摘要：傳統的快恢復二極管，為了縮短反向恢復時間，通常采用電子輻照來減小基區的少子壽命，但電子輻照在降低器件的反向恢復時間的同時，也使得其通態壓降增大。本文采用雙質子輻照的局域壽命控制的方法，利用 SILVACO 軟件對二極管特性進行仿真研究，討論局域低壽命區在二極管中的不同位置，對快恢復二極管的反向恢復電流，反向恢復軟度因子，以及通態壓降的影響，為快恢復二極管的實際生產提供理論依據。

1 引言

在高電壓大電流回路中，開關器件主要采用具有自關斷能力的功率半導體器件，如 GTO，MOSFET，IGBT 或者采用使用外部電流觸發關斷的晶閘管，這些開關器件工作時需要與之并聯一個功率快恢復二極管，主要用來通過電路負載中的過剩電流，與負載形成環路，減小開關器件中電容上電荷的存儲與消失時間，減弱由負載電流反向導致寄生電感感應出的高電壓，延緩了開關器件的老化，增加了器件使用壽命[1]。

因此，這就要求快恢復二極管軟度因子 S 大，反向恢復時間 trr 短，反向恢復電流 Irr 小。長期以來都是采用整體壽命控制技術，如擴金、擴鉑、電子輻照等技術，但是這些技術在降低器件的反向恢復時間的同時，也使其導通壓降和反向漏電流增大。隨著研究的深入，局域壽命控制技術作為新的壽命控制技術受到廣泛關注。局域壽命控制技術是當今國際壽命控制技術研究的前沿[2]。

局域壽命控制技術是在 FRD 內有選擇性地引入復合中心，形成局域低壽命區。用氫離子或氦離子進行離子注入，在不同能量時就會在不同深度處（射程末端附近）產生高濃度缺陷，從而形成局域低壽命區[3,4]。局域壽命控制技術可以有效解決快恢復二極管的反向恢復時間與導通壓降、反向恢復時間與漏電流之間的沖突。本文利用 SILVACO 軟件對PIN 二極管進行雙質子輻照仿真分析，討論了不同能量下低壽命區的位置對 PIN 二極管的靜態和動態特性的影響。

2 PIN二極管反向恢復特性原理分析

在 t0 時刻給正向導通的 PIN 二極管施加反向電壓，其電流電壓波形如圖 1 所示，期間基區等離子分布曲線如圖 2 所示。反向恢復過程分為以下幾個階段。

階段 1（t0～t1）：流過二極管的電流以幾乎恒定的變化率 di/dt 變化，di/dt 的大小取決于所施加的反向電壓 VDC 和電路中的寄生電感 Li。因為 di/dt 很高，t0～t1 之間的時間間隔非常短，因此當電流過 0 時（t1），二極管內還有大量的非平衡載流子。

階段 2（t1～t2）：在電流過 0 之后，n- 區內過量載流子仍然使二極管處于導通狀態，二極管上的電壓仍然很小。因而電流 I(t) 繼續以相同的 di/dt 速度增加。反向電流是依靠抽取 n- 區非平衡載流子來維持的，在非平衡載流子抽取的過程中，空穴通過陽極排出，電子通過陰極排出，這使得 n- 區兩個邊緣處的等離子濃度迅速衰減。

階段 3（t2～t3）：在 t2 時刻，pn- 結處的等離子濃度下降到 0，因此在 pn- 結處能夠形成耗盡層。簡單說，該階段即是耗盡層擴展的過程，在 t3 時刻，二極管上的電壓達到 VDC，di/dt 下降到 0。反向恢復電流達到最大值，被稱為反向恢復峰值電流 Irr。

階段 4（t3～t4）：在 t4 之后，空間電荷區邊界處的非平衡載流子濃度梯度將降低。因此，t3 之后反向電流將減小，與此相關的電流變化率稱為恢復 di/dt。負 di/dt 使電感 Li 建立負電壓，這導致二極管出現過電壓。

階段 5（t5～t6）：等離子的耗盡使反向電流下降至 0，恢復 di/dt 降低，因此二極管上的電壓又降回VDC。在 t6 時刻，反向恢復過程結束。

將反向峰值電流 Irr 與 0.25 Irr 兩點的連線在時間軸上的交點稱為時刻 t5，將 t0 時刻到 t5 時刻這段時間稱為反向恢復時間 trr。t1～t3 為基區中存儲的非平衡載流子被反向電壓掃出的時間，稱為非平衡載流子存儲時間 ta。從 t1 到 t2 這段時間稱為復合時間 tb。表征二極管反向恢復軟度的方法通常是用 tb 與 ta 之比表示，即 S = tb/ta [5]。

二極管主要動態參數：Irr，trr 和 S。通過前面的分析可知，要減小 Irr 和 trr，同時增大 S，并盡可能減小正向通態壓降。應使基區具有理想狀態的等離子分布，即左側的等離子濃度盡可能低，右側等離子濃度盡可能高，如圖 2 所示。采用如圖 3 [6]所示的兩種不同能量的質子輻照所得到的軸向載流子壽命分布可使基區具有如圖 2 所示的理想等離子分布。

