高能电子辐照和扩铂及其结合对FRD电特性影响及机理研究

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快恢复二极管(FRD)作为开关器件被广泛应用于电力电子系统中。由于功率半导体受控开关器件速度的提高,就要求与之反并联的二极管具有更短的反向恢复时间。寿命控制技术是实现这一目标最有效的方法之一,而在器件制造中,最常用的具体工艺就是电子辐照和扩铂。本文结合电特性测量和DLTS(深能级瞬态谱)测试,对单独采用这两种手段制作的1200V FRD,以及将二者结合制作的样管(称为结合寿命控制FRD)进行了分析,探讨了缺陷能级影响器件电性能的内在机理。实验中,还发现了结合寿命控制FRD的一种样品中存在一个新能级,对其正向压降及其温度特性起决定性作用。具体内容和结果如下:  1.对高能电子辐照(10MeV)进行了研究,通过DLTS测试发现两个主要的缺陷能级。不同于低能辐照的是,高能辐照感生的缺陷能级中,靠近禁带中心的能级缺陷浓度远大于靠近导带底的能级,这导致相应的FRD样品漏电流偏大(经推算,比文献中1.5MeV辐照样品大约20倍)。  2.对上述高能电子辐照和扩铂的FRD样品在静态和动态特性等方面进行了对比,结果表明,扩铂器件随扩铂温度的增加击穿电压增大,而电子辐照样品的击穿电压则受辐照剂量影响不明显。前者的反向恢复时间trr和反向峰值电流更小,软度更大,但是导通压降VF大。后者的trr-VF折中特性更好,但是反向漏电流过大,在125℃下高达2.1mA/cm2。因此就本文所比较的这两种具体工艺而言,扩铂器件具有更优的综合性能。  3.对封装好的扩铂器件进行电子辐照,得到了结合寿命控制FRD。对扩铂、高能电子辐照和结合寿命控制FRD的VF及其温度特性进行测试,发现电子辐照器件呈现正温度特性;扩铂器件呈现电压负温度特性;但结合寿命控制器件并非前两种的简单冲抵,而是也呈现电压负温度特性,并且随电子辐照剂量的增加温度系数反而劣化。  4.对结合寿命控制FRD的一种样品进行了DLTS分析,在测出的3个能级中,没有发现单独扩铂时所形成的能级,其中有2个与单独电子辐照时形成的能级相符,而第3个能级E6(距导带底0.376eV)则是一个既不属于铂也不属于电子辐照的新能级。进一步的分析表明,新能级E6的出现是引起VF变大并且呈现负温度特性的主要原因。这部分地解释了前述的结合寿命控制器件VF及其温度系数的测试结果。  综上,本文分析了两种常用寿命控制技术及其结合技术对FRD电性能——尤其是VF及其温度特性——的影响,探讨了其内在机理,并发现了新能级。这些结果为后续的器件优化提供了很好的基础数据和理论依据。
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