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主結邊緣電阻區對高壓快恢復二極管特性的影響

作者:海飛樂技術 時間:2019-01-14 18:09

  高壓快速恢復二極管研究的一個關鍵方面就是它的過流關斷問題。在過流關斷下,器件容易發生動態雪崩。動態雪崩是影響高壓快恢復二極管堅固性的一大因素。動態雪崩分為一度、二度、三度動態雪崩。三度動態雪崩將會引發惡性電流絲的出現,可能導致器件燒毀。
  一個重要的解決方案和優化方法,是在有器件源區和結終端區之間引入一個電阻連接區,并且如有可能,該區域盡量采用低摻雜。提高器件高壓過流關斷能力普遍采用這種電阻連接區,但使用不同的名稱,如HiRC、ballas tresistance和junction extension zone。本文針對不同電阻區結構的過流關斷問題進行詳細深入分析。這為制造高性能高壓快恢復二極管結構提供必要參考。
 
  1. 器件的結構
  器件在2倍額定電流下進行過流關斷,發生失效,如圖1所示,2個器件分別在中間和邊緣發生燒毀。通過切片分析如圖2所示,發現器件已經燒到硅底。器件在不同位置發生了燒毀,需要借助仿真工具來模擬器件關斷過程以了解其失效機理。

器件燒毀圖片 
圖1 器件燒毀圖片
掃描電鏡切片照片 
圖2 掃描電鏡切片照片
 
  根據燒毀的場屏蔽陽極(field shieldtd anode,FSA)快恢復二極管結構,使用Sentaurus TCAD生成了一個2D器件結構。器件結構的有源區部分如圖3所示,有源區面積1mm2,額定電流1A,襯底厚度400µm。
二極管有源區結構示意圖 
圖3 二極管有源區結構示意圖
 
  參照燒毀器件終端結構如圖4所示,利用FSA結構陽極低摻雜緩沖層做電阻連接區,形成了3種連接方案,如圖5所示。其中第1個是在有源區邊緣燒毀器件的結構,電阻區由有源區陽極側緩沖層延伸組成,長度為5µm;第2個是在有源區中間燒毀器件的結構,電阻區長度為60µm,簡稱A結構。為了更好地對比和分析,又設計了一個新結構。新結構中電阻區長度為120µm,簡稱2A結構。
部分場環場板結構示意圖 
圖4 部分場環場板結構示意圖
3種有源區與終端區連接方案 
圖5 3種有源區與終端區連接方案
 
  本文采用的測試器件動態雪崩的電路如圖6所示,di/dt為較高的20A/µs,高壓快恢復二極管是在2倍額定電流(2A)下開始反向恢復,開關選用理想開關。測試電路過程為:先把開關閉合,讓負載電感充電,使電流穩定到達2A,然后斷開開關,由于電感的存在,二極管在2倍額定電流下正向導通,陽極和陰極向基區注入大量載流子,然后再次打開開關,高壓快恢復二極管在很高的di/dt苛刻條件下進行反向恢復,而這一時段容易發生動態雪崩。
開關測試電路圖 
圖6 開關測試電路圖
 
  2. 仿真結果
  2.1通態下陽極結邊緣處過剩載流子的注入情況
  圖7為3種結構在2倍額定電流通態下陽極結邊緣處過剩載流子的注入情況,5µm結構由于發射極注入效率較高,因此過剩載流子注入最多,2A和A結構擁有較大的電阻區,所形成的自偏壓效應可以降低邊緣處的結偏壓,從而減少過剩載流子注入,2A結構最少,A結構次之。
通態下陽極主結邊緣處過剩載流子的注入情況 
圖7 通態下陽極主結邊緣處過剩載流子的注入情況
 
  2.2器件反向恢復波形
  提取3種結構反向恢復過程中電流電壓隨時間的變化曲線,如圖8所示。2A結構在0.64µs達到電流峰值,A和5µm在0.58µs達到電流峰值。
 
  2.3器件最局溫度
  圖9為3種器件反向恢復過程中內部最高溫度隨時間的變化曲線,由圖9可以看出,只有2A沒有燒毀(以臨界溫度800K為判據),5µm和A電阻區結構內部最高溫度分別為976、967K,器件發生了燒毀。
三種結構反向恢復波形 
圖8 三種結構反向恢復波形
器件內部最高溫度值隨時間變化曲線 
圖9 器件內部最高溫度值隨時間變化曲線
 
