漂移階躍恢復二極體及其製備方法
2023-05-24 19:26:31 4
專利名稱：漂移階躍恢復二極體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體開關二極體，尤其涉及一種納秒脈衝源器件中的作為開關 使用的漂移階躍恢復二極體(DSRD)及其製備方法。
背景技術：
在超寬帶脈衝源中，產生從皮秒到納秒超寬帶脈衝的關鍵電子元件是開關。在產
生納秒級的高壓脈衝時，傳統的器件(如等離子斷路器、注射式閘流管和爆破絲等)壽命
短、抗衝擊能力差以及無法重複使用。傳統的半導體器件，如用專用場效應電晶體最快速的
電流切斷時間需10ns且系統很複雜，成本昂貴。傳統的大功率高壓半導體二極體其電流切
斷過程的持續時間在微秒量級，遠高於納秒量級。無法滿足納秒脈衝源的需要。
目前快速發展的基於雪崩效應的雪崩電晶體組件在短時間(小於10-8s)內不僅
能實現幾十到幾百千伏的高電壓輸出，而且能實現兆瓦量級的高功率輸出，因此這種發展
中的新型高功率、高電壓半導體開關漂移階躍恢復二極體DSRD在超寬帶雷達中具有廣泛
的發展空間和應用前景。這種開關的主要優點輸出功率高、長壽命、高穩定性、體積小、重
量輕、相對簡單的生產製造技術，同時還具有重要特性等離子體泵浦的等離子體抽取時間
周期在100 300ns內完成高功率的產生，具有高重頻特性。在等離子體抽取時間周期尾
端DSRD回到初始斷開狀態，又為下一周期高功率脈衝的產生做好準備。 但是，目前應用的DSRD開關存在脈衝前沿大、為獲得高輸出功率輸入電流大、負
載上電壓脈衝幅度小、DSRD器件上損耗的預脈衝能量大等問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是通過改變DSRD器件的內部結構，以解決脈衝前沿大、 負載上電壓脈衝小、DSRD器件上損耗的預脈衝能量大的問題。 為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是一種漂移階躍恢復二極體，其 基底為N型襯底，在N型襯底內部通過摻雜形成有摻磷的N+區、摻鋁的P區、摻硼的P+區； 其中N+區與P+區位於N型襯底的兩側，P+區與P區相鄰接，P區與N+區通過N區隔離開， 其中P+區與P區總的結深為100iim 130iim。上述N+區的結深為50 y m 120iim。
上述漂移階躍恢復二極體的製備方法為包括以下步驟1)在準備好的N型襯底 上雙面擴散磷；2)氧化形成保護層；3)單面研磨去除擴散的磷層並進行鋁擴散；4)在進行 鋁擴散的一面進行硼擴散；5)N型襯底雙面鍍鎳，其特徵在於上述鋁擴散時採用的爐溫為 1250°C 126(TC，時間為50 52小時。 採用上述技術方案所產生的有益效果在於結構中採用淺的高濃度硼結和超深的 鋁擴散結，短N區和深的N+區磷擴散結構，使得器件在反向切斷過程中，梯度分布的等離子 體前沿分別穿過P區和N基區從P+P結和N+N結向PN結迅速運動，隨著空間電荷區的快速 擴展，兩邊的等離子體前沿正好在PN結結面處相遇，從而使DSRD開關達到了最快的切斷速 度；由於器件的切斷速度快，因此其di/dt非常大，在電路中電感的作用下，負載上將得到極高幅度的電壓脈衝；同時由於採用了深結磷擴散技術，達到了縮短N基區的目的，從而減 小正向損耗，因此在DSRD器件上損耗的預脈衝能量也會很小。
