如何进行局部电子辐照控制？——以RC-GCT为例

在FRD、快速晶闸管、RB-GTO^[39，48]、RC-GCT^[49]及PT-IGBT等器件中，都需要进行少子寿命控制。

1.快恢复二极管的双质子辐照

在高压二极管中，为了获得快速的反向恢复特性，常用电子辐照对其中的少子寿命进行控制。由于电子辐照得到的是均匀的少子寿命，不利于改善反向恢复特性和正向导通特性之间关系。所以，高压FRD一般采用双质子辐照控制其中的少子寿命，以获得较低的正向压降和快速的反向恢复特性。

图8-28所示为采用双质子辐照控制的SPT⁺（是在SPT结构的基础上通过元胞优化来获得发射极侧的高载流子浓度）型结构中少子寿命及载流子浓度分布^[50]。可见，从阳极和阴极两侧分别进行少子寿命控制，于是在p⁺阳极区内形成了第一个缺陷峰，在靠近n缓冲层的n^-区内形成了第二个缺陷峰（见图8-28b），导致这两处形成局部的低寿命区（见图8-28a），而n^-中间区域的寿命保持不变，这样中间区域的高寿命可以保证低的正向压降，两侧的低寿命可以改善反向恢复特性。

图8-28 快恢复二极管的结构及寿命分布和载流子浓度分布

与常规的SPT二极管特性相比较，采用双质子辐照形成的SPT⁺二极管的正向压降明显较低，并具有正温度系数，其反向恢复损耗与正向压降折中曲线也明显改善。此外，He⁺⁺辐照退火后在二极管中会形成不同能级的电子陷阱和空穴陷阱，可分别用于控制电子寿命与空穴寿命，从而降低二极管的损耗和反向恢复峰值电压^[51]。所以，通过控制陷阱的类型、能级及浓度，可在反向恢复时间、反向恢复峰值电流及正向压降之间取得很好的折中选择。

2.IGBT质子辐照

图8-29给出了一种内部透明集电极IGBT（ITC-IGBT）^[52]与传统的PT-IG-BT结构。可见，在ITC-IGBT集电区内靠近n缓冲层的p⁺n结处有一载流子低寿命控制区，其厚度为0.5μm，是由He⁺⁺辐照后（能量为370keV、剂量为4×10¹⁶ cm^-2）在700℃下退火60min形成的。而PT-IGBT是采用电子辐照，其他工艺则完全相同。特性测试表明，ITC-IGBT在室温下和高温下与I-U曲线的交点[即零温度系数（ZTC）点]对应的电流密度约为80A/cm²，远低于额定电流密度（约150～200A/cm²）。而采用电子辐照的PT-IGBT的ZTC点对应的电流密度约为180A/cm²。所以，采用局部寿命控制的ITC-IGBT在饱和电压和关断时间之间获得更好的折中。

图8-29 ITC-IGBT中的少数载流子寿命控制

3.IEGT质子辐照

图8-30a所示为IEGT中质子辐照的缺陷位置及寿命分布。可见，采用质子辐照来控制IEGT中的少子寿命时，质子从集电极一侧射入，并终止在靠近n缓冲层处的n^-漂移区内形成缺陷峰，导致此处寿命最低，并在n缓冲层和p⁺集电区处形成低浓度的缺陷拖尾。于是IEGT中载流子寿命为局部的非均匀分布。图8-30b给出了不同的少子寿命分布对IEGT通态I-U特性曲线^[53]。可见，采用电子辐照的IEGT，其ZTC点对应的集电极电流约为1500A，采用质子辐照的IEGT，与其ZTC点对应的集电极电流降到500A左右。这说明采用质子辐照可改善器件的高温导通特性，使饱和电压在额定电流下为正的温度系数，有利于提高器件的高温稳定性。

图8-30 IEGT的质子辐照产生的少子寿命分布及其对通态I-U特性的影响(www.xing528.com)

4.RC-GCT的局部电子辐照

在RC-GCT中，由于非对称GCT采用了透明阳极，不需要进行寿命控制，但与之反并联的集成二极管必须进行少子寿命控制，才能在无吸收和高di/dt下实现关断。图8-31所示为RC-GCT的局部电子辐照方法及配件示意图^[54]。如图8-31a所示，在实际的电子辐照时，为了避免非对称GCT部分（位于芯片外围）被照射，可采用图8-31b所示铅压块（或钼压块）来保护非对称GCT。为了减缓辅照区的深阱效应，铅压块采用了锥形口，并用图8-31c所示的铝合金垫块垫在芯片下起支撑作用，以免芯片因受铅压块的不均匀应力而破裂，其尺寸同芯片相匹配。

图8-31 RC-GCT的电子辐照方法及配件示意图

5.特殊用法

（1）利用复合控制技术形成隐埋的p^-区 在快恢复二极管中，将He⁺⁺辐照与Pd扩散相结合，不仅可以控制局部的少子寿命，而且可以在阳极侧处形成一个隐埋的p^-区，能有效抑制二极管反向恢复时的动态雪崩，并获得更好的导通特性和阻断特性，以及低关断功耗。这种采用He⁺⁺辐照与Pd扩散复合技术形成的二极管也被称为辐照增强扩散（Radiation Enhanced Diffusion，RED）二极管^[56]，因为通过He⁺⁺辐照增强了Pd扩散。

p⁺pnn⁺二极管阳极面经He⁺⁺辐照后，在725℃高温下进行Pd扩散，然后在350～700℃下退火，于是在阳极缺陷处形成一个隐埋的p^-区，使二极管变成p⁺pp^-nn⁺结构（见图8-32a）^[55]，由此导致二极管的峰值电场降低，其位置也发生变化，在反向恢复末期阴极侧的载流子浓度较高，故可以获得较大的软度因子。由图8-32b可知，采用标准He⁺⁺辐照（能量11MeV、剂量为1×10¹¹～2.5×10¹¹ cm^-2）的二极管容易发生动态雪崩，而采用He⁺⁺辐照与Pd扩散复合技术的二极管在反向恢复期间表现出较软的恢复特性。

图8-32 采用钯（Pd）扩散与He⁺⁺辐照复合技术与标准的He⁺⁺辐照技术的比较

（2）利用质子辐照技术制作n缓冲层 质子辐照技术可以获得局部的少子寿命控制，除了用于改善器件的导通特性和关断特性、提高可靠性外，还可用来制作IGBT的n缓冲层。参考文献[57]报道了利用质子辐照技术开发的一种PT-IGBT结构，它是在原始n^-硅衬底上先通过扩散形成100μm厚的p集电区，然后进行质子辐照，通过退火将质子辐照区转换成施主区，于是在p集电区和n^-漂移区之间形成了一个比n^-漂移区掺杂浓度稍高的n缓冲层，如图8-33所示。采用这种方法制作的PT-IGBT，n^-层厚度可根据耐压来确定，并与集电结在n^-区的耗尽层有关，比常规PT-IGBT的n^-漂移区厚约10μm。故具有更宽的SOA和类似于NPT-IGBT的短路承受能力，并且通态特性和关断特性的折中关系比NPT-IGBT的更好。只是因n^-漂移区稍厚，导致关断拖尾时间稍长，因拖尾电流较小，其关断损耗仍然较小。

图8-33 质子辐照形成的n缓冲层掺杂浓度分布

值得一提的是，在RC-IGBT中，采用FS耐压结构的IGBT不需要控制寿命，但需要对其中集成的二极管进行横向寿命控制。采用质子辐照或H⁺注入在RC-IGBT限定的局部区域内进行寿命控制，可能需要厚胶或金属掩模来掩蔽。