高效應(yīng)用的增強型第4代CAL二極管

1引言

2008年，第4代1200V的CAL（Controlled Axial Lifetime）續(xù)流二極管在一些先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域，如馬達(dá)控制系統(tǒng)和功率逆變單元等，實現(xiàn)了成功應(yīng)用。與前一代二極管相比，CAL4二極管芯片每單位面積的電流提高了30%以上，電流密度的提高意味著有效電流的增加，這就給功率模塊的設(shè)計留出了更多空間。為了滿足更廣泛領(lǐng)域?qū)τ诟吖β拭芏鹊男枨?，先進(jìn)的CAL4技術(shù)被擴(kuò)展到了650V和1700V等級。

在所有電壓等級上都已經(jīng)采用了的、創(chuàng)新的終端結(jié)構(gòu)，提供了175°C條件下的高穩(wěn)定性和高可靠性。此外，增強型第4代CAL650V和1700V二極管，同樣也包含1200V，提供了抵御環(huán)境影響，如高濕和高溫時極高的穩(wěn)定性，這就滿足了現(xiàn)代功率電子在嚴(yán)酷氣候條件下，高可靠性工作的日益提高的要求。新一代二極管顯示了正溫度系數(shù)的通態(tài)特性（這對于二極管并聯(lián)十分重要）和反向恢復(fù)過程的軟開關(guān)特性。這些突出性能使新一代二極管特別適用于在一些最尖端領(lǐng)域使用的功率模塊（例如：SKiiP4、MiniSkiiP、SEMiX、SkiM、SEMiTRANS等），這些領(lǐng)域有風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電裝置、電動汽車功率系統(tǒng)、以及功率逆變單元等。

2增強型第4代CAL二極管

半導(dǎo)體市場上在介紹一個新型IGBT的同時，也需要有CAL二極管的新介紹。幾種額定電流為I_F=150A的第4代CAL二極管的主要靜態(tài)電性能和機(jī)械性能數(shù)據(jù)見表1。

CAL4 F二極管的低通態(tài)壓降保證了盡可能低的靜態(tài)和動態(tài)損耗，并使650V新型IGBT能夠在一個較寬的頻率范圍（3kHz~16kHz）內(nèi)有效的關(guān)斷。

為了針對不同的IGBT特性調(diào)整適合的靜態(tài)和動態(tài)損耗，第4代CAL 1200V二極管派生出了2個新系列。CAL4F（F：fast）1200V是專為第4代低功率溝槽場終端IGBT而設(shè)計的，工作頻率8kHz以上。而CAL4 HD（HD：high density）1200V二極管則是為中功率IGBT、工作頻率8kHz以下優(yōu)化設(shè)計的。這2個型號將在隨后詳細(xì)討論。

表 1 CAL4 F (650V, 1200V, 1700V) 和 CAL4 HD (1200V)二極管的主要靜態(tài)電性能和機(jī)械性能數(shù)據(jù)

與CAL4 F 650V類似，CAL4 F 1700V的通態(tài)壓降也是專為各種不同開關(guān)頻率的模塊所設(shè)計，最高結(jié)溫T_jmax=175°C，存儲溫度（-40°C~175°C）對所有阻斷電壓等級都一樣。一些技術(shù)要點將在接下來的章節(jié)中討論。

2.1新型二極管芯片技術(shù)與可靠性

CAL二極管是一種平面PIN器件，具有高摻雜的p⁺發(fā)射極、輕摻雜的n^－基區(qū)、以及兩階梯n^＋陰極區(qū)。高摻雜的n^＋區(qū)、陰極金屬化的歐姆接觸、以及n^－基區(qū)寬度與陰極濃度分布的優(yōu)化都導(dǎo)致通態(tài)電壓的降低。

軸向載流子壽命用電子輻照加He^＋＋離子輻照^[1]控制，這種壽命控制方法不但在二極管的體內(nèi)創(chuàng)建了通體均勻的復(fù)合中心區(qū)，更重要的是，還在p／n結(jié)的附近創(chuàng)建了高濃度的復(fù)合中心區(qū)。

在前幾代的二極管中，鈍化層由玻璃沉積形成，限制了最高結(jié)溫只能到150°C。由于這個原因，Semikron提出了一種由高穩(wěn)定的氧化層和多晶層組成的鈍化結(jié)構(gòu)（見圖1），其中的多晶層使結(jié)的終端免受環(huán)境的影響，如氣氛及污染。P^＋摻雜保護(hù)環(huán)與金屬場板、以及氧化／多晶鈍化層的結(jié)合保證了終端結(jié)構(gòu)允許高的結(jié)溫。這種終端結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明在T_jmax=175°C下具有高的熱穩(wěn)定性和可靠性。

為了證實熱穩(wěn)定性而進(jìn)行了加速可靠性試驗。這種高溫反偏（HTRB）試驗使二極管處于最高結(jié)溫T_jmax=175°C及95％的穩(wěn)態(tài)阻斷電壓下，試驗周期1000小時。