本文介绍了一个新的1700V 25A至300A快速恢复二极管（FRD）系列。实验结果与数值模拟结果一致，表明采用SIPOS、SIN和聚酰亚胺钝化法的横向掺杂变化（VLD）可以实现稳定的1700V二极管。这些器件具有低开关损耗和低正向压降以及正温度系数。
介绍
为了增加雪崩击穿电压，改善开关功率损耗，例如在风车、感应加热、电机驱动或逆变器应用中，在开发称为第一代、第二代、第三代和第四代FRD的优化二极管方面已经做出了许多努力。这些新一代二极管的主要开发采用体晶圆、薄晶圆技术、n+背表面接触、激光退火和多质子注入，均用于二极管制造［1-5］。
本文介绍了具有不同额定电流的1700V软恢复二极管。具有尾电流的快速软恢复二极管是使用晶圆背面的深扩散磷晶片和受控轴向寿命杀伤器的组合开发的。所提出的二极管在其工作温度范围内提供稳定的性能，并相对于温度保持正向压降。
这些二极管专为需要低开关和高开关性能的中高频应用而设计。与竞争对手器件相比，室温和热时的开关损耗。此外，据我们所知，我们发现制造功率二极管的一种经济方法是使用市售的6英寸600V至1700V深扩散磷晶片，而不是使用多质子注入来获得N缓冲区。如果需要薄晶圆，例如600V至1200V，则可以使用最终的磷注入和激光退火来实现薄晶圆技术，以在背面金属化之前激活磷。
结构
图1显示了拟议VLD设计的简化横截面。该结构完全兼容1700V至4500V IGBT工艺技术。为了提供与工艺条件的一致性，结构直接来自DIOS，随后使用TCAD模拟软件进行分析［6］。我们非常小心地确保测量的扩散阻力曲线与模拟曲线之间的紧密配合。由于SIPOS是半电阻层，难以在击穿电压
仿真工具中实现，因此假定电荷为零。采用深P-区域可减少轴向寿命杀伤器（如氦气或质子）的泄漏电流，并使器件在硬开关条件下具有鲁棒性。
图 1：1700V 器件的平面结 VLD 端接的横截面。
图 2：1700V 软恢复二极管的传统扩展电阻曲线。
为了在所有条件下获得软恢复二极管，StarPower通过使用磷深扩散晶圆和轴向寿命杀伤器开发了1700V二极管，如图2所示。主硼内部受控轴向寿命杀灭器用于控制P区孔的注入效率。P-区用于降低相对于阳极硼结深度和金属厚度公差的漏电流。
相同的P区域还降低了曲率效应，因此在硬开关测试条件下，不会发生电流拥挤。如图所示的软N为软恢复提供额外费用。空穴的低注入效率使得器件的Vf正温度系数随着温度的升高而增加，这有利于二极管在多个IGBT和二极管并联连接的模块中并联工作，并且在高温期间开关损耗最小化。二极管软度 Trr 通过
电子辐照使用额外的均匀寿命杀伤来控制。
讨论
FRD 的要求是 （a） 面积有效端接 （b） 可靠性 （c） 开关性能。
区域高效端接
当给定芯片尺寸的端接面积减小时，阳极有效面积可以增加。随着有源面积的增加，器件的电流能力增加，Vf降低，浪涌电流增加。边缘过早击穿是功率器件中非常常见的影响。由于曲率和较低的表面临界电场，击穿发生在P / N-基结的表面上。为避免边缘击穿，最常用的技术是浮动环端接［7-11］。
该技术基于放置在设备边缘的P浮动环，以释放耗尽宽度或在环之间共享电位下降。然而，这种结构对钝化电荷敏感。为了减少电荷敏感的环间距，应减小环之间的间距，并添加更多的环。为了减少表面电荷效应，场板技术也可以与浮环端接结合使用［12-15］。然而，在这两种情况下，P环都不会完全耗尽，并且不与N-共享电位，并且面积效率不高。因此，使用VLD技术。
VLD技术基于使用光刻胶掩模通过氧化物中的小开口植入，然后驱动，从而获得受控的掺杂曲线［156-17］。轻掺杂区域的斜率和掺杂曲线的浓度如图1所示。VLD结构对主结和结端之间的掺杂浓度边界很敏感。
