改善高压FRD结终端电流丝化的新结构

吴立成，吴 郁，魏 峰，贾云鹏，胡冬青，金 锐，査祎影

(1.北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京100124;2.国网智能院 电工新材料及微电子研究所，北京100192)

为实现高耐压，高压快恢复二极管(FRD)N－基区的掺杂浓度通常取得较低(1013cm－3量级)，当在大电流、高电压、大di/dt条件下关断时，会在远低于静态击穿电压时发生动态雪崩。较强的动态雪崩会引发电流丝化，产生不可控的局部温升，进而导致器件烧毁。这将限制高压FRD及IGBT作为开关器件在大功率、高频等领域的充分应用［1］。

如果只在二极管阳极侧发生动态雪崩且此处掺杂足够均匀，理论上此二极管有可能表现出较强的坚固性，这是因为阳极处的电流丝可沿横向移动［2］，缓解了局部温升。但在实际器件中，结终端处的掺杂不均匀。如果处理不当，就有可能在此处形成一个不移动的电流丝，对二极管的安全工作造成危害。因此，结终端是器件内部的一个薄弱区域［3］。为解决此问题，Mori等人曾提出过一种HiRC结构［4］，且被成功应用于具有场限环结构的FRD中［4－5］。该结构是在有源区与终端区之间引入的一个P型电阻区。文中通过仿真分析，探讨了分别将这种电阻区引入结终端延伸(JTE)和横向变掺杂(VLD)终端时的效果。由于前者引入电阻区的效果并不理想，提出了一种旨在缓解JTE终端区电流丝化的新结构。

1 高压FRD动态雪崩特性

具有JTE终端(a)和VLD终端(b)的高压FRD剖面图，如图1所示。

图1 具有JTE终端和VLD终端的高压FRD剖面图

图1中分别给出了具有JTE和VLD终端结构的两个高压FRD的剖面示意图。由图可见，在有源区和终端区之间有一个电阻区，相当于HiRC结构。它可以看作是主结的延伸部分，其长度由阳极接触孔边沿与扩散窗口边沿之间的距离决定。文中结终端延伸(JTE)结构被定义为由少量的横向均匀掺杂区域所组成的P－区;横向变掺杂(VLD)结构被定义为由很多较小的P－区组成，且他们的掺杂浓度从左到右逐渐减小。两个二极管的有源区结构相同，通过设定面积因子使其达到1 cm2。并且，它们具有相同的击穿电压，约为4.5 kV。本文对两种情况的静态和动态特性进行了仿真计算。分析反向恢复特性时，采用如图2所示的电路。其中，用电流源IF=200 A代替大负载电感为二极管提供正向电流;直流电压VDC=2 000 V，寄生电感Lσ=100 nH，由此形成的反向恢复di/dt=2 000 A/μs。很大的IF和di/dt取值，有利于体现出明显的动态雪崩效应。仿真结果显示，在正向导通时，两种结构中的电阻区对有源区边缘处空穴注入的抑制作用相似;但在发生了动态雪崩的反向恢复过程中，两种结构中电流分布的演化过程出现了明显的差异。

图2 反向恢复特性仿真电路

图3(a)和图3(b)分别显示了具有JTE和VLD终端结构的两个二极管的反向恢复波形。可以看出:(1)它们的电压电流波形非常相似，反向恢复时间都约为860 ns，只是VLD结构的反向电压过冲和振荡稍强。(2)它们的波形中，在反向电流增大时，反向电压都出现了一些小的“凹陷”，这是一种瞬时的微分负阻效应，是内部发生了动态雪崩的标志。

两种二极管在反向恢复过程中不同时刻的内部电流分布分别在图4(a)和图4(b)中给出。可以看出，一方面，两种结构的有源区内都因动态雪崩效应而产生了电流丝。不过，这些电流丝又都在移动着，所以对器件的安全工作并不是特别危险。另一方面，图4(a)显示，具有JTE终端结构的FRD中，电阻区与终端区之间交界处，还形成了另一个电流丝，并且是不移动的。这就有可能导致器件烧毁。与此同时，具有VLD终端结构的FRD(参见图4(b))，在相同位置的电流密度却很小。这表明，在缓解反向恢复过程中主结边缘的电流丝化方面，引入电阻区对VLD终端可以获得与场限环相同的效果［4－5］，但对于JTE终端却并不理想。因此需要一种新方法来解决JTE终端所面临的这个问题。

