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1、功率快恢复二极管制造技术功率快恢复二极管制造技术发展简述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月前言前言 用途：续流；整流用途：续流；整流 市场份额：大于市场份额：大于IGBT世界：世界：25亿美金亿美金 中国：中国：70亿元人民币亿元人民币 我国生产现状：我国生产现状：占主流的高端产品几乎全部进口占主流的高端产品几乎全部进口 我国研究现状：我国研究现状： 研发几百至几十研发几百至几十ns超快恢复二极管者鲜见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北京工业大学一直致力于超快恢复FRD和和IGBT研发研发功率快恢复二极管的地位功率快恢复二极管的地位M
2、OS栅类双 极 类晶闸管晶闸管4.1%功率功率ICIC45%BJT6.9%二极管二极管13.1%IGBT5.6%功率功率 MOS25%梗梗 概概一一. 绪论绪论: 快恢复二极管的快恢复二极管的用途用途与对它的与对它的性能要求性能要求二二. 快恢复二极管结构发展之一：快恢复二极管结构发展之一：PiN二极管结构发展二极管结构发展三三. 快恢复二极管结构发展之二：快恢复二极管结构发展之二：PiN /肖特基肖特基结合二结合二 极管结构发展极管结构发展四四. 过剩载流子过剩载流子寿命控制技术寿命控制技术的发展的发展五五. 制造功率快恢复二极管的制造功率快恢复二极管的半导体材料半导体材料的发展的发展六六.
3、 我国快恢复二极管我国快恢复二极管产业技术现状产业技术现状七七. 结束语结束语 一一. 绪论绪论 快恢复二极管的用途快恢复二极管的用途与对它的性能要求与对它的性能要求 主要是主要是续流二极管续流二极管(FWD) 电机调速电机调速逆变电路逆变电路主要应用例二主要应用例二 ：开关电源开关电源降压电路降压电路主要应用例一主要应用例一 ： 电机绕组(电感)+_+_DRCLV1MOSMOS管开关控制器V2续流续流1. 快恢复二极管主要用途快恢复二极管主要用途 其次是整流二极管其次是整流二极管工作模式：开关工作模式：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ttfr
4、tr0.1IFM0.9IFMIFMVF1.1VF0.25 I rM VSI rrMtrrtbta软度S= tb/ ta快而软恢复快而软恢复慢而硬恢复慢而硬恢复电流电流电压电压VFM决定决定S决定决定I IrrMrrM+- +-P N N+P N N+P N N+P N N+ -+快恢复二极管的功耗快恢复二极管的功耗电流电压t功耗t开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗=开关损耗开关损耗通态损耗通态损耗截止损耗截止损耗+=静态损耗静态损耗+ 高频工作时开关损耗为主高频工作时开关损耗为主 快恢复二极管快恢复二极管 低频工作时静态损耗为主低频工作时静态损耗为主 一般恢复二极管一般恢复二极管 3. 对快恢复
5、二极管主要性能要求对快恢复二极管主要性能要求主要目的：降低功耗主要目的：降低功耗; 保护主开关保护主开关IGBT; 提高可靠性等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！功率快恢复二极管发展史主要是以上性能的改进史！ 反向恢复特性软反向恢复特性软 S 正向压降正温度系数正向压降正温度系数 dVF/dT0 正向恢复电荷少正向恢复电荷少 tfr, VFM开开关关参参数数提高电力电子提高电力电子设备可靠性设备可靠性正向压降低正向压降低 VF 反向漏电小反向漏电小 IR 直流直流参数参数 静态损耗静态损耗 反向恢复电荷少反向恢复电荷少 Qrr 反向恢复时间短反向恢复时间短 trr 反向
