（微电子学与固体电子学专业论文）超高频塑封高压硅堆的研制.pdf

摘要 摘要 高压硅堆是彩电和彩色显示器行输出电路中的关键器件，其开关速度的快 慢直接限制了行扫描频率的高低。随着高清晰显示技术的发展，行扫描频率越 来越高，国际( 主要是日本) 硅堆产品已经迅速更新换代，并形成技术垄断。 国内目前没有生产反向恢复时间在5 5 n s 以下的高频高压硅堆的技术和能力，相 关企业面临着巨大的生存压力。1 9 9 9 年，北京工业大学与国家生产硅堆的重点 企业南通皋鑫公司合作，在科技部立项，对这一问题进行专题研究。本文工作 是这一项目工作中最基础、最重要的部分。该项目的主要内容是保证其它参数 不变的前提下，尽可能的减小反向恢复时间。我们采用数值分析的方法，仿真 了局域低寿命区在硅堆中单个p i n 二极管不同轴向位最上对器件主要性能参数 的影响。根据这些仿真结果，分析了器件结构参数的调整对器件电参数的影响， 并进一步分析了扩铂条件的变化对电参数的影响程度。根据以上分析结果，进 行了相应的试验，试验结果与理论相符。试验证明，增加扩铂温度，减小扩铂 时间可以有效的解决反向恢复时间和漏电流之间的折衷问题。根据这一思想， 最终研制出了性能优良的样管，在其它电参数保持不变的情况下，反向恢复时 间为2 8 n s ，已超过了富士公司的产品，达到了世界先进水平，很好的完成了项 目任务。如果进一步努力实现批量生产，就会扭转皋鑫公司目前所处的不利局 面，迅速挽回部分市场，不仅会为企业带来效益，还会相应带动彩电以及电脑 显示器产业的发展，振兴民族工业。 关键词：高压硅堆，铂，低寿命区，参数折衷 北京工业大学工科硕士毕业论文 a b s t r a c t h i g hv o l t a g es i l i c o np i l ei s 廿l ek e yc o m p o n e mo f 血eo u l p u tc i r c u o fc o l o rt v a n dc 0 1 0 r m o n i t o lw h o s es w i t c h 如朝u e n c yi sm e d i r e c tr c s t r i c t j v ef h c t o ro fl i n es c a l l w i t ht l l ed e v e l o p m e n t o ft h eh i g hq u a l i t yd i s p l a y i n gt e c h n o l o 科t h el i n es c 孤行e q u e n c yi sc h a n g i n gh i g h e r 锄dh i 曲e r t h ei n t e m a t i o n a l ( m a i n l yj 印a n ) s i l i c o np 1 et e c i l i l o l o g yh 拈b e e nu p g r a d e dq u i c k l y 锄df o n l l e d t h es i t u a t i o no fm o n o p o l y l a c k h gt h ec a p a b i l i t yo fm a n u f h c t u r i n g h i g hf e q u e n c yh i g hv o 姆 s i l i c o np i l ew h o s er e v e r s er e c o v e wt i m ei sb e l o w5 5 n s ，t 1 1 ed o m e s t i ce m e r p r i s ei sf 如e dw i t hg r e a t p r e s s u r e i n1 9 9 9 ，ap m i e c tw 硒f 0 咖e dt os t i l d yt t d sp m b i e m i nm es c i e n c e 拍dt e c hd e p 咖e n t u n d e rt h ec o r p o r a t i o no f b e 咖g u n i v e r s 时o f p o i y t e c l l l l i ca n dn a n t o n g g x i nc o r p o r a t i o nw h o w a st h ep r o f e s s i o n a ls i l i c o np i l em 鲫u f k t i j r i n ge n t e r p r i s e t h ec o n t e n t s0 f t l l i sm e s i sa r et h em o s t b a s i c sa n dk e m e lp a r t so ft h ep m i e c t t h em a i nc o n t e n t so ft h ep r o j e c ta r et od e c r e a s i n gt h e r e v e r s er e c o v e r yt i m eo f t l l ed e v i c