两种新结构SiGe/Si功率二极管特性模拟

提出了在 n- 区中采用掺杂浓度三层渐变式结构 Si Ge/Si功率二极管及台面结构的 Si Ge/Si功率二极管。由 Medici模拟所得的特性表明 ,在采用 n- 区渐变掺杂结构的 p+ ( Si Ge) -n- -n+ 功率二极管中 ,在正向特性基本不发生变化的前提下 ,与 n-区固定掺杂结构相比反向恢复过程加快 ,二极管下降时间 t A 缩短近 1 /2 ;在采用台面结构的 p+ ( Si Gi) -n- -n+功率二极管中 ,反向恢复特性也有明显改进 ,电流反向恢复时间缩短近 1 /3 ,而电压反向恢复时间缩短近 1 /2。     

6H-SiC基混合肖特基/PiN二极管反向恢复及少子特性研究北大核心CSCD

反向恢复特性是衡量混合肖特基/PiN(MPS)二极管开关性能最重要的参数之一。本文对6H-SiC基MPS二极管结构参数与反向恢复峰值电流、反向恢复电压之间的关系进行了数值模拟仿真,分析了器件关断过程中过剩少数载流子分布,以此就6HSiC基MPS器件结构参数对反向恢复特性的影响进行了研究。结果表明:结构参数P+区结深、P+区掺杂浓度的增加,或肖特基区占比的减小,均会引起反向恢复峰值电流、反向恢复峰值电压的增大。究其根本,是器件结构参数改变引起了漂移区下少数载流子发生产生、复合、抽运等一系列变化。综合考虑反向恢复峰值电流、反向恢复峰值电压与软恢复特性,得出6H-SiC基MPS最佳优化参数:P+结深为3.8~4.0μm,肖特基区的占比为48%~56%,P+掺杂浓度为5.0×1018/cm3。     

一种新型渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC/Si功率二极管

将新器件结构与新型半导体材料相结合,提出了一种新型的n-区三层渐变掺杂理想欧姆接触型p (SiGeC)-n-n 异质结功率二极管,并对n-区的杂质分布梯度进行了优化.基于MEDICI,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上对新结构的设计思路和工作原理进行了全面分析.结果表明,与常规理想欧姆接触结构相比,该新结构在保持快而软反向恢复特性的前提下,反向阻断电压增加了近一倍,而且正向通态特性也有所改善,很好地实现了功率二极管中Qs-Vf-Ir三者的良好折中.     

一种新型渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC/Si功率二极管

将新器件结构与新型半导体材料相结合,提出了一种新型的n-区三层渐变掺杂理想欧姆接触型p+(SiGeC)-n-n+异质结功率二极管,并对n-区的杂质分布梯度进行了优化.基于MEDICI,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上对新结构的设计思路和工作原理进行了全面分析.结果表明,与常规理想欧姆接触结构相比,该新结构在保持快而软反向恢复特性的前提下,反向阻断电压增加了近一倍,而且正向通态特性也有所改善,很好地实现了功率二极管中Qs-Vf-Ir三者的良好折中.     

超结硅锗功率二极管电学特性的研究

超结SiGe功率开关二极管可以克服常规Si功率二极管存在的一些缺陷,如阻断电压增大的同时,正向导通压降也将增大,反向恢复时间也变长。该新型功率二极管有两个重要特点:一是由轻掺杂的p型柱和n型柱相互交替形成超结结构,代替传统功率二极管的n-基区;二是p+区采用很薄的应变SiGe材料。该器件可以同时实现高阻断电压、低正向压降和快速恢复的电学特性。与相同器件厚度的常规Si功率二极管相比较,反向阻断电压提高了42%,反向恢复时间缩短了40%,正向压降减小了约0.1V(正向电流密度为100A/cm2时)。应变SiGe层中Ge含量和器件的基区厚度是影响超结SiGe二极管电学特性的重要参数,详细分析了该材料参数和结构参数对正向导通特性、反向阻断特性和反向恢复特性的影响,为器件结构设计提供了实用的参考价值。     

一种新型低阳极发射效率快恢复二极管

采用局域注入p型离子和高温推结的方式得到高掺杂p+区和低掺杂p-区规律性的浓度梯度变化,研制了新型低阳极发射效率二极管.与常规结构二极管相比,此结构在工艺实现时,制造工艺条件、掩模版数量保持不变,只需设计高掺杂p+区和低掺杂p-区层次掩模版图案,即可实现发射极注入效率的自调节,制造成本低;其反向恢复电荷减小了30.4％,反向电流峰值减小了29％,反向电压峰值减小了6.7％,反向恢复时间减小了11％,开关器件的工作损耗降低,折衷性能更加优良;在VF基本相当的情况下,反向恢复软度特性更优.     