图3 具有(a)JTE终端和(b)VLD终端FRD反向恢复波形

图4 具有(a)JTE终端和(b)VLD终端的FRD反向恢复不同时刻的电流线分布仿真结果

图5有助于理解产生这个问题的根本原因。如图5所示，在较高反向偏压时，VLD终端电阻区与终端区交界附近的静态电场强度比JTE终端相应位置要低，且分布更加均匀。根据动态雪崩的原理［1］，发生动态雪崩时电场与电流密度之间可以相互促进，所以JTE终端所具有的较强局部电场就会与本地产生的或者是有源区内部移动过来的电流丝相互作用，使其被强化和固定。

图5 不同终端(a)JTE和(b)VLD的FRD在反偏3.3 kV时电阻区与终端界面处局部电场分布仿真图

2 可缓解JTE终端区电流丝化结构

为降低阳极注入效率和减弱动态雪崩，有人曾提出在有源区引入P+/P阳极缓冲层结构［5－6］，这就为在JTE终端中引入一个新的电阻区结构提供了机会。图6所给出新结构显示了这个思路。其中的电阻区不再由P+区构成，而是代之以掺杂较低的阳极P型缓冲层，P+区则被限制在有源区之内。

图6 新电阻区结构的剖面图

新的电阻区结构具有以下优点:(1)P型缓冲层的掺杂浓度要比常规的P型阳极低。因此，电阻区的电阻增大，能起到更好的镇流作用。(2)既然P型缓冲层可以在纵向方向降低有源区的电场峰值强度，同理它也可以在横向方向降低电阻区与JTE终端交界处的电场峰值。在3.3 kV下新结构中交界处附近的电场分布仿真结果如图7所示，相应位置的电场强度要比图5(a)所示的更低且更均匀。因此JTE终端与电阻区交界处在动态雪崩时产生的电流丝化将会缓解。

图7 3.3 kV时新结构终端与电阻区界面附近的电场分布仿真图

图8所给出的新结构反向恢复过程的电流分布仿真结果可以验证这一点。如图所示，阳极侧在JTE终端与电阻区交界处的电流密度大幅降低，此处固定电流丝的产生被有效抑制。图8和图4(a)的电流分布情况形成了鲜明的对照，显示出P型缓冲层电阻区对问题的解决有效。

图8 具有P缓冲层电阻区JTE终端的FRD反向恢复不同时刻的电流分布仿真结果，开关条件同图2

3 结束语

本文通过仿真分析，比较了具有不同结终端(JTE和VLD)的高压FRD在动态雪崩条件下的反向恢复特性。仿真结果表明如果仅通过P+型阳极延伸形成电阻区，具有VLD终端的器件在动态雪崩过程中表现要优于具有JTE终端的器件。改用P+/P阳极结构中的P型缓冲层做电阻区之后，JTE终端与电阻区交界处的电流丝化问题可得到显著缓解。

［1］LUTZ J，BABURSKE R.Dynamic avalanche in bipolar power devices［J］.Microelectronics Reliability，2012(2):475－481.

［2］MARTIN D，BREITHOLTZ B，JOSEF L，et al.Dynamic avalanche in Si power diodes and impact ionization at the nn+junction［J］.Solid－State Electronics，2000，44(2):477－485.

［3］SATORU K，TAKAHIDE S，RYUZO T，et al.Investigation of dynamic avalanche in the termination region for FWDs with high reverse recovery capability［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2008(6):137－147.

［4］MORI M，KOBAYASHI H，YASUDA Y.6.5 kV ultra soft＆fast recovery diode(U－SFD)with high reverse recovery capability［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2000(5):115－118.

［5］MATTHIAS S，VOBECKY J，CORVASCE C，et al.Field shielded anode(FSA)concept enabling higher temperature operation of fast recovery diodes［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2011(6):88－93.

［6］CHEN M，LUTZ J，FELSL H P，et al.The CIBH diode great improvement for ruggedness and softness of high voltage diodes［J］.International Symposium on Power Semiconductor Devices＆ICs，2008(9):153－158.