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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(duì)快恢復(fù)二極管的各項(xiàng)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(duì)正向壓降-反向恢復(fù)時(shí)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(duì)反向恢復(fù)時(shí)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(shí)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(guó)外的一些產(chǎn)品手冊(cè)中，除了給出室溫下的trr值外，已經(jīng)對(duì)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(jī)的可靠性。
實(shí)際生產(chǎn)中，常利用摻Au、Pt 及輻照引入深能級(jí)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(jí)雜質(zhì)對(duì)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?cè)O(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(jí)雜質(zhì)，應(yīng)該對(duì)快恢復(fù)二極管的各項(xiàng)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(duì)深能級(jí)雜質(zhì)的選擇性掩蔽擴(kuò)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(jí)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(duì)這種新的快恢復(fù)二極管的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)
2.1 樣品制備
實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(duì)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(kuò)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(kuò)散Au或Pt，制成不同trr值的MLD二極管芯片。所有的擴(kuò)散都在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下進(jìn)行。
為了驗(yàn)證SiO2 對(duì)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(duì)比擴(kuò)散，證實(shí)SiO2 氧化層對(duì)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(kuò)散速度很快，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的橫向擴(kuò)散作用，但是因?yàn)榱粝碌难诒蜸iO2 氧化層具有較大的寬度，因而Au、Pt雜質(zhì)不會(huì)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(jí)雜質(zhì)濃度非均勻分布的二極管芯片，實(shí)現(xiàn)了少數(shù)載流子壽命在橫向上非均勻分布。為了簡(jiǎn)單起見，我們可以將樣品芯片看成由“短壽命區(qū)”(- a1～0) 和“長(zhǎng)壽命區(qū)”(0～a2) 相間隔組成，并近似地認(rèn)為兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的少子壽命分別是均勻的。
當(dāng)Au、Pt擴(kuò)散完畢后，對(duì)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(cè)試
反向恢復(fù)時(shí)間trr的測(cè)試用BS4321型二極管恢復(fù)時(shí)間測(cè)試儀測(cè)量，精度為±5ns，測(cè)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(cè)試用BS4121二極管正向壓降測(cè)試儀測(cè)量，精度為±0.01V。反向漏電流的測(cè)試系統(tǒng)由高壓電源和JED-12型高精度數(shù)字電流計(jì)組成，測(cè)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(shí)的功耗，因而快恢復(fù)二極管的VF-trr兼容特性一直是評(píng)價(jià)其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。我們?cè)谥频玫木鶆驌诫s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(cè)試，得到如圖3所示的VF-trr兼容特性圖。
從圖中可以看到，無(wú)論是摻Au還是摻Pt的MLD二極管，與其相對(duì)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(duì)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(duì)于這一結(jié)果，可以做如下的定性解釋: 在實(shí)驗(yàn)中，為了獲得相同的反恢時(shí)間,MLD二極管在進(jìn)行Au、Pt擴(kuò)散時(shí)所使用的擴(kuò)散溫度比均勻摻雜二極管所使用的擴(kuò)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(jí)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(shí)，由于Au、Pt雜質(zhì)的強(qiáng)烈橫向擴(kuò)散，所形成的“短壽命區(qū)”的寬度(a1)也會(huì)較寬。這樣,MLD二極管在正向大注入時(shí)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(jí)雜質(zhì)種類有關(guān)，也與摻入的深能級(jí)雜質(zhì)總量有關(guān)。測(cè)試中，我們?cè)谥频玫木鶆驌诫s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(cè)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(gè)量級(jí)左右。另外也可以看到，摻Pt的MLD樣管在低溫時(shí)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(jí)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(shí)驗(yàn)中，普通均勻摻Au管的IR比均勻摻Pt管也是大一個(gè)量級(jí)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(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散溫度比均勻摻雜二極管的擴(kuò)散溫度要高出大約50℃，其“短壽命區(qū)”中的深能級(jí)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于普通均勻摻雜二極管，同時(shí)所形成的“短壽命區(qū)”的寬度也會(huì)較寬，因此MLD二極管內(nèi)部的深能級(jí)雜質(zhì)總量也會(huì)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(shí)，費(fèi)米能級(jí)(EF) 將會(huì)移向禁帶中央，復(fù)合中心能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之間的相對(duì)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(jí)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(jí)較淺，摻Pt快恢復(fù)二極管的trr值與溫度有強(qiáng)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(cè)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(shí)0.103μs的變化到100℃時(shí)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?？梢钥吹剑瑹o(wú)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(duì)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(shí)和100℃時(shí)的trr值，相應(yīng)的η值范圍為1.40～1.67。而對(duì)于我們實(shí)驗(yàn)中的MLD二極管，無(wú)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(duì)于MLD二極管這一特性的物理機(jī)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(duì)深能級(jí)雜質(zhì)進(jìn)行選擇性地?cái)U(kuò)散，制備出了摻Au、Pt的MLD快恢復(fù)二極管，并對(duì)其特性進(jìn)行了測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)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(gè)量級(jí)，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(duì)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(jì)，選取適當(dāng)?shù)?ldquo;短壽命區(qū)”和“長(zhǎng)壽命區(qū)”寬度值以及合理控制兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的少子壽命，可以提高M(jìn)LD二極管的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
這種新的快恢復(fù)二極管可以用于一些對(duì)反恢時(shí)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。