圖1是本發明提供的DSRD的結構示意圖； 圖2是具有Ins脈衝前沿、電壓為1KV的DSRD的摻雜曲線； 圖3是DSRD觸發脈衝波形； 圖4是由圖1所示DSRD結構單元組成的DSRD堆結構示意圖； 圖中1 N型襯底，l-l N+區，l-2 N區，l-3 P區，1-4 P+區，1-5鎳層。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 參見圖l，本發明提供的漂移階躍恢復二極體DSRD，其基底為N型襯底l，在N型 襯底1內部通過摻雜形成有摻磷的N+區l-l、摻鋁的P區l-3、摻硼的P+區1-4 ;其中N+區 1-1與P+區1-4位於N型襯底1的兩側，？+區1-4與P區1-3相鄰接，P區1-3與N+區1-1 通過N區l-2隔離開，其中P+區1-4與P區l-3總的結深為100iim 130iim。上述N"區 1-1的結深為50 ii m 120 ii m。本實施方式中N型襯底1優選為矽襯底。
參見圖2給出的具有lns脈衝前沿、電壓為1KV的DSRD的摻雜曲線。N型矽襯底l 材料初始的電阻率20Q *cm 30Q *cm，因此，DSRD結構的N區1_2電阻率也為20 Q *cm 30Q *Cm。結構中的P區l-3是由鋁擴散形成的，P+區l-4是由硼擴散形成的，鋁擴散的結 深100 ii m 130 ii m，硼結深約15 y m。因為高的鋁、硼擴散結深差別對獲得良好的DSRD器 件電參數非常重要。器件的N+區1-1是由磷擴散形成的，結深50 ii m 120 ii m，其擴散分 布是在長時間的鋁擴散中形成的。磷擴散的結深之所以比鋁擴散的淺是因為它的擴散係數 小導致的。DSRD矽襯底的厚度250iim 300iim，這是為了在1KV脈衝電壓下正常工作器 件的基區需要保留足夠的厚度。硼和磷的表面濃度為1019 1(T個/cm3，這麼高的表面濃 度對獲得良好的載流子注入和表面接觸是非常必要的。鋁擴散的表面濃度約為7 8X 1015 個/cm3，它對獲得平滑的、深的鋁擴散分布曲線是很必要的。 參見圖3所示的DSRD器件的觸發波形。較短的注入和抽取電流脈衝的脈寬有利 於獲得較快的輸出脈衝前沿。為了獲得lns的輸出脈衝前沿，注入和抽取脈衝的脈寬應不 超過200ns和100ns。抽取脈衝的峰值電流密度應在200 250A/cm2。較高的峰值電流密 度會導致DSRD器件上的損耗增加，而較低卻會導致輸出脈衝的電壓變小。
DSRD開關的工作原理為DSRD開關在注入階段儲存電荷，在抽取階段需將同樣的 電荷去除。因此，其儲存和去除的電荷是相等的，即注入電流脈衝波形和抽取電流脈衝波形 的面積是相等的。DSRD開關在反向電流脈衝即將完成時迅速關斷，同時產生DSRD輸出脈 衝。首先，對DSRD器件施加正向觸發(即陽極加正信號)，正向電流流過具有P+PNN+結構 的DSRD，器件中被注入等離子體，為了在器件內部形成等離子體梯度，要求正向觸發時間要 短(一般小於200ns)。強烈的不均勻分布的形成導致了大部分(約為75%)的等離子體 集中在P區1-3。當一個快速上升的反向電流脈衝流過器件時，濃度波快速反向從N"區1-1 向PN結移動，同時，聚集在P+P結附近的等離子體由於空穴的遷移開始下降，由此產生的濃度波前沿穿過P區1-3向PN結移動。對P+PNN+結構的正反向電流脈衝參數的設計要嚴格 挑選，以使兩個波的前沿恰好在PN結結面附近相遇。此時，二極體中的等離子體消失，流過 二極體的反向電流只受從PN結反方向運動的多數載流子的影響。隨著這種情況的發生，在 PN結附近將形成空間電荷區，同時二極體兩端的電壓迅速增加，流過二極體的電流被強制 斷開。這一過程的速度主要是由空間電荷區邊界穿過N區1-2的速度決定的。因此DSRD參 數通常要按下述途徑選擇當等離子體前沿相遇時要保證反向電流密度JK在瞬間達到載流 子飽和漂移電流密度js， js " q n。
