì)量及穩(wěn)定性。器件少子壽命分布與雜質(zhì)濃度分布相關(guān)，對(duì)分立器件性能的影響機(jī)制類似于雜質(zhì)濃度分布。所以，大面積高均勻性、高少子壽命及其分布的均勻性是必須解決的問題。

傳統(tǒng)整流管制造工藝是對(duì)P、N型摻雜依次進(jìn)行的，而P型雜質(zhì)一般為AL、B元素；N型為P元素。由于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體選擇性摻雜的阻檔介質(zhì)SiO2無法實(shí)現(xiàn)對(duì)AL元素的摻雜，必須經(jīng)過多次的擴(kuò)散，光刻、腐蝕等傳統(tǒng)的工藝手段制造雜質(zhì)分布，這樣雖有利于分布控制摻雜濃度和結(jié)深，但工藝過程沉長(zhǎng)，易引入雜質(zhì)污染，使得芯片的少子壽命降低。我們采用先進(jìn)的P、N型紙?jiān)疮B放在芯片兩邊，放入同一摻雜爐內(nèi)同時(shí)摻雜，一次性形成的最終的雜質(zhì)分布，有利于形成優(yōu)良的雜質(zhì)分布和精確控制結(jié)深。此方法高溫過程只有一次，所以受污染機(jī)率最小，保持了高少子壽命及其分布的均勻性。

3 結(jié)論

本文論述了6000A，8500V特高壓整流管的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。借助于先進(jìn)“激光探針光敏電流測(cè)量法”分析整流管電場(chǎng)強(qiáng)度變化，并在PIN結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了N-基區(qū)極薄化設(shè)計(jì)，有效地協(xié)調(diào)了提高阻斷電壓、提高通流能力、降低通態(tài)壓降、減小反向恢復(fù)電荷、縮短反向恢復(fù)時(shí)間之間的矛盾。采用了P、N型紙?jiān)匆淮涡該诫s技術(shù)，成功研制了ZP6000A/8500V特高壓超大電流整流管。

目前該項(xiàng)目產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于鐵路電力機(jī)車以及電化學(xué)、電解、大型電機(jī)調(diào)速、礦山機(jī)械傳動(dòng)等重大裝備，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)鐵路、交通、化工、冶金等行業(yè)設(shè)備的技術(shù)改造升級(jí)與更新?lián)Q代。

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