该设计还采用了可变侧掺杂（VLD）端接，并结合了SIPOS、SiN和聚酰亚胺钝化层，以在接近理想平行平面击穿电压的同时，最大限度地减小端接面积。这些快速恢复二极管（FRD）专为现代高速IGBT应用而设计，旨在降低振荡、电压尖峰和电磁干扰（EMI），同时保持平滑的反向恢复和低损耗。.
近年来，新型阴极结构被认为是实现高压二极管平滑恢复特性的最有效方法。此外，为了确保宽广的安全工作区（SOA），二极管的有源区和芯片边缘终止设计必须无缺陷[1-14]。下一代高压二极管必须展现出高动态鲁棒性，并能在高压和高di/dt测试条件下安全关断。增加N漂移层厚度是一种可能的解决方案，但这会导致更高的总损耗。虽然现有二极管技术在平滑恢复和SOA方面表现出良好的性能，但在正向压降（Vf）、总损耗、平滑恢复特性和SOA方面仍存在局限性。克服这些局限性对于充分发挥其潜力至关重要。因此，开发兼具快速开关IGBT高性能和低损耗的下一代高压二极管对于提高系统整体效率至关重要。本文对传统阴极结构和新提出的阴极结构进行了实际分析。所提出的设计方案展现出未来高压二极管的良好前景。.
结构。
图 1 显示了所提出的 VLD（变侧掺杂）结构的简化横截面图，该结构在 N 缓冲区内包含一个埋入式硼层。该结构与 IGBT 工艺技术完全兼容。为确保与工艺条件的一致性，该结构直接使用 DIOS 定义，随后使用 TCAD 软件进行仿真 [15]。特别关注的是使测量和仿真得到的传播电阻曲线高度吻合。由于 SIPOS（半绝缘多晶硅）是半导体层，难以在击穿电压仿真工具中实现，因此在 VLD 结构的优化过程中采用了零电荷假设。引入氢缓冲层和埋入式 P 层是为了在严苛的开关条件下实现平滑恢复并提高 SOA 性能。为了降低热态漏电流，仅使用电子辐照 c，而阳极的硼剂量则控制漂移区的空穴注入效率。
图 1. 所提出的 FRD 结构的横截面。.
如图 1 所示，VLD 端接技术基于光刻胶掩模在氧化物层上开小孔进行掺杂，并通过后续注入实现可控掺杂分布。VLD 端接的主要优势在于减小端接面积，因为耗尽区完全延伸至表面并与衬底共享电势。对于给定的芯片尺寸，可以通过增加阳极面积来降低正向电压 (Vf) 并提高浪涌电流。然而，该结构对表面电荷非常敏感，因此需要良好的钝化处理，例如采用 SIPOS 或 DLC，以获得稳定的击穿电压或通过可靠性测试。所使用的 IGBT 模块为 GD1000MPA140L8S 和 GD1000MNA140L8S，均为 1000 A 和 1400 V 的模块，并联三个 FRD。.
开关特性分析。
为了研究反向偏置下的开关特性，我们使用图 2 所示的两种结构进行了实际的反向恢复测试，这两种结构分别带有和不带有埋入式硼层或背面可控空穴注入（CIBH）。器件采用 VLD 端接，可实现 1550 至 1600 V 的静态击穿电压。由于阴极区硼岛和 N+ 结处的击穿，CIBH 二极管的漏电流高于传统二极管。由于模块中多个二极管并联，因此必须降低该漏电流。通过优化硼的掺杂剂量和 P 型与 N 型缓冲层的比例来调节该结处的雪崩效应，以避免漏电流显著增加。
与 CIBH
不含CIBH
图 2. 断开连接时有/无 CIBH 的 FRD 示意图。.
图 3 展示了在 25 °C 和 150 °C 下，有无 CIBH 处理的二极管的正向电压 (Vf)。测量结果表明，两者的 Vf 值相近：室温下为 2.45 V，150 °C 下为 2.8 V。在导通状态下，整个漂移区充满自由载流子，而 CIBH 处理后的二极管中硼区域呈平行排列，因此 Vf 值并未受到显著影响（最大 Vf 值降低：0.1 V）。.
图 3. 室温和 150 °C 下的直流电压降。.
图 4 显示了图 2 所示器件的开关和恢复波形。器件在室温下，采用 800 V 偏置电压、4600 A/µs 电流密度、1200 A 电流和 95 nH 电感进行开关测试，栅极电阻为 10 Ω。无论是否采用 CIBH 技术，器件均表现出平滑的恢复特性。.
