用于IGCT的具有很高SOA能力的大面积快恢复二极管

为IGCT的应用而开发的大面积(>50cm2)4.5kV快恢复硅二极管具有很低的漏电流以及直至140℃的高安全工作区SOA。为了获得软的反向恢复特性和在2.8kV下100FIT的抗宇宙射线辐射能力,对硅器件的设计及少子寿命控制进行了优化。此外,用离子辐照在阳极缓冲层反向偏置空间电荷区RBSOA中造成的缺陷峰值与电子辐照相结合的方法,可以塑造通态等离子体的形状、减小反向恢复损耗。除了低的漏电流之外,新设计还提供了非常坚固的阳极,在反向恢复期间没有di/dt扼流线圈的情况下,阳极能够承受高达10kA/μs的di/dt。本文还给出了低能电子辐照与高能电子辐照二极管一些主要参数的比较,这些参数有漏电流、正向压降的温度系数、正向压降V_F与反向恢复损耗E_(rec)的关系曲线、反向恢复软度以及浪涌电流等。     

电力系统用高电压快速恢复二极管坚固性优化北大核心

高压快恢复二极管芯片过渡区是反向恢复坚固性的薄弱点,一旦失效将影响电力装置稳定运行。提出了一种高阻型过渡区优化结构,通过建立三种模拟模型,研究了过渡区宽度和掺杂浓度对快恢复二极管反向恢复性能的影响。采用高阻型过渡区结构的快恢复二极管反向恢复安全工作区仿真极限值提高到电压为2900 V、电流为630 A、电流变化率为1600 A/μs。基于该设计制备的3300 V/1500 A FRD器件可通过电压为3200 V、电流为3000 A、电流变化率为8648 A/μs条件下的反向恢复测试,显著提高了FRD器件的反向恢复坚固性。     

漏电低短路能力强的3300 V IGBT模块

为实现满足电网应用要求的短路能力强、反向偏置安全工作区大、工作结温高的3 300 V高压绝缘栅场效应晶体管模块,提出了一种具有N型增强层的IGBT元胞结构,采用P型隔离区的元胞布局结构和台阶形场板的保护环结构的IGBT设计。基于203.2 mm（8英寸）平面栅IGBT加工工艺,制作出的芯片封装成3 300 V/1 500 A的IGBT模块。模块常温下的饱和压降(V₍C_Esat)为2.55 V,动态总损耗(E_tot)为5 236 mJ;高温150℃下的V_CEsat为3.3 V,集电极和发射极间的漏电流(I_CES)只有38 mA,Etot为7 157 mJ。在常温时,当栅极和发射极电压(V_GE)为18.5 V的条件下,模块通过了一类短路测试。在150℃下,模块通过了2.5倍额定电流的反向偏置关断测试。     

4H-SiC TSOB结势垒肖特基二极管静态特性

为增强器件的反向耐压能力,降低器件的漏电功耗,采用Silvaco TCAD对沟槽底部具有SiO₂间隔的结势垒肖特基二极管(TSOB)的器件特性进行了仿真研究。通过优化参数来改善导通压降(V_F)-反向漏电流(I_R)和击穿电压的折衷关系。室温下,沟槽深度为2.2 μm时,器件的击穿电压达到1 610 V。正向导通压降为2.1 V,在V_F=3 V时正向电流密度为199 A/cm²。为进一步改善器件的反向阻断特性,在P型多晶硅掺杂的有源区生成一层SiO₂来优化漂移区电场分布,此时改善的器件结构在维持正向导通压降2.1 V的前提下,击穿电压达到1 821 V,增加了13%。在1 000 V反向偏置电压下,反向漏电流密度比普通结构降低了87%,有效降低了器件的漏电功耗。普通器件结构的开/关电流比为2.6×10³(1 V/-500 V),而改善的结构为1.3×10⁴(1 V/-500 V)。     

