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1、功率快恢复二极管制造技术发展简述,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,用途：续流；整流,市场份额：大于IGBT,世界：25亿美金,中国：70亿元人民币,我国生产现状：,占主流的高端产品几乎全部进口,我国研究现状：,研发几百至几十ns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FRD和IGBT研发,功率快恢复二极管的地位,梗 概,一.绪论:快恢复二极管的用途与对它的性能要求二.快恢复二极管结构发展之一：PiN二极管结构发展三.快恢复二极管结构发展之二：PiN/肖特基结合二 极管结构发展四.过剩载流子寿命控制技术的发展五.制造功率快恢复二极管的半
2、导体材料的发展六.我国快恢复二极管产业技术现状七.结束语,一.绪论,快恢复二极管的用途与对它的性能要求,主要是续流二极管(FWD),电机调速逆变电路,主要应用例二：,开关电源降压电路,主要应用例一：,电机绕组(电感),+_,+_,D,R,C,L,V1,MOS管开关控制器,V2,续流,1.快恢复二极管主要用途,其次是整流二极管,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,t,tfr,tr,0.1IFM,0.9IFM,IFM,VF,1.1VF,0.25 I rM,VS,I rrM,trr,tb,ta,软度S=tb/ta,快而软恢复,慢而硬恢复,电流
3、,电压,VFM,决定S,决定IrrM,-,3.对快恢复二极管主要性能要求,1,常规PiN二极管（PiN 1950s)2,低损耗二极管（LLD 1976)3,静电屏蔽二极管（SSD 1984)4,场中止低损耗二极管（FS-LLD 2007)5,背注入空穴二极管（CIBH 2006)6,场抽出电荷二极管(FCE 2005)7,浮带区熔二极管（FZ-Diode 2008）8，超级结二极管（SJ-diode),快恢复二极管结构发展之一:PiN二极管结构发展,各种 PiN 二极管结构一览,SPEED,P+,(FS-LLD),1,常 规 PiN 二 极 管,以后 PiN二极管的发展史主要就是提高其折衷性能
4、的历史,特点:耐压高,可以按需要随心设计 几十V 6500V,2，低损耗二极管（LLD),3,静电屏蔽二极管（SSD,SPEED）,4,（场中止低损耗二极管，FS-LLD）,5,背注入空穴二极管 CIBH,6，场抽出电荷二极管（FCE）,阳极,FCE阴极,P,结构特点：FS-LLD结合CIBH,性能特点：反向恢复特软,7，浮带区熔二极管（FZ-Diode),P-,N-,N+,电子辐照,背面激光退火,FZ-Diode,FS-LLD,反向恢复浪涌电压（V),阳极电流(A),8,超级结二极管（SJ-Diode),四.快恢复二极管结构发展之二:PiN/肖特基结合二极管结构发展,序：肖特基势垒二极管(S
5、BD),各种PiN/肖特基结合二极管结构一览,1,PiN/肖特基结合二极管(MPS),MPS,PiN,PiN,MPS,SBD,PiN,电流密度（A/cm2),反向恢复电流峰值（A）,MPS,PiN,存储电荷(uC/cm2),正向压降（V）,正向压降（V）,正向压降（V）,2,沟槽氧化物PiN/肖特基二极管（TOPS）,空穴浓度,TOPS,MPS,离阳极距离,主要优点：反向恢复电流峰值 小,TOPS1,MPS,TOPS2,PiN,IGBT开通波形比较（匹配不同续流二极管时）,IGBT开通峰值电流依次减小,续流管,（叠加在上面的二极管反向恢复电流减小的原因）,3，软快恢复二极管(SFD),N-,N
6、+,P,肖特基结,N-,Al-Si电极,Al-Si电极,PiN 肖特基 SFD,N,N+,n,E,N,P,P,P,结构特点,中部重掺杂,反向恢复末期耗尽层扩展慢,性能特点,反向恢复 软,反向恢复电流峰值低，浪涌电压小,MPS阳极,4,中部宽缓冲层二极管（MBBL）,肖特基结,1.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,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）,（2）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,有技术诀窍可得到优异二极管性能,五.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
7、分布,2，轴向局域载流子寿命控制技术,（1）优越性：,P+N D N N+N+,IrrM,NO.1,NO.2,（2）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,氢离子注入（有N型掺杂效应；缺陷产生效率较低）,氦离子注入,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SEMI LAB.的CAL系列,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,北工大正研究注入缺陷转化为纳米空腔来解决,六.制造FRD用半导体材料的发展,新材料快恢复二极管的性能优越性,七.二极管制造工艺平台的类别,第一类：深结台面工艺，单晶片，圆片或方片,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,第二类：浅结平面工艺,精细光刻，离子注入,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,(1)外延片（FRED)：本报告所涉及的基本都是(除以下几种）,(2)区熔单晶片：晶片便宜，FCE，CIBH,FZ-Diode,1，地位重要，用量大,2，技术难点多，制造难度大,3，国内重视还不够，外延平面制造技术几乎未用,占主流的高档产品不能做，目前利润空间大,功率快恢复二极管：,八.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,谢谢!,
