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）續流二極管在一些先進(jìn)應用領(lǐng)域，如馬達控制系統和功率逆變單元等，實(shí)現了成功應用。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(zhù)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(mǎn)足更廣泛領(lǐng)域對于高功率密度的需求，先進(jìn)的CAL4技術(shù)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(shí)極高的穩定性，這就滿(mǎn)足了現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(guò)程的軟開(kāi)關(guān)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(lǐng)域使用的功率模塊（例如：SKiiP4、MiniSkiiP、SEMiX、SkiM、SEMiTRANS等），這些領(lǐng)域有風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝置、電動(dòng)汽車(chē)功率系統、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(chǎng)上在介紹一個(gè)新型IGBT的同時(shí)，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據見(jiàn)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(dòng)態(tài)損耗，并使650V新型IGBT能夠在一個(gè)較寬的頻率范圍（3kHz~16kHz）內有效的關(guān)斷。

為了針對不同的IGBT特性調整適合的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗，第4代CAL 1200V二極管派生出了2個(gè)新系列。CAL4F（F：fast）1200V是專(zhuān)為第4代低功率溝槽場(chǎng)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(gè)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據

與CAL4 F 650V類(lèi)似，CAL4 F 1700V的通態(tài)壓降也是專(zhuān)為各種不同開(kāi)關(guān)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(shù)要點(diǎn)將在接下來(lái)的章節中討論。

2.1新型二極管芯片技術(shù)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、以及兩階梯n^＋陰極區。高摻雜的n^＋區、陰極金屬化的歐姆接觸、以及n^－基區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創(chuàng )建了通體均勻的復合中心區，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。

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(gè)原因，Semikron提出了一種由高穩定的氧化層和多晶層組成的鈍化結構（見(jiàn)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(chǎng)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下具有高的熱穩定性和可靠性。

為了證實(shí)熱穩定性而進(jìn)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％的穩態(tài)阻斷電壓下，試驗周期1000小時(shí)。