高效應用的增強型第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應用領域，如馬達控制系統(tǒng)和功率逆變單元等，實現(xiàn)了成功應用。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計留出了更多空間。為了滿足更廣泛領域?qū)τ诟吖β拭芏鹊男枨?，先進的CAL4技術被擴展到了650V和1700V等級。

在所有電壓等級上都已經(jīng)采用了的、創(chuàng)新的終端結構，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）和反向恢復過程的軟開關特性。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域使用的功率模塊（例如：SKiiP4、MiniSkiiP、SEMiX、SkiM、SEMiTRANS等），這些領域有風能發(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)化設計的。這2個型號將在隨后詳細討論。

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頻率的模塊所設計，最高結溫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)建了通體均勻的復合中心區(qū)，更重要的是，還在p／n結的附近創(chuàng)建了高濃度的復合中心區(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構（見圖1），其中的多晶層使結的終端免受環(huán)境的影響，如氣氛及污染。P^＋摻雜保護環(huán)與金屬場板、以及氧化／多晶鈍化層的結合保證了終端結構允許高的結溫。這種終端結構已經(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溫T_jmax=175°C及95％的穩(wěn)態(tài)阻斷電壓下，試驗周期1000小時。