Новая технология изготовления диодов большой мощности EmCon-HDR с более высокими динамическими характеристиками

Введение

 Стремительная эволюция IGBT технологий в переходе от планарной структуры к технологиям «утопленного» канала (trench gate technology) и «Field Stop», требует непременного улучшения рабочих характеристик антипараллельного силового диода FWD (Free-Wheeling Diode — безынерционный диод). Включение IGBT силового транзистора, а следовательно, и энергия потерь при его включении зависят от процесса обратного восстановления антипараллельного диода. Предыдущий вариант обратного диода — EmCon-диод был получен путем оптимизации внутренних вертикальных структур полупроводникового прибора, предложенной компаниями Infineon и eupec. В данной статье рассказывается о последующих шагах усовершенствования антипараллельных силовых диодов за счет оптимизации их латеральных структур.

Структура силового диода

 В основе структуры диода лежит EmCon-концепция [1], оптимизирующая распределение носителей заряда и форму электрического поля во внутренней структуре. В то время как другие технологии требуют больших усилий на создание однородности эпитаксиального кремниевого слоя и еще более значительных затрат на снижение времени жизни носителей, такие, как имплантация протонов или гелия, испускание электронов или диффузия тяжелых металлов, EmCon-концепция использует в качестве исходного материала кремний, выращенный методом плавающей зоны (float-zone), имплантацию ионов и требует лишь незначительных действий по сокращению времени жизни основных носителей зарядов.

В частности,силовой  диод состоит из низколегированного основного материала, выращенного методом плавающей зоны, с неглубокими р-эмиттерами на передней стороне. Обратная сторона — n+-эмиттер — выполняет две функции. Она используется для определения нарушения электрического поля на обратной стороне и фиксации эффективности n-эмиттера на желаемом уровне. Так, распределение носителей зарядов находится главным образом под влиянием имплантированных p- и n-эмиттеров, и нет необходимости сокращать время жизни дополнительных местных носителей; это иногда используется, чтобы снизить эффективность p-эмиттера для получения низкого пика обратного тока.

Симуляция восстановления диода и улучшение контакта кристалла

Силовые диоды высокого напряжения требуют хорошо сконструированных краевых контактов. Это может быть достигнуто различными способами, например, с помощью технологии JTE (Junction Termination Extension — продление границ кристалла) [2–4], технологии VLD (Variation of Lateral Doping — вариация легирования в латеральном направлении) [5], технологии пространственного сверхперехода RESURF [6] или технологии плавающих предохранительных колец [7], соединенных с полевыми пластинами [8], — последняя и используется в EmCon-диодах. Данная система выводов должна быть сконструирована для достаточного блокирующего напряжения. Числовая симуляция восстановления диода достигнута при использовании двухмерного устройства симуляции MEDICI [9]. В отличие от одномерных симуляций, где рассматривается только активная часть диода, мы рассчитываем полную вертикальную структуру 3,3 кВ Emcon-диода, включая систему выводов. Рис. 1 показывает ток I_R и напряжение V_R во время включения IGBT силового транзистора для EmCon-диода с новейшей системой выводов (сплошная линия) как антипараллельного диода с номинальным током в 100 А. Температура — 125 °C, а напряжение постоянного тока V_CC — 1800 В. Начиная при пря мом токе I_F 100 A, ток диода уменьшается со скоростью коммутации di/dt = 460 A/мкс и dv/dt = 6 кВ/мкс, и максимальный обратный ток IRM равен 130 A. Данный диод характеризуется «мягким» восстановлением, следующим за «хвостовым» временем около 3 мкс. Пунктирные линии показывают кривые обратного восстановления диода для нового EmCon-HDR с оптимизированной краевой структурой. Значение IRM почти идентично.  

Рис. 1. Симулированные кривые восстановления новейшего EmCon-диода 3,3 кВ (сплошная линия) и EmCon-HDR-диода 3,3 кВ (пунктирная линия)

Рис. 2 изображает плотности тока под поверхностью примерно через 0,1 мкс после достижения максимального IRM, которые возникают на краю во время обратного восстановления. Данная плотность тока может быть редуцированна посредством новой системы выводов. Рис. 2 показывает симулированную плотность дырочного тока для новейшего современного диода (сплошная линия) и для нового EmCon-HDR диода (пунктирная линия). Дырочный ток, протекающий к аноду при выключении диода, приводит к значительному увеличению максимального электрического поля, и, следовательно, к динамической лавине.

