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1. 引言
快恢復二極管是一類很重要的開關器件，目前已在各種電子設備特別是開關電源中廣泛應用。隨著器件工作頻率的不斷提高，對快恢復二極管的各項指標的要求也不斷提高。由快恢復二極管本身存在著速度與功耗之間的矛盾，因而在所有指標之間必須折中考慮進行優化，其中對正向壓降-反向恢復時間(VF-trr) 兼容特性、反向漏電流-溫度( IR-T ) 特性的研究最為廣泛，而對反向恢復時間-溫度( trr-T ) 穩定特性的關注較少。近年來，由于開關電源的工作頻率的不斷提高，快恢復二極管工作時溫度上升導致trr值升高的問題也逐漸引起了人們的重視。國外的一些產品手冊中，除了給出室溫下的trr值外，已經對100℃下的trr值作出了限制。很明顯，良好的trr-T穩定特性將有助于提高相關整機的可靠性。
實際生產中，常利用摻Au、Pt 及輻照引入深能級復合中心來控制少數載流子壽命。在關于不同的深能級雜質對器件特性的影響問題上,Baliga發展了最佳壽命控制雜質的選擇理論，此外，人們也探索和研究了各種器件結構來改善快恢復二極管的性能，如Baliga 等人提出的MPS結構,Shimizu 等人提出的SSD結構及Temple 等人提出的優化的縱向少數載流子壽命分布結構。
Temple等人提出的優化縱向少數載流子壽命分布結構 ，通過在器件基區內部引入一層或多層薄的高復合區來改善高速器件的VF-trr兼容特性。受這方面工作的啟發，我們提出了一種新的結構，即少數載流子壽命橫向非均勻分布(minority-carrier life time lateral non-uniform distribution,MLD ) 結構.我們設想，如果在二極管的n 型基區中引入橫向上非均勻分布的深能級雜質，應該對快恢復二極管的各項特性產生影響。與縱向少數載流子壽命優化不同，我們通過對深能級雜質的選擇性掩蔽擴散，在p+nn+型二極管的n型基區內部引入橫向非均勻分布的深能級復合中心，從而制備出了具有少數載流子壽命橫向非均勻分布結構的快恢復二極管。
本文對這種新的快恢復二極管的實驗研究結果。實驗發現，普通均勻摻Au、Pt的快恢復二極管的反向恢復時間trr值隨溫度的升高而大幅度上升，但是具有MLD 結構的快恢復二極管的trr值僅有少量的增加，從而顯示出良好的溫度穩定性。由于功率二極管工作時經常處于較高的結溫之下，因此本工作的結果可用于研制具有高溫度穩定性的快恢復二極管中。
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+二極管芯片結構，其中n型基區寬度約為80μm左右。
然后對制得的二極管芯片硼面進行噴砂處理,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行了對比擴散，證實SiO2 氧化層對Au、Pt均能產生良好的掩蔽作用。盡管Au、Pt等重金屬雜質在硅中的擴散速度很快，可以產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雜質不會在二極管芯片內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)深能級雜質濃度非均勻分布的二極管芯片，實現了少數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”(- a1～0) 和“長壽命區”(0～a2) 相間隔組成，并近似地認為兩個區域內的少子壽命分別是均勻的。
當Au、Pt擴散完畢后，對樣品芯片再進行雙面噴砂處理，在鍍Ni，合金，再鍍Ni后制成完整的快恢復二極管芯片。然后劃片制為1.5mm×1.5mm的樣管芯片，經引線燒結和封裝后制成完整的快恢復二極管樣管。
2.2 測試
反向恢復時間trr的測試用BS4321型二極管恢復時間測試儀測量，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75Ω的負載電阻。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由高壓電源和JED-12型高精度數字電流計組成，測試條件為VR= 600V。溫度控制用自制的變溫槽進行，控溫精度為±1℃。
3. 結果及討論
3.1 VF-trr兼容特性
二極管的正向壓降VF決定了二極管導通工作時的功耗，因而快恢復二極管的VF-trr兼容特性一直是評價其性能的一項重要指標。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的快恢復二極管在整體上的VF-trr兼容特性優于摻Pt的快恢復二極管，這與Baliga的最佳壽命控制雜質的選擇理論是相一致的。對于這一結果，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二極管內的“短壽命區”中的深能級雜質濃度遠高于普通均勻摻雜二極管，相應的少子壽命遠低于普通均勻摻雜二極管。同時，由于Au、Pt雜質的強烈橫向擴散，所形成的“短壽命區”的寬度(a1)也會較寬。這樣,MLD二極管在正向大注入時的電導調制效應被削弱，因而VF-trr兼容特性顯得略差一些。
3.2 IR-T特性
硅快恢復二極管的反向漏電流特性取決于空間電荷區的產生電流，它不僅與摻入的深能級雜質種類有關，也與摻入的深能級雜質總量有關。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。
由于雜質能級本身的特性，摻Au的快恢復二極管的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，可以認為，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。在前面已經提到,MLD二極管在進行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”中的深能級雜質濃度遠高于普通均勻摻雜二極管，同時所形成的“短壽命區”的寬度也會較寬，因此MLD二極管內部的深能級雜質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。
3.3 trr-T特性
溫度是影響半導體器件性能的基本因素之一.當器件的溫度升高時，費米能級(EF) 將會移向禁帶中央，復合中心能級與費米能級之間的相對能量差增加，使得復合中心的復合率降低，少數載流子的壽命增加。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快恢復二極管的trr值與溫度有強烈的依賴關系。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穩定特性。從圖中可以看到，均勻摻Pt樣管的trr-T穩定特性最差，相應的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結構都能夠大幅度地改善快恢復二極管的trr-T穩定特性。在參考文獻一些中，對部分可以在高溫下應用的超快恢復二極管分別給出了25℃時和100℃時的trr值，相應的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
本文提出了一種新的快恢復二極管結構: 橫向少子壽命非均勻分布結構。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進行選擇性地擴散，制備出了摻Au、Pt的MLD快恢復二極管，并對其特性進行了測試研究。實驗結果表明,雖然這種新的快恢復二極管和普通的均勻摻雜快恢復二極管相比，其VF-trr兼容特性略差，并且反向漏電流大約大一個量級，但是這種新結構十分顯著地提高了快恢復二極管trr-T的穩定特性。對MLD二極管這些特性的進一步了解，需要詳細的理論研究,目前這一工作正在進行中。通過優化設計，選取適當的“短壽命區”和“長壽命區”寬度值以及合理控制兩個區域內的少子壽命，可以提高MLD二極管的各項性能指標。
這種新的快恢復二極管可以用于一些對反恢時間變化要求嚴格的領域。另一方面，這種新的少數載流子復合層結構也可望用于其他的雙極器件上，制備出具有優良溫度穩定性的高速開關功率器件。