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.     

SiGeC/Si功率二极管的数值模拟与分析

将SiGeC技术应用于功率半导体器件的特性改进,提出了一种新型p (SiGeC)-n--n 异质结功率二极管结构.在分析SiGeC合金材料物理特性的基础上,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上利用MEDICI模拟,对比分析了C的引入对器件各种电特性的影响.此外,还模拟比较了不同p 区厚度对器件反向漏电流的影响.结果表明:在SiGe/Si功率二极管中加入少量的C,在基本不影响器件正向I-V特性和反向恢复特性的前提下,大大减少了器件的反向漏电流,并且C的加入还减小了器件特性对材料临界厚度的依赖性,提高了器件稳定性.     

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。     

SiGeC/Si功率二极管的数值模拟与分析

将SiGeC技术应用于功率半导体器件的特性改进,提出了一种新型p+(SiGeC)-n--n+异质结功率二极管结构.在分析SiGeC合金材料物理特性的基础上,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上利用MEDICI模拟,对比分析了C的引入对器件各种电特性的影响.此外,还模拟比较了不同p+区厚度对器件反向漏电流的影响.结果表明:在SiGe/Si功率二极管中加入少量的C,在基本不影响器件正向I-V特性和反向恢复特性的前提下,大大减少了器件的反向漏电流,并且C的加入还减小了器件特性对材料临界厚度的依赖性,提高了器件稳定性.     

Power bipolar transistors with a fast recovery integrated diode

We have integrated a fast recovery diode in the structure of a power bipolar transistor. This integral diode is physically connected between the emitter and the collector of the transistor and can be used as a free-wheeling diode in power switches. Selective reduction of the minority carrier lifetime in the region of the diode was realized by Pt implantation in the diode area followed by an optimized thermal process that limits the lateral diffusion of the metal atoms. Using this metal doping a reduction by a factor of 10 of the reverse recovery charges of the integrated diode is obtained without affecting significantly the current carrying capability of the transistor     

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。     

MPS二极管的少子特性仿真

混合pin/肖特基(MPS)二极管是广泛应用于电子电路中的快恢复功率器件,具有高击穿电压、快速开关和正向电流大等特性。对MPS二极管漂移区的少数载流子的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,MPS二极管的p^+区向漂移区注入的少数载流子浓度随外加正向电压和pn结面积占元胞总面积比例的增大而增大。虽然漂移区的少数载流子改变了MPS二极管的工作模式,增大了电流,但是存储在漂移区的少数载流子增大了反向峰值电流和恢复时间,进而增大了功耗并降低了关断速度。折中考虑正向电流和反向恢复特性,可获得具有正向电流大、反向峰值电流小和反向恢复时间短的MPS二极管。     

新型阶梯变掺杂SiC漂移阶跃恢复二极管

漂移阶跃恢复二极管(DSRD)一般应用于超宽带脉冲信号源,可以将纳秒级高压脉冲换向负载,这对于输出脉冲的上升前沿有很高的要求。文章提出了一种具有基区变掺杂的新型宽禁带材料漂移阶跃恢复二极管,将传统的基区掺杂变为阶梯式的浓度分布,基区内形成由浓度差导致的内建电场,该内建电场在DSRD放电回路反向泵浦阶段调节载流子分布,并加速载流子抽取。利用Sentaurus TCAD进行了器件电路联合仿真。结果表明,在具有相同峰值的电压情况下,新结构器件的正向注入结束时空穴最大速度较传统结构提升了29%,电压上升率为19.7 kV/ns,较传统结构(15.8 kV/ns)提升了25%。新结构使反向泵浦阶段的时间降低,输出的电压脉冲前沿的上升率更大,且工艺流程只需调节外延时的气体剂量,工艺上可实现。     

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.     

4H-SiC结势垒肖特基二极管VRSM特性研究

通过器件模拟仿真软件Sentauras和高分辨率透射电子显微镜（High-Resolution Transmission Electron Microscopy ,简称HRTEM）研究了4H-SiC结势垒肖特基二极管（Junction Barrier Schottky ,简称JBS）在反向浪涌电压应力作用下的失效机理;进而重点研究了结终端扩展区（Junction Termination Extension ,简称JTE）的长度、深度和掺杂浓度对该器件反向浪涌峰值电压（Maximum Surge Peak Reverse Voltage ,简称VRSM）的影响,并结合JBS的基本结构对其进行优化设计;最后,流片测试显示优化设计的4H-SiC结势垒肖特基二极管的VRSM值约为1450V,比原器件提升了20%左右。