車用功率二極管動態(tài)雪崩擊穿特性仿真分析

鄧 杰，關艷霞，劉 勇，劉 亭，王卉如

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

電動汽車的電路工作電壓約300 V，當汽車發(fā)電機由于一些意外原因拋負載時，感性電圈將會產(chǎn)生非常大的感生電動勢，如此高的電壓會損壞汽車集成電路，導致車用電子產(chǎn)品失效[1-2]。大部分電動汽車的電機驅動都采用反向并聯(lián)了快恢復二極管的IGBT作為開關功率器件。當由于拋負載等原因出現(xiàn)瞬態(tài)反向浪涌電壓時，為確保開關管不被擊穿，二極管往往需要承受高電壓帶來的動態(tài)雪崩[3-6]。對于高壓雪崩二極管的動態(tài)雪崩損壞機理，目前國際上較為一致的看法是：雪崩二極管進入嚴重的動態(tài)雪崩，會形成相對固定的電流絲。相對固定的電流絲會引起嚴重的局部溫升，使器件進入本征激發(fā)狀態(tài)，最終對器件造成不可恢復性的損傷[7]。一般中小型二極管皆采用腐蝕P型面的斜面終端結構的二極管，在此，也將通過Silvaco TCAD軟件的仿真對斜面終端結構的二極管的損壞機理做更深一步的研究。

2 器件結構與參數(shù)設計

針對電動汽車設計一個反向阻斷電壓為1000 V的二極管。主要考慮以下幾個因素：

1、為了提高雪崩功率，選擇二極管結構為非穿通結構；

2、為了能夠承擔更大雪崩電流，采用斜面終端結構；

3、通過調節(jié)結構參數(shù)，使反向電流密度盡可能分布均勻，有利于提高雪崩耐量[8]。

雪崩擊穿電壓的經(jīng)典估計可由下式表示：

式中，C0根據(jù)不同的工藝在94～106的范圍內(nèi)選取，此處取值100。

發(fā)生雪崩擊穿的耗盡層在漂移區(qū)一側展寬為:

上式A取0.531，防止二極管穿通，使WN＞Xm，有WN=1.2Xm。在實際設計中一般留有余量，一般取VRRM=0.9 VB。

綜合以上計算，可得出1200 V非穿通型二極管的各項參數(shù)：漂移區(qū)電阻率ρn0=22.60Ω·cm，進而可得ND=1.6×1014cm-3、Xm=87.5μm，算出WN=105μm；P區(qū)結深取50μm，摻雜濃度Np=2×1018cm，襯底厚度取5μm，摻雜濃度Nn+=2×1018cm-3。

由于二級管在工藝形成的過程中，都是從P型面開始腐蝕的，最終形成的具有斜面終端結構的二極管即如圖1所示。

圖1 斜面終端結構二極管示意圖

3 器件模型建立與仿真

按照以上計算確定的結構參數(shù)，用Silvaco TCAD軟件二維工藝仿真功能建立器件結構模型。工藝過程具體如下：

1）襯底初始化，設置硅襯底含磷雜質濃度為2×1018cm-3，晶向為＜100＞。

2）在1200℃的高溫環(huán)境下淀積30分鐘，對硅生長外延，外延長度為180μm，摻雜磷，濃度為1.6×1014cm-3。

3）在1250℃高溫充滿氮氣的環(huán)境下擴散20小時，擴散過程中摻雜鎵，濃度為2×1018cm-3。

4）在二極管兩端增加鋁電極，并設置電極屬性。

5）在二極管的正極側進行刻蝕，刻蝕出斜角。

通過Silvaco TCAD軟件二維工藝仿真建模的最終結構如圖2所示。從上到下依次是P區(qū)，N-區(qū)和N+區(qū)，右上角為刻蝕掉的斜角。

圖2 斜面終端結構二極管仿真結構圖

4 動態(tài)雪崩損壞機制仿真分析

4.1 動態(tài)仿真測試電路

上述仿真出的斜面終端結構二極管的反向恢復測試電路圖如圖3所示。其中D是具有斜面終端結構的待測二極管；Lσ是寄生電感；R是寄生電阻；直流偏置電壓VDC=1400 V；電流源IF為二極管D提供偏置電流。反向恢復過程分為兩個階段：第一階段開關S斷開，電流源IF提供50 A的偏置電流，此時大量的空穴和電子注入到二極管的基區(qū)使二極管處于穩(wěn)定的正向導通狀態(tài)；第二階段開關S閉合，直流電壓VDC提供電壓使二極管開始進入反向恢復階段，而動態(tài)雪崩就發(fā)生在這個階段。