6、恢复电流峰值小反向恢复电流峰值小 IrrM 开关损耗开关损耗保护保护IGBT减小减小EMI 1, 常规常规PiN二极管（二极管（ PiN 1950s) 2, 低损耗二极管低损耗二极管 （LLD 1976) 3, 静电屏蔽二极管（静电屏蔽二极管（SSD 1984) 4, 场中止低损耗二极管场中止低损耗二极管 （FS-LLD 2007) 5, 背注入空穴二极管背注入空穴二极管 （CIBH 2006) 6, 场抽出电荷二极管场抽出电荷二极管(FCE 2005) 7, 浮带区熔二极管（浮带区熔二极管（FZ-Diode 2008 ） 8，超级结二极管，超级结二极管 （SJ-diode)二二.快恢复二极管
7、结构发展之一快恢复二极管结构发展之一:PiN二极管结构发展二极管结构发展各种各种 PiN 二极管结构一览二极管结构一览SSDPPP+N+N -阳极阳极阴极阴极SPEEDPiNP+N+N -阳极阳极阴极阴极P+LLD阳极阳极PN+N -阴极阴极 ( FS-LLD )PN+N -N 阳极阳极阴极阴极PP+N-P+N+NN+阳极阳极阴极阴极FCECIBHPN+N -阳极阳极阴极阴极PPP1, 常常 规规 PiN 二二 极极 管管P+N-N+阳极阳极阴极阴极 以后以后 PiN二极管的发展史主要就是提高其折衷性能的历史二极管的发展史主要就是提高其折衷性能的历史 特点特点: 耐压高耐压高,可以按需要随心设
8、计可以按需要随心设计 几十几十V 6500V开关时间长开关时间长 缺点缺点: 有少数载流子存储效应有少数载流子存储效应, 所以所以:正向压降大正向压降大反向恢复硬反向恢复硬 用常规寿命控制法提高速度时用常规寿命控制法提高速度时 三者相互矛盾，难以得到良好折衷三者相互矛盾，难以得到良好折衷2，低损耗二极管（，低损耗二极管（LLD)PN -结构特点：低发射区掺杂浓度结构特点：低发射区掺杂浓度 开关时间开关时间短短 反向恢复电流峰值反向恢复电流峰值低低 正向压降正向压降小小 开关特性开关特性软软PN结自建电势差结自建电势差减小减小P区注入区注入N-区空穴总量区空穴总量减少减少近近PN结处空穴浓度结处
9、空穴浓度降低降低近近NN+结处空穴浓度结处空穴浓度提高提高问题：反向特性变软，击穿电压降低，限制它充分应用问题：反向特性变软，击穿电压降低，限制它充分应用性性能能优优点点tI rrMLLD（快而软恢复快而软恢复）电流电流电压电压N+常规常规PIN（慢而硬恢复慢而硬恢复）3, 静电屏蔽二极管（静电屏蔽二极管（SSD, SPEED）N-阴极阴极N+低掺杂低掺杂发射区发射区P-P+阳极阳极P+P+P+P-P-高掺杂高掺杂发射区发射区势势垒垒区区屏屏蔽蔽发发射射区区 低发射区掺杂低发射区掺杂 深结静电屏蔽深结静电屏蔽结构特点结构特点性能特点性能特点 正向压降小正向压降小 耐压提高耐压提高 反向恢复快反
10、向恢复快,软软漏电减小漏电减小发射极效率自调整发射极效率自调整4, （场中止低损耗二极管，（场中止低损耗二极管，FS-LLD）N+N -N P结构特点结构特点: LLD + N缓冲层缓冲层性能特点性能特点: 更软恢复更软恢复LLDFS-LLD缓冲层缓冲层PN+N -N+CIBH 二极管二极管无背无背P+ 的二极管的二极管反向恢复波形对比反向恢复波形对比结构特点：加入背结构特点：加入背P+区区性能特点：反向恢复更软性能特点：反向恢复更软P+P+P+P+5, 背注入空穴二极管背注入空穴二极管 CIBH 6，场抽出电荷二极管（，场抽出电荷二极管（FCE）阳极阳极FCE阴极阴极 FCE只加只加N缓冲层
11、缓冲层常规常规PiN只加只加N缓冲层缓冲层FCEP结构特点：结构特点：FS-LLD结合结合CIBH性能特点：反向恢复特软性能特点：反向恢复特软7，浮带区熔二极管（，浮带区熔二极管（FZ-Diode)P-N-N+电电子子辐辐照照背背面面激激光光退退火火FZ-DiodeFS-LLD反向恢复浪涌电压（反向恢复浪涌电压（V)阳极电流阳极电流(A) 成本低成本低 用用FZ硅材料硅材料 反向恢复浪涌电压小反向恢复浪涌电压小 载流子寿命控制载流子寿命控制替代替代 缓冲层缓冲层 8, 超级结二极管超级结二极管（SJ-Diode)阳极阳极沟槽回填区沟槽回填区阴极阴极P+PPN+WNNWP 结构特点：结构特点：