图 4. 在 25 °C 和 1200 A 下，栅极电阻为 10 Ω 时，有/无 CIBH 的开关波形。.
表 1. 室温下栅极电阻为 10 Ω 时的开关损耗。.
如表2所示，当栅极电阻降至6.8 Ω时，损耗增大，di/dt上升至7200 A/µs。在反向恢复过程中，参考二极管出现电压振荡，如图5所示。随着栅极电阻的降低，di/dt的开关速度加快。由于基区空穴减少，由此产生的振荡在峰值电压（Vrp）处清晰可见。在阴极侧使用硼掺杂CIBH可以改善平滑性，因为埋入的p型掺杂区域会将空穴注入基区。此外，Irrm降低，电压过冲也减小。.
图 5. 栅极电阻为 6.8 Ω 时，有/无 CIBH，25 °C 下的开关波形。.
表 2. 室温下栅极电阻为 6.8 Ω，电流为 1200 A 时的开关损耗。.
在反向恢复过程中，二极管阴极侧的NN+结之间会建立电场。通过向CIBH二极管注入空穴可以降低该电场。这一过程使得二极管运行更加平稳，反向恢复时间（trr）从217 ns增加到240 ns，电压浪涌保持在二极管的击穿电压以下，从而提高了二极管的鲁棒性。.
为了验证低电流开关特性，在1000 A模块中，分别以20 A和100 A的初始正向电流关断器件，同时保持栅极电阻恒定在6.8 Ω，模块电感为95 nH。由于低电流测试条件有助于更好地理解开关结果，图6展示了20 A和150 °C下的开关波形图。波形图清晰地表明，在没有埋入式P层的情况下，器件表现出抖动特性，表3也清楚地显示，其电压过冲(Vpk)远高于埋入式P层的情况。增加埋入式P层中的硼浓度有助于进一步降低振荡；然而，这会增加正向电压(Vf)和漏电流。因此，必须在可接受的快速开关特性和完全平滑的开关特性之间找到合适的平衡点，同时考虑静态损耗。.
改进且更平滑的恢复特性使得二极管能够在更高的 di/dt 值和电流密度下稳定工作。为了验证模块的 RRSOA 性能，在 2500 A（额定电流的 2.5 倍）和 800 V 偏置电压下，栅极电阻为 6.8 Ω 的条件下对器件进行了开关测试。所有模块样品均在室温和 150 °C 下通过了相同的测试。.
图 6. 在 25 °C 和 20 A 下，栅极电阻为 6.8 Ω 时，有/无 CIBH 的开关波形。.
表 3. 室温下栅极电阻为 6.8 Ω，电流为 20 A 时的开关损耗。.
可靠性：
采用VLD端接以实现尽可能高的击穿电压。当器件处于雪崩模式时，VLD击穿电压会完全耗尽至表面；因此，采用SIPOS钝化来获得稳定的击穿电压。由于SIPOS的导电性有限，因此直接沉积在硅表面。任何可能改变电场分布的有害电荷，例如离子污染、界面电荷或陷阱电荷，都会被SIPOS内部的移动载流子所补偿。LPCVD设备沉积0.2 µm厚的SIPOS，并采用SIN钝化。在沉积过程中，通过精确控制氧含量来调节SIPOS的导电性。
在正式量产发布前，这些器件经过了全面的认证测试。芯片电气稳定性最重要的可靠性测试是高温反向偏置测试 (HTRB) 和湿度测试。HTRB 测试验证样品在额定最高环境温度下承受反向偏置的能力。HTRB 测试在 150°C 下进行，电压为额定电压的 80%。测试开始前测量了击穿电压和漏电流。156 颗 1400V 芯片封装在 C6 封装中。测试持续长达 1000 小时，每 8 小时进行一次读数。测试前后的测量结果显示漏电流没有增加。.
湿度测试用于验证封装和芯片的抗湿气渗透能力。将样品置于环境湿度箱中，相对湿度逐渐增加至 85%，温度逐渐升高至 85°C。测试开始前测量器件特性，冷却 3 小时后再次测量。测试前后的测量结果均显示漏电流没有增加。.
作者：JV Subhas Chandra Bose、Hua Shen、Fu Yong、Rebecca Li 和 Bruce Chen， StarPower Europe AG
结论
仿真分析和实际结果表明，采用VLD结构并优化埋入硼层的掺杂剂量，可在N层厚度为140 µm时实现1550 V的击穿电压。实践证明，与没有埋入P层的传统二极管相比，在背面进行可控空穴注入能够提供更平滑的恢复特性。可靠性测试结果证实，使用SIPOS钝化平面PN结可获得稳定的反向电压特性。.
参考
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