Vs，其中n。為載流子數目，Vs為載流子飽和速度，並且 在切斷過程早期等離子體邊界以最終可能的載流子飽和速度Vs = 107cm *s—1移動。如果jK > Js，在濃度波拖尾邊緣後面的N區1-2中"預脈衝增大"和開關損耗上升，而當jK << js， 被切換的功率減小，電電中性條件將被破壞，這將造成電壓脈衝形成中出現流切斷時間t。ff 就變長了。在脈衝系統中常取jK = 0. 8Js，並最終使切斷時間t。ff " W^/、，其中W^表示 空間電荷區寬度。 上述漂移階躍恢復二極體的製備方法，包括以下步驟1)在準備好的N型襯底1 上雙面擴散磷；2)氧化形成保護層；3)單面研磨去除擴散的磷層並進行鋁擴散；4)在進行 鋁擴散的一面進行硼擴散；5)N型襯底1雙面鍍鎳，其特徵在於上述鋁擴散時採用的爐溫 為1250°C 126(TC，時間為50 52小時。
可以分為以下具體工序 1)材料準備取矽片作為N型襯底1的材料，雙面打磨矽片至400iim，對矽片進行 化學清洗，甩幹。 2)磷擴散在矽片打磨過的兩表面塗敷磷酸乙醇溶液，其中磷酸和乙醇的體積比
為l : 20，並在空氣氣氛、118(TC下，保溫2小時進行推結處理。 3)用HF去除矽片表面的磷矽玻璃(PSG)，時間5min，溫度20 24°C 。 4)去離子水衝洗10分鐘，水流速度1L/min.擴散後磷的表面濃度應^ 1020個/
cm3，結深約為10iim。 5)矽片化學清洗，甩幹。 6)表面氧化在溼空氣中對圓片進行熱處理，溫度1248t: 1252t:，時間4 5小 時，溼空氣水汽氣氛，氧化層厚度要求在O. 7iim 0. 9mii 。也可選用其它方法氧化，如在流 動的氧氣中氧化。 7)單面磨片打磨矽片的一面至矽片厚度為260iim，去除該打磨麵的擴散的磷 層，清洗後乾燥。 8)鋁擴散將質量濃度為1%的硝酸鋁的乙醇溶液塗敷在打磨過的矽片的一面，
在空氣氣氛、125(TC 126(TC下，推結處理50小時 52小時。鋁擴散結深應^ 100iim，一
般在100 ii m 130 ii m範圍內，磷結深應^ 50 y m， 一般為50 y m 120 y m。 9)用HF酸從矽片表面去除鋁矽玻璃，時間約15min。在腐蝕鋁矽玻璃時，矽片的
另一面必須用抗酸的覆蓋物保護，可選用清漆。 10)去除覆蓋物，對矽片進行清洗，並乾燥。 11)在去掉鋁矽玻璃層的一面塗敷質量濃度為1%的硼酸的乙醇溶液。空氣氣氛 下，先在1200°C 1210。C的爐溫下保溫2 3小時，然後在800°C 810。C下恆溫20 30 小時進行推結處理。硼的結深一般為15 ii m 20 ii m，表面濃度為1019 102°個/cm3。
12)用HF酸去除矽片表面的氧化層，時間約20min。用去離子衝洗矽片約IO分鐘， 水流速度0. 5L/min，並乾燥。 13)用四探針表面電阻儀檢測矽片表面電阻，硼的表面電阻在1. 8 2 Q / □之內， 磷的表面電阻在O. 6 0. 8Q / □。 14)化學鍍鎳鍍液的主要成分有氯化鎳(NiCl) 150g，檸檬酸(C6H807) 325g，連二 磷酸鈉(NaH2P04) 50g，氯化銨(NH4C1) 250g，水5公升。用氨水調節鍍液的PH值為7 8，鍍 液溫度8(TC，時間4min。 