高效应用的增强型第4代CAL二极管

1引言

2008年，第4代1200V的CAL（Controlled Axial Lifetime）续流二极管在一些先进应用领域，如马达控制系统和功率逆变单元等，实现了成功应用。与前一代二极管相比，CAL4二极管芯片每单位面积的电流提高了30%以上，电流密度的提高意味着有效电流的增加，这就给功率模块的设计留出了更多空间。为了满足更广泛领域对于高功率密度的需求，先进的CAL4技术被扩展到了650V和1700V等级。

在所有电压等级上都已经采用了的、创新的终端结构，提供了175°C条件下的高稳定性和高可靠性。此外，增强型第4代CAL650V和1700V二极管，同样也包含1200V，提供了抵御环境影响，如高湿和高温时极高的稳定性，这就满足了现代功率电子在严酷气候条件下，高可靠性工作的日益提高的要求。新一代二极管显示了正温度系数的通态特性（这对于二极管并联十分重要）和反向恢复过程的软开关特性。这些突出性能使新一代二极管特别适用于在一些最尖端领域使用的功率模块（例如：SKiiP4、MiniSkiiP、SEMiX、SkiM、SEMiTRANS等），这些领域有风能发电和太阳能发电装置、电动汽车功率系统、以及功率逆变单元等。

2增强型第4代CAL二极管

半导体市场上在介绍一个新型IGBT的同时，也需要有CAL二极管的新介绍。几种额定电流为I_F=150A的第4代CAL二极管的主要静态电性能和机械性能数据见表1。

CAL4 F二极管的低通态压降保证了尽可能低的静态和动态损耗，并使650V新型IGBT能够在一个较宽的频率范围（3kHz~16kHz）内有效的关断。

为了针对不同的IGBT特性调整适合的静态和动态损耗，第4代CAL 1200V二极管派生出了2个新系列。CAL4F（F：fast）1200V是专为第4代低功率沟槽场终端IGBT而设计的，工作频率8kHz以上。而CAL4 HD（HD：high density）1200V二极管则是为中功率IGBT、工作频率8kHz以下优化设计的。这2个型号将在随后详细讨论。

表 1 CAL4 F (650V, 1200V, 1700V) 和 CAL4 HD (1200V)二极管的主要静态电性能和机械性能数据

与CAL4 F 650V类似，CAL4 F 1700V的通态压降也是专为各种不同开关频率的模块所设计，最高结温T_jmax=175°C，存储温度（-40°C~175°C）对所有阻断电压等级都一样。一些技术要点将在接下来的章节中讨论。

2.1新型二极管芯片技术与可靠性

CAL二极管是一种平面PIN器件，具有高掺杂的p⁺发射极、轻掺杂的n^－基区、以及两阶梯n^＋阴极区。高掺杂的n^＋区、阴极金属化的欧姆接触、以及n^－基区宽度与阴极浓度分布的优化都导致通态电压的降低。

轴向载流子寿命用电子辐照加He^＋＋离子辐照^[1]控制，这种寿命控制方法不但在二极管的体内创建了通体均匀的复合中心区，更重要的是，还在p／n结的附近创建了高浓度的复合中心区。

在前几代的二极管中，钝化层由玻璃沉积形成，限制了最高结温只能到150°C。由于这个原因，Semikron提出了一种由高稳定的氧化层和多晶层组成的钝化结构（见图1），其中的多晶层使结的终端免受环境的影响，如气氛及污染。P^＋掺杂保护环与金属场板、以及氧化／多晶钝化层的结合保证了终端结构允许高的结温。这种终端结构已经证明在T_jmax=175°C下具有高的热稳定性和可靠性。

为了证实热稳定性而进行了加速可靠性试验。这种高温反偏（HTRB）试验使二极管处于最高结温T_jmax=175°C及95％的稳态阻断电压下，试验周期1000小时。

通过完整的HTRB试验，CAL4 F 1700V、CAL4 F 1200V、和CAL4 F 650V二极管的漏电流全都显示在稳定的水平，从而证明这种钝化设计具有非常好的高温特性。HTR试验后，二极管的阻断电流仍然很低，并且，尽管经受了长时间的试验，该阻断电流并没有明显的上升。

图1 CAL 4F二极管横截面，标示了场环、单场板及双场板结构。钝化层由氧化层和多晶层组成。

越来越多的功率电子装置被安装在恶劣环境中而没有任何的外部保护。增强型第4代CAL二极管通过多晶钝化层／氧化层设计，并与新近研发出来的双场环设计相结合（如图1所示），可以应用在恶劣条件中。这种新的结终端设计的优点已经应用于650V和1700V新电压等级，也包括已有的1200V续流二极管。

用于抵御环境影响（如高湿度和温度）的新终端设计的可靠性已经通过试验验证，试验时间1000小时，温度85°C，高湿度（85% r.H.），非常高的反偏电压（80%阻断电压）。在上述试验条件（85% r.H.／85°C／80%的V_RM）下进行试验期间检测的漏电流数据显示，整个试验期间漏电流保持稳定。