12、WNNN=WPNP横向净掺杂浓度等于零横向净掺杂浓度等于零正向压降，反向耐压与开关速度正向压降，反向耐压与开关速度 三者折衷比三者折衷比PiN更好更好 性能特点性能特点四四. 快恢复二极管结构发展之二快恢复二极管结构发展之二: PiN/肖特基肖特基结合二极管结合二极管结构发展结构发展1, 肖特基肖特基/PiN结合二极管结合二极管 (MPS 1993)3, 软快恢复二极管软快恢复二极管 ( SFD 1991, U-SFD 2000)4, 中部宽缓冲层中部宽缓冲层 二极管二极管 (MBBL 2004 ） 2, 沟槽氧化物沟槽氧化物PiN/肖特基二极管肖特基二极管(TOPS,TSOX-MPS， 20
13、01)序：肖特基势垒二极管序：肖特基势垒二极管 (SBD)阴阴极极外延层外延层 N衬底衬底 N+金属金属肖特基肖特基接触接触阳阳极极_+金属金属N-Si00_II+VV正向正向反向反向+ - + 几乎没有几乎没有 恢复时间恢复时间 正向压降小正向压降小反向漏电反向漏电 大大 击穿电压低击穿电压低 0.55V肖特基肖特基势垒高势垒高度低于度低于 PN 结结势垒高势垒高度度多数载多数载流子导流子导电电, 无无少子存少子存储效应储效应PNSBDSBDPN大电流正向大电流正向压降大于压降大于PiN 各种各种PiN/肖特基结合二极管结构一览肖特基结合二极管结构一览阴极外延层外延层 N衬底衬底 N+肖特肖
14、特基结基结阳极阳极PPP MPS金属金属SFD外延层外延层 N N+PPPPAl-Si电极电极肖特肖特基结基结P-外延层外延层 N衬底衬底 N+肖特肖特基结基结金属金属PP MBBLTOPSTSOX-MPS金属金属肖特基肖特基N+NP多晶硅多晶硅氧化氧化层层PPP阴极阴极阴极P1, PiN/肖特基结合二极管(MPS)MPSPiNPiNMPSSBDPiN电流密度电流密度（A/cm2)反向恢复电流峰值反向恢复电流峰值（A）MPSPiN存储电荷存储电荷(uC/cm2)正向压降正向压降（V）正向压降正向压降（V）正向压降正向压降（V）阴极 N衬底衬底 N+PPP金属金属肖特基结肖特基结阳极阳极2, 沟
15、槽氧化物沟槽氧化物PiN/肖特基二极管肖特基二极管（TOPS） 空穴浓度空穴浓度TOPSMPS 离阳极距离离阳极距离主要优点：反向恢复电流峰值主要优点：反向恢复电流峰值 小小金属金属肖特基结肖特基结N+NP多晶硅多晶硅氧化层氧化层PPPTOPS1MPSTOPS2 PiNIGBT开通波形比较开通波形比较（匹配不同续流二极管时）（匹配不同续流二极管时） IGBT开通峰值电流依次减小开通峰值电流依次减小续流管续流管 （叠加在上面的二极管反向恢复电流减小的原因）（叠加在上面的二极管反向恢复电流减小的原因）P外延层外延层N+PPPP-肖特肖特基结基结Al-Si电极电极3，软快恢复二极管(SFD)N-N+
16、P肖特肖特基结基结N-N+PN-PN结结Al-Si电极电极Al-Si电极电极 PiN 肖特基肖特基 SFD加入加入P- 层保护肖特基结层保护肖特基结结构结构特点特点减弱高压感应势垒降低减弱高压感应势垒降低比比MPS漏电小，耐压高漏电小，耐压高保留保留SBD和和LLD的的 反向恢复快软反向恢复快软性能性能特点特点 空穴浓度空穴浓度 电流密度电流密度 N N+nENPPP结构特点结构特点 中部重掺杂中部重掺杂 反向恢复末期耗反向恢复末期耗尽层扩展慢尽层扩展慢性能特点性能特点 反向恢复反向恢复 软软 反向恢复电流反向恢复电流峰值低，浪涌电峰值低，浪涌电压小压小浪涌电压峰值浪涌电压峰值电源电压电源电压
17、电流电流时间时间常规常规MBBLMBBL常规常规常规常规1.2W0W0W0电压电压 MPS阳极阳极4, 中部宽缓冲层二极管（ MBBL ）肖肖特特基基结结1. 均匀与半均匀分布载流子寿命控制技术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）电子等高能粒子辐照（从略）（2）铂等重金属热扩散（从略）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