圖3 二極管反向恢復測試電路

4.2 電場分布仿真分析

器件模型在發(fā)生熱擊穿和未發(fā)生熱擊穿兩種情況下的電場分布的仿真結果如圖4為示。

圖4 二級管電場分布仿真圖

圖4(a)為發(fā)生雪崩擊穿二級管的電場分布，可以看出，發(fā)生熱擊穿的二極管的電場分布隨時間增加出現(xiàn)了一級雪崩超過臨界電場的電場分布、二級雪崩的S型電場分布，以及最終的三級雪崩的雙峰電場分布。由于NN+結耗盡區(qū)的電場和P+N結耗盡區(qū)的電場對載流子漂移運動的作用形成了兩個結碰撞電離的正反饋，導致了電流的局部集中，形成了電流絲，最后導致了二極管的熱擊穿。圖4(b)為未發(fā)生熱擊穿二級管的電場分布，從中可以看出，未發(fā)生熱擊穿的二級管出現(xiàn)了從一級雪崩電場分布到二級雪崩電場分布再到一級雪崩電場分布的情況，說明二極管雖然在二級雪崩時出現(xiàn)了電流絲，但是由于電流絲可以移動，并不會造成二極管熱擊穿損壞，最終順利完成了反向恢復。

當雪崩擊穿發(fā)生時，獲取二極管體內(nèi)和斜角邊緣處的電場分布進行對比，仿真結果如圖5所示。

圖5 被擊穿二極管體內(nèi)和邊緣電場分布

斜角邊緣處的電場強度高于體內(nèi)的電場強度，因此斜角邊緣先發(fā)生三級雪崩，造成電流密度集中于邊緣處，從而邊緣處發(fā)生熱擊穿損壞。

4.3 電流密度分布仿真分析

仿真得到的二極管在反向恢復過程中的電流密度分布如圖6所示。恢復過程可分為三個階段：

圖6 二極管反向恢復過程電流密度分布

第一階段：3.3199×10-7s～3.58609×10-7s。該階段是反向恢復初期，陽極側不斷抽取空穴，由于電子濃度遠小于空穴濃度，所以電流密度主要集中在陽極側。此階段為一級雪崩階段。

第二階段：4.79554×10-7s～4.82389×10-7s。從這一階段開始，電流密度逐漸增大，由于陽極側的面積小于陰極側，在陰極發(fā)生雪崩電離的載流子大部分不能橫向移動，只能向陽極方向縱向移動，使載流子堆積到斜角處，出現(xiàn)斜角處電流密度集中的現(xiàn)象。但此時內(nèi)部的載流子不斷移動，沒有造成電流密度過于集中而發(fā)生熱擊穿損壞。此階段為二級雪崩階段。

第三階段：4.85347×10-7s～4.92501×10-7s。隨著動態(tài)雪崩的不斷深入，內(nèi)部載流子不再發(fā)生移動，導致斜角位置的電流密度增加形成電流絲，且電流絲長時間存在導致了熱量增加，從而使二極管出現(xiàn)熱擊穿損壞。此階段為三級雪崩階段。

4.4 溫度分布仿真分析

溫度分布仿真結果如圖7所示。圖7(a)為縱向晶格溫度分布，若將器件所處環(huán)境溫度設為300 K，在縱向距離55μm處晶格溫度為522 K，已達到最高，遠超器件損壞溫度398 K；圖7(b)為縱向距離在55μm處的橫向晶格溫度分布，可見，即使在縱向溫度最高處，橫向溫度也在不斷上升，說明二極管斜角邊緣處的溫度最高，二極管將在斜角邊緣處損壞。

圖7 二極管內(nèi)晶格溫度分布

5 結束語

通過對斜面終端二極管的電場分布、電流密度分布、溫度分布的仿真分析得知，一級動態(tài)雪崩和二級動態(tài)雪崩并不會造成斜面終端二極管的損壞，三級雪崩時出現(xiàn)了不可移動或者移動十分緩慢的電流絲，使得二極管迅速升溫至525 K，最后造成了二極管的局部熱擊穿損壞。此次仿真能夠更加深入揭示斜面終端二極管的損壞機理。以仿真結論為依據(jù)，通過合理改變相應的參數(shù)，能夠得到一個性能更好的、滿足動態(tài)雪崩耐量的器件結構。