3300 V-10 A SiC肖特基二极管

利用一次离子注入同时形成有源区和结终端结构,实现3 300 V 4H-SiC肖特基二极管。器件的正向电压为1.7 V时,电流达到10.3 A,相应电流密度为100 A/cm2,比导通电阻为7.77 mΩ·cm2。在3 300 V反向偏置电压下反向漏电流为226μA。测试同一晶圆上的pn二极管显示,设计的场限环结终端击穿电压可以达到4 000 V,达到仿真结果的95%。分析发现肖特基二极管的漏电流主要由肖特基接触的热场电子发射产生,有源区的肖特基接触线宽直接影响器件的正向电流密度和反向漏电流。设计合适的肖特基接触宽度是实现高性能器件的关键。     

3300 V-10 A SiC肖特基二极管北大核心CSCD

利用一次离子注入同时形成有源区和结终端结构,实现3 300 V 4H-SiC肖特基二极管。器件的正向电压为1.7 V时,电流达到10.3 A,相应电流密度为100 A/cm2,比导通电阻为7.77 mΩ·cm2。在3 300 V反向偏置电压下反向漏电流为226μA。测试同一晶圆上的pn二极管显示,设计的场限环结终端击穿电压可以达到4 000 V,达到仿真结果的95%。分析发现肖特基二极管的漏电流主要由肖特基接触的热场电子发射产生,有源区的肖特基接触线宽直接影响器件的正向电流密度和反向漏电流。设计合适的肖特基接触宽度是实现高性能器件的关键。     

高压功率快恢复二极管的寿命控制研究

利用质子辐照感生的空位缺陷对铂原子的汲取作用,获得了局域寿命控制,辅以能量为4MeV电子辐照整体寿命控制技术,在具有低阳极发射效率结构的高压功率快恢复二极管中实现了更好的综合性能的优化。测试结果表明,此类快恢复二极管具有反向恢复时间短、软度大、反向漏电低的优良特性,在国际上处于领先水平。     

温度对SiGe/Si异质结功率二极管电学特性的影响(英文)

在考虑到各种物理机制如载流子-载流子散射、俄歇复合、禁带窄化效应及结温效应等的基础上,数值模拟分析了SiGe/Si功率开关二极管的各种温度依赖特性。对Si和SiGe/Si功率二极管而言,温度对器件的正向压降VF、反向击穿电压VB以及反向漏电流JR的影响规律基本相似,即随着温度的升高,正向压降降低,击穿电压增加,反向漏电流迅速提高。然而在相同的温度下,与Si功率开关二极管相比,SiGe/Si二极管(20%Ge含量)的正向压降降低了近0.1V(在正向电流密度10A/cm2的情况下),反向恢复时间缩短了一半以上,反向峰值电流密度也下降了约三分之一,软度因子S提高了2倍多。SiGe二极管的另外一个重要优点是其反向恢复特性受温度影响很小。当温度从300K增加到400K时,Si功率二极管的反向恢复时间增加了近1倍,而SiGe/Si二极管(20%Ge含量)的反向恢复时间基本保持不变。SiGe/Si功率开关二极管的一个缺点是在高温下产生较大的漏电流,但这可以通过适当降低Ge含量来改善。Ge的引入为器件设计提供了更大的自由度,其含量对器件特性有重要影响。为了获得低的正向压降和短的反向恢复时间,应该提高Ge的含量,但Ge含量增加将导致大的漏电流,因此Ge含量的大小应该优化折衷考虑。     

特高压晶闸管结终端造型技术

分析了传统晶闸管结终端造型技术的优缺点.基于双负角结终端造型技术,通过径向变掺杂技术和类台面造型技术改进,发展了一种全新的结终端造型技术.该技术不仅使芯片极薄化,而且使结终端造型占用芯片长度极小化,同时使有效导通长度极大化.制造并测试了三种不同结终端造型技术的样品,测试结果表明,采用该技术的样品在不降低阻断电压(≥8 000 V)前提下,具有更小的漏电流(2.50 mA);在流过相同的通态电流(4 500 A)时,具有更小的通态压降1.782 V;而且反向恢复电荷、dv/dt耐量、di/dt耐量、关断时间等得到全面优化.成功研制了6英寸(1英寸=2.54 cm)电流为4 500 A、阻断电压为8 500 V的特高压晶闸管,其动态特性和参数的一致性满足设计及应用要求.     