15)去離子水衝洗5分鐘左右，水流速度0. 5L/min，並乾燥。 16)在真空環境中進行退火處理，爐溫650 700°C ，時間15min。 17)去離子水超聲清洗，然後用去離子水衝洗5分鐘左右，水流速度0. 5L/min，並乾燥。 18)化學鍍鎳鍍液的主要成分有氯化鎳(NiCl) 150g，檸檬酸(C6H807) 325g，連二 磷酸鈉(NaH2P04) 50g，氯化銨(NH4C1) 250g，水5公升。用氨水調節鍍液的PH值為7 8，鍍 液溫度8(TC，時間5min。 19)去離子水衝洗5分鐘左右，水流速度0. 5L/min，並乾燥。 20)在真空環境中進行退火處理，爐溫650 700°C ，時間15min。 21)去離子水超聲清洗，然後用去離子水衝洗5分鐘左右，水流速度0. 5L/min，並乾燥。 22)化學鍍鎳鍍液的主要成分有氯化鎳(NiCl) 150g，檸檬酸(C6H807) 325g，連二 磷酸鈉(NaH2P04) 50g，氯化銨(NH4C1) 250g，水5公升。用氨水調節鍍液的PH值為7 8，鍍 液溫度8(TC，時間7 8min。 23)去離子水衝洗5分鐘左右，水流速度0. 5L/min，並乾燥。 —種漂移階躍恢復二極體，該漂移階躍恢復二極體是由權利要求1所述漂移階躍 恢復二極體串聯組成的漂移階躍恢復二極體堆，具體製備過程 1)對加工好的DSRD 二極體進行表面清洗，並用勒克司電脈衝方法測試DSRD 二極 管的可動電荷載流子壽命TP， Tp應^ lOiis，用厚度測試儀測量DSRD二極體的厚度。
2)用ta測試儀測試DSRD二極體的反向電壓延遲時間t a。 3)將t A偏差小於Ins且厚度偏差不大於10 y m的DSRD 二極體串接在一起形成 DSRD二極體堆，每個DSRD二極體堆焊接10個DSRD 二極體，所用焊料為Sn63Pb37。
4)用碳化矽沙將DSRD二極體堆的側表面打磨光滑。 5)用有機溶劑(如苯、甲苯、丙酮)清洗DSRD二極體堆，去離子水衝10min以上， 水流速度O. 5L/min。 6)用防酸的清漆保護DSRD 二極體堆鍍鎳表面。 7)用質量比為1 : 4 : 2的HF : HN03 :乙酸溶液腐蝕DSRD二極體堆，腐蝕最好 分兩次進行，兩次腐蝕之間要用去離子水衝洗DSRD 二極體，每次腐蝕時間約20到25秒。
8)去離子水衝洗15分鐘，水流速度lL/min。 9)用濾紙擦乾DSRD 二極體堆，然後在15(TC下恆溫5到10分鐘。 10)用耐熱的矽有機化合物(或其它類似的化合物)保護DSRD 二極體堆的側表
面，並固化塗敷的化合物。
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11)用Sn63Pb37焊料將鎢接觸盤焊接在DSRD 二極體堆的兩端。
12)測試DSRD 二極體堆的主要參數延遲時間t 4、峰值電壓UMX和上升時間t r。
本發明提出的DSRD做到了傳統器件無法做到的事情，而且其製造工藝技術非常 簡單，可以用整個矽片進行器件製作(最大直徑125mm)，因而單只DSRD開關的反向脈衝幅 度可以非常高。在直徑為25mm的矽片上器件的工作面積約4cm2，也就是在jK = 200A *Cm—2 時脈衝幅度為800A，工作電壓為1. 5KV時脈衝功率約1. 2麗。由於DSRD開關便於串聯使用， 因而用這些器件可以製作高功率的納秒脈衝發生器。DSRD的工作頻率原則上可以非常高， 因為在正向和反向脈衝通過後(也就是從一個循環開始後500ns)下一個循環幾乎能立即 開始。