因此，使用ISE软件来优化Si厚度为290um，有效N-厚度为155um的硼剂量。1700V VLD设计使得掺杂浓度变化10%时，击穿电压在1900V至2000V之间变化。现代植入器的剂量变化也在2%的范围内，因此可以达到最低1900V。VLD设计的总宽度为300u，VLD边缘与通道截止器之间的冗余面积为100um。
可靠性
当设备处于雪崩击穿状态时，VLD会完全耗尽到表面。如果不正确选择钝化，则击穿电压降低或阻塞特性不稳定或漏电流增加。因此，SIPOS钝化直接沉积在硅表面上。这是因为SIPOS的导电性有限，任何可能干扰电场分布的不需要的电荷，如离子污染、界面电荷或捕获电荷，都可以由SIPOS内的移动载波补偿。LPCVD机器用于沉积0.2um的SIPOS，并带有SIN钝化。
SIPOS的电导率在沉积过程中通过氧气仔细调节。此外，我们观察到，由于SIPOS的热激活电导率，反向漏电流在较高温度下增加。但是，150°C时的漏电流可以忽略不计或低于我们的芯片/模块限制。在正式发布量产之前，75A和200A经过了全面的资格测试。芯片电气稳定性最重要的可靠性测试是高温反向偏置（HTRB）和湿度测试。HTRB测试检查样品承受反向偏置的能力，同时承受器件额定承受的最高环境温度。
用于HTRB测试的条件是150°C时额定电压的80%。 在开始测试之前测量击穿电压和漏电流。1700V芯片（78+78 =156芯片）组装到C6封装中。该测试进行了长达1000小时，每8小时读取一次读数。前后测量结果显示10uA，漏电流没有增加。湿度测试检查封装和芯片抵抗湿气渗透的能力。将样品装入环境室。然后将相对湿度增加到85%，温度升高到85°C。 在开始测试之前测量设备特性。冷却 3 小时后重新测量设备。前后测量结果表明漏电流没有增加。
图3：VLD击穿电压相对于硼剂量。
图 4（a）：25°C 和 150°C 时的正向压降 图 4（b） 25°C 和 150°C 时的开关性能
室温下的最大漏电流为10uA，150°C时为1mA。
（c） 开关性能
为了验证StarPower FRD二极管与两个竞争对手FRD相比的性能，使用感性负载
电路进行了25°C和150°C。所有二极管的正向压降都在+/以内。0.15V.轴向寿命结束后，使用真空退火炉将杀伤器和电子辐照装置定制至Vf 1.8V。图4（a）在状态特性显示，在额定电流及以上时，Vf随温度升高而增加。这是并联操作的更好选择。典型开关结果如图4（b）所示，在室温下和150°C下，75A Vr，900V和di/dt 1500A/us。
开关结果表明，不存在过冲电压。因此，器件可能会受到更高的阻断电压的压力。表-1显示了相同芯片尺寸的竞争器件的比较结果。反向恢复波形和表1结果表明，二极管不振铃，因此产生低EMI，从而消除了二极管两端的并联RC缓冲器。与150°C相比，最大反向恢复电流（Irm）值增加了25%，因此在实际应用中，IGBT在整个温度范围内的应力较小。
结论
仿真分析和实际结果表明，采用VLD结构可以获得1900V的击穿电压，薄N-厚度为155um。实验结果表明，使用SIPOS等半绝缘材料对平面结端接进行钝化，可实现稳定的阻断电压特性。不使用晶圆研磨、背面磷注入、激光退火和使用深扩散磷晶圆，证明可以用低 Irm 获得低 Vf 1.8V，并且没有振铃即可获得平滑的反向恢复。使用深扩散磷晶片，优化N-厚度和寿命杀手，可以获得更经济和高度可靠的FRD。通过调整VLD设计，相同的技术和制造程序可能适用于1700V至6500V的中压。在仿真后的几天内，可以获得区域高效VLD设计的最佳解决方案。
