131 1300 0010
1. 引言
快恢復(fù)二極管是一類很重要的開關(guān)器件，目前已在各種電子設(shè)備特別是開關(guān)電源中廣泛應(yīng)用。隨著器件工作頻率的不斷提高，對快恢復(fù)二極管的各項指標(biāo)的要求也不斷提高。由快恢復(fù)二極管本身存在著速度與功耗之間的矛盾，因而在所有指標(biāo)之間必須折中考慮進(jìn)行優(yōu)化，其中對正向壓降-反向恢復(fù)時間(VF-trr) 兼容特性、反向漏電流-溫度( IR-T ) 特性的研究最為廣泛，而對反向恢復(fù)時間-溫度( trr-T ) 穩(wěn)定特性的關(guān)注較少。近年來，由于開關(guān)電源的工作頻率的不斷提高，快恢復(fù)二極管工作時溫度上升導(dǎo)致trr值升高的問題也逐漸引起了人們的重視。國外的一些產(chǎn)品手冊中，除了給出室溫下的trr值外，已經(jīng)對100℃下的trr值作出了限制。很明顯，良好的trr-T穩(wěn)定特性將有助于提高相關(guān)整機的可靠性。
實際生產(chǎn)中，常利用摻Au、Pt 及輻照引入深能級復(fù)合中心來控制少數(shù)載流子壽命。在關(guān)于不同的深能級雜質(zhì)對器件特性的影響問題上,Baliga發(fā)展了最佳壽命控制雜質(zhì)的選擇理論，此外，人們也探索和研究了各種器件結(jié)構(gòu)來改善快恢復(fù)二極管的性能，如Baliga 等人提出的MPS結(jié)構(gòu),Shimizu 等人提出的SSD結(jié)構(gòu)及Temple 等人提出的優(yōu)化的縱向少數(shù)載流子壽命分布結(jié)構(gòu)。
Temple等人提出的優(yōu)化縱向少數(shù)載流子壽命分布結(jié)構(gòu) ，通過在器件基區(qū)內(nèi)部引入一層或多層薄的高復(fù)合區(qū)來改善高速器件的VF-trr兼容特性。受這方面工作的啟發(fā)，我們提出了一種新的結(jié)構(gòu)，即少數(shù)載流子壽命橫向非均勻分布(minority-carrier life time lateral non-uniform distribution,MLD ) 結(jié)構(gòu).我們設(shè)想，如果在二極管的n 型基區(qū)中引入橫向上非均勻分布的深能級雜質(zhì)，應(yīng)該對快恢復(fù)二極管的各項特性產(chǎn)生影響。與縱向少數(shù)載流子壽命優(yōu)化不同，我們通過對深能級雜質(zhì)的選擇性掩蔽擴散，在p+nn+型二極管的n型基區(qū)內(nèi)部引入橫向非均勻分布的深能級復(fù)合中心，從而制備出了具有少數(shù)載流子壽命橫向非均勻分布結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)二極管。
本文對這種新的快恢復(fù)二極管的實驗研究結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)，普通均勻摻Au、Pt的快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間trr值隨溫度的升高而大幅度上升，但是具有MLD 結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)二極管的trr值僅有少量的增加，從而顯示出良好的溫度穩(wěn)定性。由于功率二極管工作時經(jīng)常處于較高的結(jié)溫之下，因此本工作的結(jié)果可用于研制具有高溫度穩(wěn)定性的快恢復(fù)二極管中。
2. 實驗
2.1 樣品制備
實驗的原始材料選取電阻率為30～50Ω·cm的n型直拉(CZ)硅單晶磨片，直徑為76mm ，厚度為250±5μm。采用高純磷(P40)、硼(B15) 紙片源，在1250℃下一次擴散形成p+nn+二極管芯片結(jié)構(gòu)，其中n型基區(qū)寬度約為80μm左右。
然后對制得的二極管芯片硼面進(jìn)行噴砂處理,清洗后一部分芯片直接在860～900℃下擴散Au或Pt，制成不同trr值的普通均勻摻雜的快恢-濕氧-干氧的方法氧化生成約1μm 厚的氧化層; 再利用光刻技術(shù)在二極管芯片的硼面生成尺寸如圖1所示的等間距圓形掩蔽圖形，去膠清洗后再在900～950℃下擴散Au或Pt，制成不同trr值的MLD二極管芯片。所有的擴散都在高純氮氣的保護下進(jìn)行。