4H-SiC TSOB结势垒肖特基二极管的结构优化设计

室温下,沟槽底部有氧化物间隔的结势垒肖特基二极管的击穿电压达到2 009V,正向导通压降为2.5V,在正向偏压为5V时,正向电流密度为300A/cm2。在P型多晶硅掺杂的有源区生成双层SiO2间隔,以优化漂移区电场分布,正向导通压降为2.5V,击穿电压达到2 230V,耐压值提高11%。反向电压为1 000V时,反向漏电流密度比普通结构降低90%,有效地降低了器件的漏电功耗。普通结构的开/关电流比为2.56×103(1~500V),而改进结构的开/关电流比为3.59×104(1~500V)。     

注F MOSFET漏电流的辐照和退火行为

分析研究了不同偏置辐照和退火条件下，Ｐ沟和Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ的漏电流变化特性。结果表明，ＰＭＯＳＦＥＴ的辐射感生漏电流与栅偏压的依赖关系类似于辐照陷阱电荷的栅偏压关系；注ＦＰＭＯＳＦＥＴ的辐射感生漏电流增长小于未注Ｆ样品；ＮＭＯＳＦＥＴ辐照后漏电流随时间的退火呈现下降、重新增长和趋于饱和的特征，注Ｆ对退人过程中漏电流的重新增长有一定的抑制作用。     

3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管(SBD),所用4H-SiC外延材料厚度为35 μm、n型掺杂浓度为2× 1015cm-3.二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ· cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V.基于这种3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,SiC肖特基二极管为模块的续流二极管.模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807 μC,反向恢复时间为41 ns.与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗.     

电子辐照对AlGaN/GaN HEMT器件电特性的影响

采用能量为1 MeV的电子对几种不同结构的A1GaN/GaN HEMT器件进行了最高注量为8.575×1014 cm-2的辐照.实验发现:电子辐照后,最高注量下器件欧姆接触性能也几乎没有退化.辐照后来钝化器件的正反向栅电流有所增加,而且肖特基势垒高度随着辐照注量的增加而降低.几种结构HEMT器件的辐照结果表明,电子辐照后只有未钝化器件的特性有所退化,随着辐照注量增加,器件漏电流和跨导下降越明显,而且线性区退化大于饱和区,而阈值电压变化很小.分析表明,HEMT器件参数性能退化的主要原因是栅源和栅漏间隔区辐照感生表面态负电荷的产生.此外实验结果也说明SiN钝化、MOS结构和场板结构都是很好的抗辐照加固的手段.     

超低漏电流超快恢复SiGeC功率二极管研究

 提出一种超低漏电流超快恢复SiGeC p-i-n二极管结构.基于异质结电流输运机制,该SiGeC二极管实现了低通态压降下高电流密度的传输,改善了二极管的反向恢复特性,同时具有较低的反向漏电流.与少子寿命控制技术相比,该器件有效协调了降低通态电压、减小反向漏电流、缩短反向恢复时间三者之间的矛盾.对不同温度下器件反向恢复特性研究结果表明,SiGeC二极管的反向恢复时间与同结构SiGe二极管相比,350K时缩短了1/3,400K时缩短了40%以上,器件的热稳定性显著提高,降低了对器件后续制作工艺的限制,有益于功率集成.     

600 V-30 A 4H-SiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究

采用碳化硅外延和器件工艺制造了碳化硅肖特基(SBD)二极管,耐压超过600 V。正向压降为1.6 V时,器件电流达到30A。作为IGBT续流二极管,600 V碳化硅肖特基二极管和国际整流器公司的600 V超快恢复二极管(Ultra fast diode)进行了对比:125℃IGBT模块动态开关测试中,碳化硅二极管的反向恢复能耗比硅二极管节省90%,相应的IGBT开通能耗节省30%。另外反向恢复中过电压从40%降为10%,这是由于碳化硅的软度高,提高了模块的可靠性。     