Рис. 2. Симулированные плотности дырочного тока на поверхности полупроводника (сплошная линия: новейший EmCon силовой диод; пунктирная линия: Emcon-HDR силовой диод с оптимизацией контактов)

В нашем EmCon-HDR силовом диоде результатом сниженной плотности дырочного тока является, в то же самое время, значительное уменьшение величины электрического поля на поверхности полупроводника. На рис. 3 сплошная линия — распределение электрического поля на поверхности для новейшего EmCon диода в пределах краевой системы. Пунктирная линия показывает величину электрического поля, вызванного оптимизацией пространства кольца поля, пластины поля и профилями легирования EmCon-HDR диода. Максимальная величина электрического поля снижена на 35%. Как снижение плотности тока, так и снижение электрического поля ведут к значительному улучшению устойчивости силового диода.

Рис. 3. Симулированная величина электрического поля на поверхности полупроводника (сплошная пиния: новейший EmCon-диод; пунктирная пиния: с оптимизацией контактов)

Устойчивость Emcon-HDR силового диода

Испытания двойным импульсом проводились для того, чтобы исследовать предел устойчивости нового EmCon-HDR-устройства. Нагрузка на диод, лежащая далеко за пределами установленной области безопасной работы, вызывалась изменением одного из параметров, обозначенных стрелкой в таблице.

Кривые, выведенные при критических условиях, показаны на рис. 4 и 5. Коммутационный диод нагрет до 125 °C, а коммутацией управляет IGBT 1200 A/3,3 кВ. Здесь нет ни внешнего сопротивления затвора RGon, ни емкости CGE на выводах IGBT затвор — эмиттер; время коммутации процесса восстановления ограниченно только посредством V_CC, I_F, L_setup и коммутационными характеристиками IGBT. На рис. 4 показано восстановление диода 1200 A при V_CC = 2500 В в схеме включения с L = 65 нГ. Прямой ток выбран довольно небольшим, чтобы достичь высокого значения dv/dt — 20 кВ/мкс. Даже в этом режиме dv/dt возможно восстановление без разрушения.

Рис. 4. Восстановление диода при критической dv/dt и T_vj = 125 °C Чтобы достичь 20 кВ/мкс, коммутируется небольшой ток, а внешнее R_Gon О Ом. I_nom = 1200 A

Рис. 5. Восстановление диода при критической di/dt Антипараллельный диод с расчетным током 200 А выключен при использовании переключателя, имеющего расчетный ток 1200 А. Достигнуто значение 5.5 кД/мкс (=27 × I_nom/мкс)

Таблица

Обзор нескольких экспериментов, осуществленных при различных условиях для изучения предела коммутационной устойчивости, представлен на рис. 6 графиком корреляции между dv/dt и di/dt. di/dt упорядочивается относительно номинального тока силового диода, для того чтобы представить на одном графике данные из различных экспериментов.

В верхней части рис. 6 расчетный ток IGBT и антипараллельного диода одинаковы (I_nom = 1200 A). Эффект увеличения прямого тока I_F рассматривается для двух температур (25 °C; 125 °C). С увеличением I_F наблюдается сильное возрастание di/dt, в то время как dv/dt уменьшается. Уменьшение dv/dt происходит потому, что переключающий IGBT коммутирует напряжение медленнее, когда он должен передавать высокий ток после включения. Самые высокие значения dv/dt (40 кВ/мкс) наблюдаются для низкого тока I_F и низкой температуры T_vj. Это особенная черта нового EmCon-HDR силового диода: надежно восстанавливаться в условиях единичного пульса даже в таком тяжелом режиме. Устойчивость инверторной системы по параметру dv/dt не будет ограничена диодом, если применяется технология EmCon-HDR. Имеются и другие элементы, подобные обмотке двигателя, которые вызывают увеличение значения dv/dt до предела.

