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功率快恢复二极管制造技术发展简述北京工业大学功率半导体器件与功率集成电路研究室亢宝位2008年7月前言◆用途：续流；整流◆市场份额：大于IGBT世界：～25亿美金中国：～70亿元人民币●我国生产现状：占主流的高端产品几乎全部进口●我国研究现状：◆研发几百至几十ns超快恢复二极管者鲜见◆北京工业大学一直致力于超快恢复FRD和IGBT研发●功率快恢复二极管的地位MOS栅类双极类晶闸管4.1%功率IC45%BJT6.9%二极管13.1%IGBT5.6%功率MOS25%梗概一.绪论:快恢复二极管的用途与对它的性能要求二.快恢复二极管结构发展之一：PiN二极管结构发展三.快恢复二极管结构发展之二：PiN/肖特基结合二极管结构发展四.过剩载流子寿命控制技术的发展五.制造功率快恢复二极管的半导体材料的发展六.我国快恢复二极管产业技术现状七.结束语一.绪论快恢复二极管的用途与对它的性能要求●主要是续流二极管(FWD)电机调速逆变电路主要应用例二：开关电源降压电路主要应用例一：电机绕组(电感)+_+_DRCLV1MOS管开关控制器V2续流1.快恢复二极管主要用途●其次是整流二极管工作模式：开关2.快恢复二极管的开关波形与参数开通时正向恢复过程关断时反向恢复过程ttfrtr0.1IFM0.9IFMIFMVF1.1VF0.25IrMVSIrrMtrrtbta软度S=tb/ta快而软恢复慢而硬恢复电流电压VFM+--+-PNN+PNN+PNN+PNN++-+快恢复二极管的功耗电流电压t功耗t开通损耗关断损耗=开关损耗通态损耗截止损耗+=静态损耗+◆高频工作时开关损耗为主快恢复二极管◆低频工作时静态损耗为主一般恢复二极管3.对快恢复二极管主要性能要求主要目的：降低功耗;保护主开关IGBT;提高可靠性等功率快恢复二极管发展史主要是以上性能的改进史！反向恢复特性软S↑正向压降正温度系数dVF/dT＞0正向恢复电荷少tfr↓,VFM开关参数提高电力电子设备可靠性正向压降低VF↓反向漏电小IR↓直流参数静态损耗反向恢复电荷少Qrr↓反向恢复时间短trr↓反向恢复电流峰值小IrrM↓开关损耗保护IGBT减小EMI1,常规PiN二极管（PiN1950’s)2,低损耗二极管（LLD1976)3,静电屏蔽二极管（SSD1984)4,场中止低损耗二极管（FS-LLD2007)5,背注入空穴二极管（CIBH2006)6,场抽出电荷二极管(FCE2005)7,浮带区熔二极管（FZ-Diode2008）8，超级结二极管（SJ-diode)二.快恢复二极管结构发展之一:PiN二极管结构发展各种PiN二极管结构一览SSDPPP+N+N-阳极阴极SPEEDPiNP+N+N-阳极阴极P+LLD阳极PN+N-阴极(FS-LLD)PN+N-N阳极阴极PP+N-P+N+NN+阳极阴极FCECIBHPN+N-阳极阴极PPP1,常规PiN二极管P+N-N+阳极阴极以后PiN二极管的发展史主要就是提高其折衷性能的历史特点:耐压高,可以按需要随心设计几十V→6500V开关时间长缺点:有少数载流子存储效应,所以:正向压降大反向恢复硬用常规寿命控制法提高速度时三者相互矛盾，难以得到良好折衷2，低损耗二极管（LLD)PN-结构特点：低发射区掺杂浓度●开关时间短●反向恢复电流峰值低●正向压降小●开关特性软PN结自建电势差减小P区注入N-区空穴总量减少近PN结处空穴浓度降低近NN+结处空穴浓度提高问题：反向特性变软，击穿电压降低，限制它充分应用性能优点tIrrMLLD（快而软恢复）电流电压N+常规PIN（慢而硬恢复）3,静电屏蔽二极管（SSD,SPEED）N-阴极N+低掺杂发射区P-P+阳极P+P+P+P-P-高掺杂发射区势垒区屏蔽发射区•低发射区掺杂•深结静电屏蔽结构特点性能特点•正向压降小•耐压提高•反向恢复快,软漏电减小•发射极效率自调整4,（场中止低损耗二极管，FS-LLD）N+N-NP结构特点:LLD+N缓冲层性能特点:更软恢复LLDFS-LLD缓冲层PN+N-N+CIBH二极管无背P+的二极管反向恢复波形对比结构特点：加入背P+区性能特点：反向恢复更软P+P+P+P+5,背注入空穴二极管CIBH6，场抽出电荷二极管（FCE）阳极FCE阴极FCE只加N缓冲层常规PiN只加N缓冲层FCEP结构特点：FS-LLD结合CIBH性能特点：反向恢复特软7，浮带区熔二极管（FZ-Diode)P-N-N+电子辐照背面激光退火FZ-DiodeFS-LLD反向恢复浪涌电压（V)阳极电流(A)●成本低用FZ硅材料●反向恢复浪涌电压小载流子寿命控制替代缓冲层8,超级结二极管（SJ-Diode)阳极沟槽回填区阴极P+PPN+WNNWP结构特点：WNNN=WPNP横向净掺杂浓度等于零正向压降，反向耐压与开关速度三者折衷比PiN更好性能特点四.