為了驗證SiO2 對Au、Pt的掩蔽能力，我們還用整塊覆蓋有SiO2 氧化層的二極管芯片進(jìn)行了對比擴散，證實SiO2 氧化層對Au、Pt均能產(chǎn)生良好的掩蔽作用。盡管Au、Pt等重金屬雜質(zhì)在硅中的擴散速度很快，可以產(chǎn)生很強的橫向擴散作用，但是因為留下的掩蔽SiO2 氧化層具有較大的寬度，因而Au、Pt雜質(zhì)不會在二極管芯片內(nèi)部形成完全均勻的分布.這樣，便可以制得如圖2 所示的在橫向上(x方向)深能級雜質(zhì)濃度非均勻分布的二極管芯片，實現(xiàn)了少數(shù)載流子壽命在橫向上非均勻分布。為了簡單起見，我們可以將樣品芯片看成由“短壽命區(qū)”(- a1～0) 和“長壽命區(qū)”(0～a2) 相間隔組成，并近似地認(rèn)為兩個區(qū)域內(nèi)的少子壽命分別是均勻的。
當(dāng)Au、Pt擴散完畢后，對樣品芯片再進(jìn)行雙面噴砂處理，在鍍Ni，合金，再鍍Ni后制成完整的快恢復(fù)二極管芯片。然后劃片制為1.5mm×1.5mm的樣管芯片，經(jīng)引線燒結(jié)和封裝后制成完整的快恢復(fù)二極管樣管。
2.2 測試
反向恢復(fù)時間trr的測試用BS4321型二極管恢復(fù)時間測試儀測量，精度為±5ns，測試條件為正向注入電流50mA，反向抽取電壓10V，串聯(lián)75Ω的負(fù)載電阻。正向壓降VF的測試用BS4121二極管正向壓降測試儀測量，精度為±0.01V。反向漏電流的測試系統(tǒng)由高壓電源和JED-12型高精度數(shù)字電流計組成，測試條件為VR= 600V。溫度控制用自制的變溫槽進(jìn)行，控溫精度為±1℃。
3. 結(jié)果及討論
3.1 VF-trr兼容特性
二極管的正向壓降VF決定了二極管導(dǎo)通工作時的功耗，因而快恢復(fù)二極管的VF-trr兼容特性一直是評價其性能的一項重要指標(biāo)。我們在制得的均勻摻雜樣管和MLD樣管中，選取室溫下(27℃)具有不同trr值的樣管，在正向電流IF=1.5A 的條件下進(jìn)行了測試，得到如圖3所示的VF-trr兼容特性圖。
從圖中可以看到，無論是摻Au還是摻Pt的MLD二極管，與其相對應(yīng)的均勻摻雜二極管相比，VF-trr兼容特性的總體水平都略差一些。以摻Pt管為例，對于trr值同為0.06μs的管子,MLD管的VF為1.44V，而均勻摻雜管的VF為1.30V。另一方面,可以看到，摻Au的快恢復(fù)二極管在整體上的VF-trr兼容特性優(yōu)于摻Pt的快恢復(fù)二極管，這與Baliga的最佳壽命控制雜質(zhì)的選擇理論是相一致的。對于這一結(jié)果，可以做如下的定性解釋: 在實驗中，為了獲得相同的反恢時間,MLD二極管在進(jìn)行Au、Pt擴散時所使用的擴散溫度比均勻摻雜二極管所使用的擴散溫度要高出大約50℃，因而MLD二極管內(nèi)的“短壽命區(qū)”中的深能級雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于普通均勻摻雜二極管，相應(yīng)的少子壽命遠(yuǎn)低于普通均勻摻雜二極管。同時，由于Au、Pt雜質(zhì)的強烈橫向擴散，所形成的“短壽命區(qū)”的寬度(a1)也會較寬。這樣,MLD二極管在正向大注入時的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)被削弱，因而VF-trr兼容特性顯得略差一些。
3.2 IR-T特性
硅快恢復(fù)二極管的反向漏電流特性取決于空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流，它不僅與摻入的深能級雜質(zhì)種類有關(guān)，也與摻入的深能級雜質(zhì)總量有關(guān)。測試中，我們在制得的均勻摻雜樣管和MLD樣管中，選取室溫下(27℃) trr值都為0.09μs的四種樣管進(jìn)行了測試，得到如圖4所示的IR-T特性圖.從圖中可以看到,MLD二極管在整體上的反向漏電流較普通均勻摻雜管大約大一個量級左右。另外也可以看到，摻Pt的MLD樣管在低溫時的反向漏電流雖然比均勻摻Au的樣管大，但是在高溫下，兩者的反向漏電流基本處于同一水平。