18、二极管性能有技术诀窍可得到优异二极管性能五五. 过剩载流子寿命控制技术发展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，轴向局域载流子寿命控制技术（1）优越性：）优越性： 正向压降正向压降 小小 反向恢复速度反向恢复速度 快快 反向恢复软度反向恢复软度 大大 反向恢复电流峰值反向恢复电流峰值 低低综综 合合 性性 能能 最最 优优 化化P+ N D N N+ N+轴向低寿命区轴向低寿命区D的位置的位置 IrrMPNN-N+D低载流子寿命区低载流子寿命区IrrMNO.2NO.1电压电压电压电压电流电流电流电流0
19、.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）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）现有技术使用情况及存在问题 氢离子注入（有氢离子注入（有N型掺杂效应；缺陷产生效率较低）型掺杂效应；缺陷产生效率较低） 氦离子注入氦离子注入 需要超高能量注入设备，不易普及；但是国外已需要超高能量注入设备，不易普及；但是国外已经使用较多，例如欧洲经使用较多，例如欧洲SEMI LAB. 的的CAL系列系列
20、 反向漏电流较大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 半导体材料半导体材料 SiGaAs 4H SiC 6H SiCGaN禁带宽度禁带宽度 Eg (eV)1.121.43.2633.39击穿临界场强击穿临界场强Ec (106V/cm)0.30.43.02.03.3电子迁移率电子迁移率n (cmn (cm2 2.V.s).V.s)1350135085008500980980370370900900介电常数介电常数rr11.812.89.89.79.0热导率热导率(
21、W/cm.K)(W/cm.K)1.71.70.50.54.94.94.94.91.31.3本征载流子浓度本征载流子浓度ni (cm-3)1.5E10 1.8E68.2E-9 2.3E-61.9E-10电子饱和漂移速度电子饱和漂移速度vs (107cm/s)1.02.02.02.02.5六六. 制造制造FRD用半导体材料的发展用半导体材料的发展禁带宽度禁带宽度 大大电子迁移率电子迁移率 可可饱和漂移速度饱和漂移速度 大大热导率热导率 高高击穿临界场强击穿临界场强 高高击穿电压击穿电压 高高开关速度开关速度 快快正向压降正向压降 小小功率密度功率密度 大大抗辐射力抗辐射力 强强工作温度工作温度 高
22、高 已有单晶片和外延片商品已有单晶片和外延片商品 已有已有PiN、SBD和和JBS快恢复二极管商品快恢复二极管商品 新材料快恢复二极管的性能优越性新材料快恢复二极管的性能优越性七七. 二极管制造工艺平台的类别二极管制造工艺平台的类别第一类：第一类： 深结台面工艺深结台面工艺，单晶片，圆片或方片，单晶片，圆片或方片工艺简单，生产条件要求低，单晶片成本工艺简单，生产条件要求低，单晶片成本 电参数优化难（结太深），生产效率低电参数优化难（结太深），生产效率低 第二类：浅结平面工艺第二类：浅结平面工艺, 精细光刻，离子注入精细光刻，离子注入 国内：基本是第一类，罕见第二类国内：基本是第一类，罕见第二类
23、 国外：基本是第二类，少数保留为第一类国外：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，生产效率很高电参数高度优化，生产效率很高 (1) 外延片（外延片（FRED)：本报告所涉及的基本都是：本报告所涉及的基本都是(除以下几种）除以下几种）(2) 区熔单晶片区熔单晶片 ：晶片便宜，：晶片便宜，FCE，CIBH, FZ-Diode1，地位重要，用量大，地位重要，用量大2，技术难点多，制造难度大技术难点多，制造难度大 恢复快恢复快 恢复软恢复软正温度系数正温度系数 压降低压降低耐高压耐高压 压降低压降低3，国内重视还不够，国内重视还不够，外延平面制造技术几乎未用，外延平面制造技术几乎未用, 占主流的高档产品不能做，占主流的高档产品不能做，目前利润空间大目前利润空间大功率快恢复二极管：功率快恢复二极管：八八. 结束语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!