3 結構參數的確定

FRD 的結構如圖 4 所示， N- 層摻雜濃度為2×1014 cm-3，N- 層寬度為 90μm，N+ 區的深度為 60μm，摻雜濃度為 5×1019 cm-3。P+ 區的結深為 50μm，摻雜濃度為 1×1019 cm-3。

文獻表明：雙峰質子輻照更有利于 FRD 反向恢復特性的改進[7]。本文采用兩次質子輻照，形成雙峰陷阱區，一個峰值陷阱區位于 N- 區，一個峰值陷阱區位于 P+ 區，并對質子輻照的相關參數對FRD 特性的影響進行仿真分析。

4 仿真工具與模型選擇

本研究所用的仿真工具是 Silvaco 軟件中的ATLAS 器件仿真器。根據研究需要選擇的物理模型有肖克萊-里德-霍爾復合模型（SRH）；重摻雜時禁帶寬帶變窄模型（BGN）；大注入條件下的俄歇復合模型（AUGER）；平行電場對載流子遷移率影響的遷移率模型（FLDMOB）；碰撞電離模型（IMPACT SELB）。其中，肖克萊-里德-霍爾復合模型為：

（1）

其中，ETRAP 是復合中心能級與本征費米能級之間的差值；TL 為開爾文溫度下的晶格溫度；TAUN0，TAUP0 分別為電子和空穴的壽命。

5 質子輻照的仿真分析

質子輻照的深度取決于輻照的能量，輻照劑量控制在 1×1011～5×1014 cm-2 范圍內[8]，本文通過控制輻照的能量來仿真不同輻照位置對二極管特性的影響，本文選定的輻照劑量為 1×1012 cm-2。

5.1 輻照深度對快恢復二極管軟度因子的影響

軟度因子是衡量二極管反向恢復特性的重要參數，為了實現二極管的軟恢復就要求在反向恢復末期（t3～t6），在靠近陰極的漂移區內還有大量的非平衡載流子使得反向恢復特性曲線有一個較長的拖尾，即 di/dt 較小，曲線變化緩慢。

輻照從陽極區進入，由前面分析，設置第一次輻照深度的范圍在漂移區，即輻照的深度在 50～140μm，第二次輻照深度的范圍在陽極區，即輻照的深度在 0～50 μm。

圖 5 為測試條件為 IF = 5A，VR=30V，di/dt= 200 A/μs 的情況下，第二次深度分別為 10、20、30、40、50 μm 時，軟度因子與第一次輻照深度的關系。從圖 5 可知，當第一次輻照深度為 120 μm，第二次輻照深度為 20 μm，軟度因子最大為 2.06。

P+ 陽極區通過質子輻照，引入復合中心，可以降低陽極注入效率。N- 漂移區內通過質子輻照，降低了 N- 區左側的壽命。兩次質子輻照均降低了漂移區左側的等離子濃度，使載流子分布趨近于如圖 2 所示的理想化，這使 t1～t3 的時間間隔（tb）縮短。由于質子輻照只降低了 N- 區左側的壽命，右側的壽命仍保持較高的值，因此 t3～t4 之間的時間間隔（ta）不會因為質子輻照而縮短，因此軟度因子較大。

5.2 輻照深度對快恢復二極管反向恢復峰值電流的影響

圖 6 為測試條件為 IF =10 A，VR =100 V，di/dt = 200 A/μs時，第二次深度分別為 10、20、30、40、50 μm 時，反向恢復峰值電流的大小與第一次輻照深度的關系。

從圖 6 中可以看出，當第一次輻照深度為60μm，第二次輻照深度為 30μm 時，反向恢復峰值電流最小，為 16.6 A。當第一次輻照深度為 120μm，第二次輻照深度為 20μm 時，反向恢復峰值電流為 32 A。兩次輻照的位置越靠近 PN 結，漂移區靠近陽極區側的存儲電荷量越小，反向恢復過程中陽極側抽取的載流子數量減小，使得反向恢復峰值電流減小。

5.3 質子輻照的能量對 FRD 通態壓降的影響

在正向導通電流密度為 100 A/cm2 條件下，提取出不同質子輻照深度對應的快恢復二極管正向導通壓降，圖 7 為第二次深度分別為 10、20、30、40、50 μm 時，正向導通電壓的大小與第一次輻照深度的關系。

當第一次輻照深度為 120 μm，第二次輻照深度為 20μm 時，二極管的導通電壓為 1.18 V。遠小于全區域降低壽命的正向壓降。

6 結語

本文通過雙質子輻照對 FRD 特性影響研究，得出以下結論：在保證質子輻照劑量不變的條件下，通過調整質子輻照的輻照深度來實現在 P+ 陽極區和 N- 漂移區分別引入局域低壽命區。通過分析，雙質子輻照的能量分別為 3.3 MeV 和 0.8 MeV，對應的質子輻照的輻照深度分別 120μm 和 20μm 時，FRD 的特性最佳。