混合P-i-N和异质结二极管的设计与仿真

设计了一个混合P-i-N和多晶硅/4H-SiC异质结的二极管结构(MPH diode)。当正向偏置时,异质结区在低电压下开启,随着正偏电压的不断加大,P~+4H-SiC区域注入少数载流子到漂移区,在异质结下就会有明显的电导调制效应。异质结部分的正向传导增强,即使在高电流密度时,大多数的电流运输也会通过异质结区,这样会使得正向压降和储存电荷之间有一个很好的折衷。当反向偏置时,沟槽MOS结构形成夹断,从而使器件有低漏电流密度和高阻断电压。采用仿真工具Silvaco TCAD来研究MPH二极管的电学特性。结果表明,MPH二极管有低正向开启电压(0.8V),而且当正向电压大于2.7V时,P-i-N区域导通,正向电流密度快速增大。与MPS二极管相比,MPH二极管同样可以工作在高压状态下(2 332V),并且有较小的反向漏电流和较好的反向恢复特性。     

1200V/100A高温大电流4H-SiC JBS器件的研制

基于SiC结势垒肖特基(JBS)二极管工作原理及其电流/电场均衡分布理论,采用高温大电流单芯片设计技术及大尺寸芯片加工技术,研制了1 200 V/100 A高温大电流4H-SiCJBS二极管.该器件采用优化的材料结构、有源区结构和终端结构,有效提高了器件的载流子输运能力.测试结果表明,当正向导通压降为1.60 V时,其正向电流密度达247 A/cm2(以芯片面积计算).在测试温度25和200℃时,当正向电流为100 A时,正向导通压降分别为1.64和2.50 V;当反向电压为1 200 V时,反向漏电流分别小于50和200μA.动态特性测试结果表明,器件的反向恢复特性良好.器件均通过100次温度循环、168 h的高温高湿高反偏(H3TRB)和高温反偏可靠性试验,显示出优良的鲁棒性.器件的成品率达70％以上.     

一种自动校准的低噪声放大器偏置电路

设计了一款用来偏置增强型和耗尽型A类低噪声放大器的电源芯片,通过自动校准外接放大器的栅压使其漏端电流保持恒定。芯片在温度、电源、工艺变化时实现了良好的偏置稳定性,并且避免了这些变化导致的放大器RF性能的退化。测试结果表明,它提供的漏压范围为4~12 V;漏电流范围为20~200 m A;漏电流随数字电源的变化率为0.79%、随温度的变化率为0.022%;漏电压随温度的变化率为0.07%。芯片内部集成负压电荷泵电路偏置耗尽型放大器,产生-2.45 V的电压。芯片使用0.25μm BCD工艺制造,面积为16 mm×1.6 mm。     

快速软恢复SiGe功率开关二极管的结构设计与特性分析

为了进一步提高SiGe/Si异质结功率开关二极管的性能,提出了一种SiGe功率开关二极管的新结构,用交替的p 、n 区形成的mosaic结构来代替原常规的n 区,关断时可同时为电子和空穴的抽取提供通道使阴极具有理想欧姆接触.该结构可大大提高开关速度,并获得很软的反向恢复特性及很低的漏电流.与常规p (SiGe)-n--n 功率开关二极管相比,反向恢复时间缩短了近2/3,反向峰值电流降低了约1/2,漏电流降低了约1个数量级.另外,嵌镶结构中p 区的厚度对器件性能有很大影响,调整p 区的厚度可实现器件的反向耐压能力和反向恢复特性之间很好的折衷.这种性能的改进无需采用少子寿命控制技术因而很容易集成于功率IC中.     

NMOS晶体管高剂量率下总剂量辐照特性研究

采用商用标准0.6μm体硅CMOS工艺设计了不同宽长比、不同沟道长度及不同版图结构的非加固型NMOS晶体管作为测试样品.经高剂量60Coγ射线的总剂量辐照实验,讨论其在不同栅源偏置电压下的总剂量辐照特性.研究表明NMOS总剂量效应对辐照时栅源偏置电压敏感;辐照引起阈值电压的漂移随W/L的变化不明显;沟道长度及版图结构对NMOS管辐照后的源漏极间泄漏电流的影响显著.