由于雜質(zhì)能級本身的特性，摻Au的快恢復(fù)二極管的IR大于摻Pt管。在我們的實驗中，普通均勻摻Au管的IR比均勻摻Pt管也是大一個量級左右，因此，從這一角度出發(fā)，可以認(rèn)為，摻Pt的MLD二極管和普通均勻摻Au管具有近似相同的反向漏電流和IR-T 特性。在前面已經(jīng)提到,MLD二極管在進(jìn)行Au、Pt擴散時的擴散溫度比均勻摻雜二極管的擴散溫度要高出大約50℃，其“短壽命區(qū)”中的深能級雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于普通均勻摻雜二極管，同時所形成的“短壽命區(qū)”的寬度也會較寬，因此MLD二極管內(nèi)部的深能級雜質(zhì)總量也會高于普通均勻摻雜二極管，使得MLD二極管具有較大的反向漏電流。盡管MLD二極管的反向漏電流較大，但是MLD二極管的反向漏電流依然處于使用容許的范圍之內(nèi)。
3.3 trr-T特性
溫度是影響半導(dǎo)體器件性能的基本因素之一.當(dāng)器件的溫度升高時，費米能級(EF) 將會移向禁帶中央，復(fù)合中心能級與費米能級之間的相對能量差增加，使得復(fù)合中心的復(fù)合率降低，少數(shù)載流子的壽命增加。由于Au的能級較深，靠近禁帶中央，因此摻Au快恢復(fù)二極管的trr值隨溫度的變化較為緩慢；而Pt的能級較淺，摻Pt快恢復(fù)二極管的trr值與溫度有強烈的依賴關(guān)系。選取在室溫下trr值相近的均勻摻雜樣管和MLD樣管，測量得到如圖5所示的trr-T特性圖。
為了便于比較，我們用變化比例
來表征樣管的trr-T穩(wěn)定特性。從圖中可以看到，均勻摻Pt樣管的trr-T穩(wěn)定特性最差，相應(yīng)的trr值由室溫時0.103μs的變化到100℃時的0.279μs，η值為2.71; 均勻摻Au樣管優(yōu)之，trr值變化為0.098μs到0.172μs，η值為1.76; 而摻Pt的MLD樣管的trr-T穩(wěn)定特性不僅較均勻摻Pt樣管有提高，而且超過了均勻摻Au樣管，trr值變化為0.093μs 到0.128μs，η值為1.38; 摻Au的MLD樣管的trr-T穩(wěn)定特性最佳，trr值變化為0.091μs 到0.112μs，η值僅為1.23。可以看到，無論是摻Au還是摻Pt,MLD結(jié)構(gòu)都能夠大幅度地改善快恢復(fù)二極管的trr-T穩(wěn)定特性。在參考文獻(xiàn)一些中，對部分可以在高溫下應(yīng)用的超快恢復(fù)二極管分別給出了25℃時和100℃時的trr值，相應(yīng)的η值范圍為1.40～1.67。而對于我們實驗中的MLD二極管，無論是摻Au還是摻Pt，η值都低于這一范圍，因此,MLD二極管特別適用于高溫的環(huán)境。對于MLD二極管這一特性的物理機理，目前正在研究之中。
4. 小結(jié)
本文提出了一種新的快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu): 橫向少子壽命非均勻分布結(jié)構(gòu)。我們利用普通的p+nn++二極管芯片，通過SiO2屏蔽層對深能級雜質(zhì)進(jìn)行選擇性地擴散，制備出了摻Au、Pt的MLD快恢復(fù)二極管，并對其特性進(jìn)行了測試研究。實驗結(jié)果表明,雖然這種新的快恢復(fù)二極管和普通的均勻摻雜快恢復(fù)二極管相比，其VF-trr兼容特性略差，并且反向漏電流大約大一個量級，但是這種新結(jié)構(gòu)十分顯著地提高了快恢復(fù)二極管trr-T的穩(wěn)定特性。對MLD二極管這些特性的進(jìn)一步了解，需要詳細(xì)的理論研究,目前這一工作正在進(jìn)行中。通過優(yōu)化設(shè)計，選取適當(dāng)?shù)?ldquo;短壽命區(qū)”和“長壽命區(qū)”寬度值以及合理控制兩個區(qū)域內(nèi)的少子壽命，可以提高M(jìn)LD二極管的各項性能指標(biāo)。
這種新的快恢復(fù)二極管可以用于一些對反恢時間變化要求嚴(yán)格的領(lǐng)域。另一方面，這種新的少數(shù)載流子復(fù)合層結(jié)構(gòu)也可望用于其他的雙極器件上，制備出具有優(yōu)良溫度穩(wěn)定性的高速開關(guān)功率器件。