Рис. 6. Корреляция между dv/dt и di/dt, происходящая при восстановлении EmCon-HDR-диода. Прямой ток I_F (вверху) или постоянное напряжение V_CC (внизу) изменяются для того чтобы изучить предел устройства. Найден предел для экстремальных di/dt (красный символ). 1200-амперный IGBT используется в качестве переключателя

В нижней части рис. 6 та же самая оценка сделана для конфигурации, в которой расчетный ток антипараллельного диода намного меньше по сравнению с IGBT ключом (200 A по сравнению с 1200 A). Данная испытательная конфигурация подходит для достижения критических значений di/dt, доходящих до 30·I_nom/мкс. При увеличении постоянного напряжения V_CC скорость переключения непрерывно увеличивается до тех пор, пока не произойдет разрушения при di/dt = 27·I_nom/мкс (5,4 кA/мкс для антипараллельного диода на 200 A). Для изучения механизма разрушения представляется анализ разрушенного диода. В диоде была обнаружена расплавленная зона в центре анодного контакта кристалла диода. Тот факт, что не наблюдается повреждений контактов кристалла или пассивации на чипе, вновь доказывает, что измерения, проведенные для снятия динамической нагрузки с контактных слоев кристалла, были верными.

ОБР для силового диода Emcon-HDR

Более высокая динамическая устойчивость EmCon-HDR диода позволяет в два раза расширить область безопасной работы (ОБР; SOA — Safe Operating Area) для непрерывного режима по сравнению с имеющимся стандартным диодом 3,3 кВ, выпускаемым компанией eupec. Особые динамические характеристики могут быть применимы главным образом в двух направлениях: вопервых, имеется явное увеличение предела безопасности, что особенно важно, когда устройства эксплуатируются в неправильных условиях и должны выдерживать более высокую нагрузку, чем при обычном режиме включения. Кроме того, возможна спецификация более крутых значений di/dt и dv/dt при включении для IGBT в преобразователе даже для нормального режима работы. Как следствие, возможно уменьшение коммутационных потерь Eon. Для нахождения оптимизированных характеристик управления модуля IHV (высоковольтный транзисторный модуль с напряжением выше 2,5 кВ) 1200 A, 3,3 кВ сделана оценка критических динамических значений.

Рис. 7 показывает соотношение между нагрузкой, оказываемой на диод во время переключения (характеризуется Pmax: пиковой мощностью в процессе восстановления) и коммутационными потерями IGBT Eon.

Рис. 7. Соотношение между пиковой мощностью антипаралпельного диода и энергией IGBT при включении Е_on. Увеличение ОБР позволяет управлять IGBT быстрее и уменьшить Еот на 24%

Данные на рис. 7 относятся к модулю I_HV 1200 A, 3,3 кВ; они получены при изменении сопротивления на затворе R_Gon и емкости C_GE на затворе-эмиттере. Для EmСon-диода 3,3 кВ дозволенная ОБР ограничивается мощностью P_max = 1,2 MВт и установленной энергией при включении Eon = 2,9 Вт·с согласно рис. 7. Увеличение ОБР до 2,4 МВт (в два раза) позволяет уменьшить R_Gon. При ограничении P_max до значений, не превышающих 2,4 МВт, Eon может быть значительно уменьшена (на 24%) — от 2,9 Вт·с до 2,2 Вт·с. Установленное сопротивление затвора уменьшается до R_Gon = 0,9 Ом; емкость C_GE = 220 нФ.

Такая же серия измерений была осуществлена с C_GE = 0 (нижняя кривая на рис. 7). Очевидно, что корреляция сдвигается к более высокому уровню Eon при отсутствии C_GE. При использовании конденсатора между затвором и эмиттером можно влиять на di/dt и dv/dt независимо друг от друга. dv/dt имеет преобладающее влияние на энергию IGBT при включении. Применение C_GE позволяет увеличить dv/dt, при этом di/dt может поддерживаться в умеренном диапазоне. При таких условиях Eon уменьшается, не оказывая очень сильной нагрузки на антипараллельный диод.

Коммутационные кривые для режима работы с R_Gon = 0,9 Ом и C_GE = 220 нФ показаны на рис. 8 для температур 25 и 125 °C. Даже при очень крутом возрастании di/dt до 9 кА/мкс восстановление диода протекает «мягко». Эти диоды без проблем выдерживают максимальную скорость нарастания напряжения dv/dt во время переключения, равную примерно 7,6 (13,0) кВ/мкс при 125 °C (25 °C).