快恢复二极管结构发展之二:PiN/肖特基结合二极管结构发展1,肖特基/PiN结合二极管(MPS1993)3,软快恢复二极管(SFD1991,U-SFD2000)4,中部宽缓冲层二极管(MBBL2004）2,沟槽氧化物PiN/肖特基二极管(TOPS,TSOX-MPS，2001)序：肖特基势垒二极管(SBD)阴极外延层N衬底N+金属肖特基接触阳极_+金属N-Si00_II+VV正向反向+--+●几乎没有恢复时间●正向压降小●反向漏电大击穿电压低～0.55V肖特基势垒高度低于PN结势垒高度多数载流子导电,无少子存储效应PNSBDSBDPN●大电流正向压降大于PiN各种PiN/肖特基结合二极管结构一览阴极外延层N衬底N+肖特基结阳极PPPMPS金属SFD外延层NN+PPPPAl-Si电极肖特基结P-外延层N衬底N+肖特基结金属PPMBBLTOPSTSOX-MPS金属肖特基N+NP多晶硅氧化层PPP阴极阴极阴极P1,PiN/肖特基结合二极管(MPS)MPSPiNPiNMPSSBDPiN电流密度（A/cm2)反向恢复电流峰值（A）MPSPiN存储电荷(uC/cm2)正向压降（V）正向压降（V）正向压降（V）阴极N衬底N+PPP金属肖特基结阳极2,沟槽氧化物PiN/肖特基二极管（TOPS）空穴浓度TOPSMPS离阳极距离→主要优点：反向恢复电流峰值小金属肖特基结N+NP多晶硅氧化层PPPTOPS1MPSTOPS2PiNIGBT开通波形比较（匹配不同续流二极管时）IGBT开通峰值电流依次减小续流管（叠加在上面的二极管反向恢复电流减小的原因）P外延层N+PPPP-肖特基结Al-Si电极3，软快恢复二极管(SFD)N-N+P肖特基结N-N+PN-PN结Al-Si电极Al-Si电极PiN肖特基SFD加入P-层保护肖特基结结构特点减弱高压感应势垒降低比MPS漏电小，耐压高保留SBD和LLD的反向恢复快软性能特点空穴浓度电流密度NN+nENPPP结构特点●中部重掺杂反向恢复末期耗尽层扩展慢性能特点◆反向恢复软◆反向恢复电流峰值低，浪涌电压小浪涌电压峰值电源电压电流时间常规MBBLMBBL常规常规1.2W0W0W0电压●MPS阳极4,中部宽缓冲层二极管（MBBL）肖特基结1.均匀与半均匀分布载流子寿命控制技术•调整辐照剂量寿命可准确调整；正向压降小•高温漏电流较大；有时效；超快回复需辐照量太大（1）电子等高能粒子辐照（从略）（2）铂等重金属热扩散（从略）•高温漏电流小；电性能长期稳定高可靠•有技术诀窍可得到优异二极管性能五.过剩载流子寿命控制技术发展•激光退火可得到半均匀的载流子寿命分布2，轴向局域载流子寿命控制技术（1）优越性：•正向压降小•反向恢复速度快•反向恢复软度大•反向恢复电流峰值低综合性能最优化P+NDNN+N++轴向低寿命区D的位置IrrMPNN-N+D低载流子寿命区IrrMNO.2NO.1电压电压电流电流0.20.020.21.0PN-N+N++90495um387NO.1NO.2VF(V)IRM(A)SNO.12.714702.0NO.23.426921.1N+1.00.20.50.1PN-N++（2）现有实现局域寿命控制的技术方法（3）现有技术使用情况及存在问题•氢离子注入（有N型掺杂效应；缺陷产生效率较低）•氦离子注入•需要超高能量注入设备，不易普及；但是国外已经使用较多，例如欧洲SEMILAB.的CAL系列•反向漏电流较大北工大正研究轻离子注入缺陷提取铂来解决北工大正研究注入缺陷转化为纳米空腔来解决半导体材料SiGaAs4HSiC6HSiCGaN禁带宽度Eg(eV)1.121.43.2633.39击穿临界场强Ec(106V/cm)0.30.43.02.03.3电子迁移率μn(cm2.V.s)13508500980370900介电常数εr11.812.89.89.79.0热导率λ(W/cm.K)1.70.54.94.91.3本征载流子浓度ni(cm-3)1.5E101.8E68.2E-92.3E-61.9E-10电子饱和漂移速度vs(107cm/s)1.02.02.02.02.5六.制造FRD用半导体材料的发展禁带宽度大电子迁移率可饱和漂移速度大热导率高击穿临界场强高击穿电压高开关速度快正向压降小功率密度大抗辐射力强工作温度高•已有单晶片和外延片商品•已有PiN、SBD和JBS快恢复二极管商品新材料快恢复二极管的性能优越性七.二极管制造工艺平台的类别第一类：深结台面工艺，单晶片，圆片或方片◆工艺简单，生产条件要求低，单晶片成本◆电参数优化难（结太深），生产效率低第二类：浅结平面工艺,精细光刻，离子注入国内：基本是第一类，罕见第二类国外：基本是第二类，少数保留为第一类◆工艺复杂，生产条件要求高，外延片成本高◆电参数高度优化，生产效率很高(1)外延片（FRED)：本报告所涉及的基本都是(除以下几种）(2)区熔单晶片：晶片便宜，FCE，CIBH,FZ-Diode1，地位重要，用量大2，技术难点多，制造难度大恢复快恢复软正温度系数压降低耐高压压降低3，国内重视还不够，外延平面制造技术几乎未用,占主流的高档产品不能做，目前利润空间大功率快恢复二极管：八.结束语没有全面都好的二极管，不同产品对不同用途，品种很多谢谢!