權利要求
一種漂移階躍恢復二極體，其基底為N型襯底(1)，在N型襯底(1)內部通過摻雜形成有摻磷的N+區(1-1)、摻鋁的P區(1-3)、摻硼的P+區(1-4)；其中N+區(1-1)與P+區(1-4)位於N型襯底(1)的兩側，P+區(1-4)與P區(1-3)相鄰接，P區(1-3)與N+區(1-1)通過N區(1-2)隔離開，其特徵在於P+區(1-4)與P區(1-3)總的結深為100μm～130μm。
2. 根據權利要求l所述的漂移階躍恢復二極體，其特徵在於N+區(1-1)的結深為50 ii m 120 ii m， N區(1-2)的厚度為20 ii m 30 ii m。
3. 根據權利要求l所述的漂移階躍恢復二極體，其特徵在於P+區(1-4)的硼離子的表面濃度和N+區(1-1)的磷離子的表面濃度為1019 102°個/cm3。
4. 根據權利要求1所述的漂移階躍恢復二極體，其特徵在於P區(1-3)的鋁離子擴散的表面濃度為7 X 1015 8 X 1015個/cm3。
5. 根據權利要求l所述的漂移階躍恢復二極體，其特徵在於P+區(1-4)的結深為15 ii m 20 ii m。
6. 根據權利要求1所述的漂移階躍恢復二極體，其特徵在於N型襯底(1)的電阻率的範圍為20 Q cm 30 Q cm，厚度為在250 ii m 300 ii m範圍內。
7. 根據權利要求1所述的漂移階躍恢復二極體，其特徵在於在N型襯底(1)的P+區(1-4)和N+區(1-1)兩側鍍有鎳層(1-5)。
8. —種漂移階躍恢復二極體，其特徵在於該漂移階躍恢復二極體是由權利要求1所述漂移階躍恢復二極體串聯組成的漂移階躍恢復二極體堆。
9. 一種權利要求1所述的漂移階躍恢復二極體的製備方法，包括以下步驟1)在準備好的N型襯底(1)上雙面擴散磷；2)氧化形成保護層；3)單面研磨去除擴散的磷層並進行鋁擴散；4)在進行鋁擴散的一面進行硼擴散；5)N型襯底(1)雙面鍍鎳，其特徵在於上述鋁擴散時採用的爐溫為1250°C 126(TC，時間為50 52小時。
10. 根據權利要求9所述的漂移階躍恢復二極體的製備方法，其特徵在於所述擴散磷在空氣氣氛下進行，爐溫控制在1180°C 119(TC，時間為2 2. 5小時；所述硼擴散在空氣氣氛下進行，在1200°C 1210。C下保溫2 3小時，在800°C 810。C下恆溫20 30小時。
全文摘要
本發明提供了一種納秒脈衝源器件中的作為開關使用的漂移階躍恢復二極體及其製備方法。基底為N型襯底(1)，在N型襯底(1)內部通過摻雜形成有摻磷的N+區(1-1)、摻鋁的P區(1-3)、摻硼的P+區(1-4)；其中N+區(1-1)與P+區(1-4)位於N型襯底(1)的兩側，P+區(1-4)與P區(1-3)相鄰接，P區(1-3)與N+區(1-1)通過N區(1-2)隔離開，其特徵在於P+區(1-4)與P區(1-3)總的結深為100μm～130μm。通過改變DSRD器件的內部結構，以解決脈衝前沿大、負載上電壓脈衝小、DSRD器件上損耗的預脈衝能量大的問題，從而提高了DSRD開關的切斷速度。
文檔編號H01L29/861GK101777587SQ200910263948
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者劉忠山, 崔佔東, 楊勇 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所