  2.4器件內部的溫度
  A及2A結構削弱了陽極結邊緣處的電流集中,因此器件沒有在主結邊緣發生燒毀,但是A結構還是燒毀。圖10為提取的3種結構在反向恢復過程中器件內部最高溫度位置的溫度分布及局部放大圖,由圖10可以看出,5µm結構在陽極結邊緣處燒毀,而A結構燒毀發生在有源區,只有2A結構最終安全地完成了過流關斷。
反向恢復過程中最高溫度時刻器件內部的溫度分布 
圖10 反向恢復過程中最高溫度時刻器件內部的溫度分布
 
  3. 機理分析
  3.1器件電流密度
  圖11為3種結構在反向恢復過程中不同時刻器件內部的電流密度分布,5µm結構在電阻區0.30µs時刻在主結邊緣產生電流絲,在電阻區0.50µs時刻發生了電流絲穿通。A結構在0。34µs時刻在有源區最左邊產生電流絲,在有源區左端0.58µs時刻發生了電流絲穿通。2A結構在有源區最右邊0.30µs時刻產生電流絲,在有源區左端0.62s時刻發生了電流絲穿通。電流絲穿通后,基本不移動。固定于某一位置的較大電流絲將會導致嚴重的局部溫升,器件最終會因為局部過熱引發燒毀。電流絲穿通位置與最高溫度位置相符合。5µm結構由于電阻區最短,對陽極結邊緣電流抑制最小,因此在陽極結邊緣燒毀。A電阻區結構雖然削弱了陽極結邊緣處電流成絲的現象,但是電流絲在有源區最左邊穿通,就相當于2個半元胞在有源區中間集中產生較大的電流絲而發生燒毀。而2A電阻區結構電流絲在靠近主結邊緣處,在一個完整器件中就是2個電流絲,因此沒有燒壞,最終安全地完成了反向恢復過程。
反向恢復過程不同時刻不同電阻區結構中的電流密度分布 
圖11 反向恢復過程不同時刻不同電阻區結構中的電流密度分布
  為了分析A和2A結構最初產生電流絲的區別,提取了產生電流絲之前時刻有源區最右邊和電阻區的電流密度分布,如圖12所示,2A電阻區電流要明顯小于A電阻區,因此剩余的載流子要從有源區最右邊抽取出去,電流分布不均勻導致了電流絲出現。而A結構由于一開始出現的是較均勻的電流,主結邊緣載流子分布少,因此抽取更快,如圖13所示,陽極載流子最后剩余在有源區最左邊,電流向有源區左邊收縮形成電流絲。
A和2A結構電阻區電流密度分布 
圖12 A和2A結構電阻區電流密度分布
A結構電流往有源區左邊收縮過程中的空穴分布的演變 
圖13 A結構電流往有源區左邊收縮過程中的空穴分布的演變
 
  為了進一步分析A和2A的區別,提取了各個時刻的空穴密度分布如圖14所示。與圖11對照可知,最后電流絲穿通的位置與載流子最后剩余位置重合。A最初產生電流絲位置在有源區最左邊,2A最初電流絲在有源區最右邊。A電流絲從左移動到右再返回,最后停在最左邊,過剩載流子的抽取也從左移動到右,過剩載流子沒有抽取干凈,電流絲再向左移動繼續抽取,A過剩載流子最后剩余在有源區最左邊。2A電流絲從右移動到左再返回,最后停在有源區靠右邊,過剩載流子的抽取也從右移動到左,過剩載流子沒有抽取干凈,電流絲再向右移動繼續抽取,2A過剩載流子最后剩余在有源區靠右邊。
A和2A結構不同時刻空穴密度分布 
圖14 A和2A結構不同時刻空穴密度分布
 
  4. 結論
  在3種電阻區結構過流關斷的仿真測試中發現,只有2A電阻區結構沒有燒毀,而其他2種結構都由于不同的溫升誘導因素導致了器件內部不同位置的燒毀。5µm結構與A、2A結構比較,5µm的電阻區結構由于主結邊緣載流子注入最多,電流絲在陽極結邊緣穿通,導致結邊緣發生燒毀,而A和2A結構沒有發生這種情況,說明加大電阻區可以改善主結邊緣的電流密度。A結構與2A結構比較,A結構電流絲在有源區最左邊穿通,導致器件在該位置燒毀。2A電阻區結構電流絲在靠近結邊緣的位置穿通,但是并沒有引起燒毀??梢缘玫浇Y論,不同電阻區可以導致器件在有源區不同位置產生電流絲從而影響器件的過流關斷能力。




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