eu n d e rt h ec o n d i t i o no f n o tc h a n g i n gt h co t h e rp 釉e t e r s t h e i n f l u e n c eo fd i 行b r e n ta x i si o c a t i o n so ft l l el o c a ll o w 1 i f h i m er e g i o no nt l l ep e r f o n n a n c e p a r a m e t e r so fd e v i c e 、v a ss i m u l a t e du s i n gm e t h o do fs i m u l a t i o ni nt l l i sp a p e r 1 h e i n f l u e n c eo f y a r i a t i o no f t h ed e “c es t r u c t u r ep a r 锄e t e r so nt h et r a d e o 厅o f p 曲订n a n c e p a r a m e t e r so fd e v i c ea n dt l l ei n f l u e n c eo fp l a t i n 吣d i f 扎s i o nc o n d i t i o no ne l e c 伍c a l p a r 锄e t e r s 、v e r es t l l d i e da c c o r d i n gt oo u rs i m u l a t i o nr e s l l l t s c o i n c i d i n gr c s l l l t sh a v e b e e na c h i e v e di no u re x p e r i m e n t sb a s e do nt h ep r i o ra 1 1 a l y z e t h er e s u n sr e v e a l e d 也a t t h et r a d e o f fo fr e v e r s er c c o v e r y 血n ea f l dt h el e a kc u r r e n tc a nb ei m p r o v e de m c i e n t l y b yi n c r e a s i n gt l 嵋t e m p e r a t u r ca n dd e c r e a s i n g t i m eo fm ep l a t 血啪d i f m s i o n a c c o r d i n g t om i st l l o u g h t ，e x c e n e n ts 蛐p l e sw h o s er e v c r s e c o v e r yt i m eb d o w2 8 n s w e r em a l l u f a c t u r e d t h i sp e f f o r n l a i l c eh 船。咖nm e p r o d u c t i o no ff u g ic o r p o r a t i o n a 1 1 dr e a c h e dm ew o r l d w i d ea d v a i l c e d1 e v e l 觚da c c o m p l i s h e dt l l ep r o i e c t ni sh o p e f l l l t o i m p r o v et h ed i s a d v a n t a g e o u ss i t u a t i o no f 血ee i l _ t e r p r i s ei ft h es a 埘【p l ew a sb l l 王k m a n u f a c h l r e d t h i sw i l ln o to n l yb d n gp r o f i tt o t 1 1 e 镪内o f p f i s eb u tb o o s t 也e d e v e l o p m e n to f c o l o rt va n dt h em o i l i t o ri n d u g h y k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g es i l i c o np i l e ，p l a t i n u m ， 1 0 岍l i f e t i m er e g i o n ， t r a d e o f f i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电力电子器件简介1 1 早在五十年代初，第一只双极结型晶体管就己研制成功，但直到五十年代 末，第一只晶闸管才真正进入商业领域，从而使电力电子器件达到了应用阶段， 也标志着固态电力电子技术的开始。从那以后的几十年中，由于功率半导体器 件物理和工艺技术方面的突破，使得功率器件得到了突飞猛进的发展。