Рис. 8. Восстановление при номинальных условиях с уменьшенным R_Gon и увеличенной di/dt (9 кА/мкс) для HDR силового диода в модуле FZ12O0R33KF2C. Показаны обе коммутации: 25 °С (вверху) и 125 °С (внизу)

Установленная ОБР не должна быть превышена в любой момент процесса восстановления при номинальных условиях. Простым методом демонстрации реальной нагрузки, оказываемой на диод при коммутации, является изображение геометрического места точек I_R = f(V_R) на диаграмме ОБР (SOA), которое представлено на рис. 9 для процесса восстановления, показанного на рис. 8 для модуля I_HV 1200 A, 3,3 кВ. Мы делаем вывод, что при различных условиях эта кривая геометрического места точек всегда остается внутри расширенной ОБР для HDR-EmCon силового диода.

Рис. 9. Геометрическое место точек I_R = f_(VR) для восстановления диода модуля 1200 А, 3,3 кВ при I_F от 0,5×I_nom до 1×I_nom уменьшенном RGon. Для V_CC=1800 B1L0, L_setup=65нГ EmCon-HDR силовой диод не выходит за пределы ОБР. Показано расширение ОБР для EmCon-HDR-диода в сравнении со стандартным EmCon силовым диодом

Более детальный взгляд на форму кривой на рис. 9 дает представление о том, как влияет нагрузка на диод во время восстановления. Процесс начинается в начале диаграммы, когда и ток, и напряжение равны 0. В течение обычных 300 нс (фаза «1») I_R достигает своего максимального значения, которое сильно зависит от предшествующего прямого тока I_F (и от T_vj). Когда I_R равен IRM, напряжение V_R по-прежнему остается в умеренных рамках 600 В, вызывая тем самым только умеренное внутреннее электрическое поле. После того как обратный ток достиг своего максимального значения, возрастание напряжения становится более отчетливым (фаза «2»), а ток при этом уменьшается. Числовая симуляция процесса восстановления показывает, что в этой области на диод оказывается самая большая нагрузка, потому что внутри полупроводникового прибора все еще имеется заряд и должна быть выдержана высокая скорость dv/dt, приводящая к росту высокой динамической напряженности поля. Наконец, в фазе «3» обратный ток снижается до 0, оставляя диод в статическом обратном непроводящем состоянии.

Сравнение новейших современных силовых диодов

При сравнении EmCon-HDR-диодов со стандартными диодами 3,3 кВ EmCon, используемыми в настоящее время в IHV-модулях, основное внимание было уделено коммутационным характеристикам. На рис. 10 показано восстановление обоих типов диодов, измеренных при обычных условиях, рекомендованных в техническом паспорте модуля IHV 1200 A, 3,3 кВ для EmCon-диодов. Здесь явно нет значительной разницы, не важно, при каких температурах T_vj (–40 или 125 °C) происходит коммутация. Диод EmCon-HDR характеризуется «мягким» восстановлением во всем диапазоне температур, используемых в электроприводных преобразователях. [10]

Рис. 10. Поведение при восстановлении 3,3-киловольтных диодов EmCon-HDR и EmCon при T_vj -40 °С и 125 °С в IHV-модуле 1200 Д, 3,3 кВ при V_CC = 1800 В, lF = 1200A; di/dt = 7200 (5700) A/мкс при T_vj = -40 (125) °С. Кривые для HDR-EmCon-диода сдвинуты наверх на одно деление. Оба типа диодов взаимозаменимы на 100%

Рис. 11. Сравнение EmCon-HDR-диода с EmCon-диодом по пиковой мощности

Заключение

Новая технология HDR изготовления EmCon силовых диодов внедряется для получения значительного расширения области безопасной работы диодов. Испытания EmConHDR диодов в критических режимах работы показали увеличение в 4,5 раза способности выдерживать пик мощности во время коммутации по сравнению с предыдущим поколением силовых диодов — EmCon. Улучшение устойчивости EmCon-HDR диодов показано на рис. 10. Улучшение может быть ясно представлено моделированием электрического поля на контактах кристалла. Результатом математического моделирования является оптимизация конструкции, которая улучшает динамические характеристики EmConHDR-диода. Основные преимущества новой технологии — это значительное увеличение границ безопасной рабочей области и уменьшение потерь при включении IGBT силового транзистора на 24% за счет более быстрого по времени переключения диода.