从晶闸 管、双极功率晶体管到v d m o s f e t 、静电感应晶体管( s i t ) 及晶闸管( s i t h ) 、 绝缘栅晶体管( i g b t ) 以及功率集成电路( p i c ) ，一代又一代的电力电子器件 应运而生，电力电子学正在作为一门独立的学科而高速向前发展。 粗略地讲，硅功率器件大致可分为以下四个有代表性的发展阶段。作为第 一代大功率半导体器件的晶闸管出现在五、六十年代，它给变流技术带来了革 命性的突破，但最大的不足就是没有自关断能力，在许多应用场合必须采用强 迫关断措施，这大大增加了变流装置的成本。另外，它的开关频率较低，般 只能满足工频需要。七十年代，有自关断能力的第二代大功率半导体器件发展 起来。其主要代表是可关断晶闸管( g t 0 ) 、双极大功率晶体管( g t r 或b j t ) 等，它们有较高的开关频率和简单的控制方法，在各种大功率自动控制装置中 得到了广泛的应用。到了八十年代，被称为高频大功率半导体器件的第三代器 件发展起来，使电力电子技术中使用的工作频率可提高到几十千赫兹以上，因 而电力电子装置的能量利用效率得到大幅度提高，成本大幅度下降。典型的器 件有：v d 矗v i o s f e t 、静电感应晶体管和晶闸管( s i t 、s 1 1 h ) 、双极静电感应晶 体管( b s i t ) 、绝缘栅晶体管( i g b t ) 和m o s 控制晶闸管( m c t ) ，它们具有 更高的开关频率。九十年代以后，很多发达国家已经或正在开发第四代功率半 导体器件，即所谓的功率集成电路( p i c ) 和智能功率集成电路( s p i c ) 。在应 用上，上述几代功率器件在不同的容量级别、不同的场合下发挥着各自不同的 作用。 目前，电力电子器件的功率已扩大到了工业用的大功率级；工作频带包括 从5 0 h z 到1 0 0 k h z 以上很宽的范围；应用范围也扩展到诸如汽车、电冰箱、电 北京工业大学工学硕士学位论文 视机、洗衣机和日光灯电子镇流器等日常生活用品。由于电力电子技术在各个 领域内的普及，功率器件正体现出越来越大的技术优势和经济效益。尤其在节 能和节材方面，对于我国这样一个能源、资源和资金极其紧张的国家来说，有 着特殊的意义。 第1 章绪论 1 2 本文工作的内容及意义 随着科技的飞速发展，人们的生活水平有了很大的提高，电视作为家电行 业中的龙头产业，发展越来越快，目前我国正在从普通彩电向数字电视过渡， 前景看好。和普通电视相比，数字电视在很多技术上作了改进，其中一个比较 重要的方面就是行扫描频率有了较大的提高，以实现高清晰度和商质量画面。 高频塑封高压硅堆是彩电和显示器行输出变压器中的重要器件，其开关特性的 好坏对行扫描频率的高低有着决定性的影响，目前国内生产该产品的最大厂家 是南通皋鑫电子股份有限公司，国外的生产厂家主要是日本的富士公司、日立 公司和三肯公司，其中富士公司的现有产品性能最优，在数字电视和电脑显示 器应用方面在世界上处于垄断地位。 南通皋鑫电子股份有限公司是生产半导体整流器件的专业化企业，具有悠 久的生产历史，其主导产品为电视机用塑封高频高压硅堆，国内占有率为5 0 ， 该产品制造的软硬件均是1 9 8 7 年从日本富士电机株式会社引进的，但9 0 年代 后期，日本富士公司采用新技术，推出了性能更优的新产品，目前皋鑫公司所 生产的产品仍停留在9 0 年代的水平，现将皋鑫公司硅堆产品与富士公司的产品 作一比较( 以8 千伏产品规格为例) ，见表1 1 。 表1 1 ：皋鑫公司硅堆产品与富士公司的产品性能参数比较 t a b l e l 1c o m p 毗i s o no fp e r f o n 略n c epa 】? a m e t e rb e t 霄e e nt h ep r o d u c t i o no fg a o x i n s 正向电压反向击穿电压 反向恢 常温漏电 高温漏电 复时间流( 1 1 0 应用领域 ( v ) 片v i ( k v ) 片流( n a ) t 玎( n s ) ( u a ) 富士 数字电视、 2 31 3 0 03 2 1 0 o 4 e s j a 0 8 显示器 皋鑫 5 0 2 21 3 0 0 n 孑 ： ： i p j l 3 qc n l 1 0 ”o 1 0 ”c m 3 6 u m 9 6 u m u m 图4 1 皋鑫5 8 型( 8 k v ) 高频高压硅堆的结构图 f i g4 - ls c h e m 撕cd i a 蓼a mo fd i o d ei l lm c 妯i c o np i l e 吐m tg a o x i l ic o l t d 图中pn 为i r 区电阻率，n s l 为p + 区的表面掺杂浓度，n s z 为n + 区的表面掺杂 浓度，d 为器件厚度，玛p + 为p + n _ 结结深，玛。为n + n - 结结深。 铂扩散是整个工艺流程中最重要的一个环节，扩散条件为：采用p n 片整体 浸渍铂源，离心干燥后，在n 2 保护下进行9 0 0 扩散，扩散时间为6 小时。铂 源采用氯铂酸水溶液。 整个制作工艺流程如下： 北京工业大学工科硕士学位论文 组织硅片形成生产批l 二今l 硅片清洗l = 今l 自动离心涂磷硼乳胶源l = 今 i 磷硼一次扩散i | 磷硼扩散后脱片清洗| l 铂扩散l 二 i 硅片表面去除氧化层后镀镍、烧结再镀镍j 二今i 硅片化学镀金l 二今 1 若干片化学镀金后硅片夹以铅锡片加压高频加热烧结l 二今i 切割形成硅块l ： l 对硅块的外形和正向特性进行筛选f 二今l 硅块台面腐蚀处理l 二冷 匦日匝四日圈日匝巫 3 0 第四章结构、工艺、材料的改进与仿真分析 4 2 铂在二极管中轴向位置的变化对各个参数性能的影响 从上节的介绍中知道，皋鑫公司所生产的硅堆是采用液态源扩铂的，因此 铂在硅中的分布基本都是图4 2 所示的这种分布。铂的存在对二极管反向恢复 轴向位置( 任意单位) 图4 - 2 铂浓度分布 f i g4 2p l 鲥m i i c c n 台a 曲n d i s 口i b u t i m 碍i ns i l i c o n w 时间、漏电流以及正向压降等这些参数 都会有非常大的影响。为了更好的提高 硅堆的这些性能参数，了解铂在轴向上 的什么位置对于这些参数有最大的影响 是非常重要的，是解决这个课题的关键 所在。对此进行了仿真分析，仿真的方 法是在垂直于p 结结面方向( 以下称为 轴向) 上一定深度处的一个很小的距离 内，引入局域区域的高密度复合中心( 在 平行于p n 结结面方向上复合中心密度 图4 3 用于仿真的具有局域低寿命 区的硅堆中二极管结构示意图 f 1 g4 3s c h 撕cd i a g r 锄o f d 砌es 咖c 缸e 谢ma l a w1 证b 血n cf c g i o nu s c dt 0 锄u l a t e 起始位置设为l ，其它区域过剩载流子寿命设为5 0us ， e t = e 。一o2 3 e v ，结构见图4 3 。 3 1 是均匀的) ，形成 一个具有一定厚 度的片状局域低 寿命区【2 7 1 1 2 ”。当 低寿命区在二极 管轴向位置上变 化时，就能找到 铂在轴向上的什 么位置对各个参 数最敏感。仿真 以皋鑫5 8 型硅堆 为例，其中低寿 命区过剩载流子 寿命设为1 0 n s ， 宽度为l o 微米， 复合中心能级位置设为 北京工业大学工科硕士学位论文 4 2 1 铂所在轴向位置的变化对二极管反向恢复时间的影晌 反向恢复时间( k ) 是高频高压硅堆的最重要参数，它与低寿命区的轴向位 置有密切关系。m e d i c i 软件中有电路分析功能，因此对反向恢复时间的仿真很 方便。仿真用的反向恢复时间的测试电路见图2 6 ，此电路是皋鑫公司测试反 向恢复时间的实际电路，属于阻性负载。测试条件为正向电流2 m a ，反向峰值 电流i 盯m 为4 m a ，当反向电流恢复到l ，4 i 盯m 时，所用时间定义为反向恢复时间， 典型反向恢复时间的波形见图4 4 。仿真结果见图4 5 ，从图中可以看出，与 图4 4 高频高压硅堆典型反向恢复时间波形 f i g4 - 4 聊i c a lr e 咖e m c 0 1 ，盯y 矗m eo f l l i 曲v 0 1 t a g 蓐s i l i c p i l e s 2 04 0 6 0 8 01 0 01 2 01 4 01 1 8 0 l ，m 图4 5 低寿命区的轴向位置不同对反向恢复时间的影响 f 1 g4 5 m i n n u c e o fd i l 融a x i s l o c 撕so f l o wl 如d m er c g i 0 nt h er e v e r s er e c o v e r yt i m e 3 2 一 k 小 = 一 暖 一 一 一泸 第四章结构、工艺、材料的改进与仿真分析 仿真中的其它位置相比，低寿命区轴向位置位于p n 结附近时( l = 6 5 微米) ，反 向恢复时间最小。二极管的反向恢复过程是过剩载流子的抽取和复合的过程， 从器件本身参数考虑，缩短少子寿命是减小反向恢复时间的有效方法，因此少 子的复合对减小k 起主要作用。图4 6 显示的是没有低寿命区情况下反向关断前 载流子在基区的分布，从图中可以看出，电子和空穴在基区的浓度远远大于本 征载流子浓度n i ，为了便于分析，设定低寿命区复合中心能级位置位于禁带中央， 则复合率的公式( 式3 1 0 ) 可简化为 u ： 翌 ( 4 1 ) o 妒+ t n p 利用式4 1 可以计算出低寿命区在基区不同位置上时低寿命区中复合率的 变化，结果见图4 7 ，从图中可以看出，低寿命区越接近p n 结，复合率越大， 因此反向恢复时间越小。同时在器件中，空穴的迁移率小，寿命也比电子大， 图4 6 没有低寿命区情况下，反向 关断前载流子在基区的分布 f i g4 6c a r r i 髓d i g 砸b l n i o ni nt h eb 鼬e r e g i o nb e f o t i l r l i o 行i nt h cc e0 f t h e l o wl i f b t i m ed o s en o t 谢s t r p 1 0 “ 5 6 1 l 儿m 1 5 0 图4 7 低寿命区位于基区中不同轴向位置 时低寿命区中