铂扩散快恢复二极管特性的研究_孙树梅
高压铂扩散快恢复二极管的研究
高压铂扩散快恢复二极管的研究孙树梅1曾祥斌1袁德成2 梁湛深2 肖敏11)华中科技大学电子科学与技术系，武汉 4300742)上海美高森美半导体有限公司，上海 2100181)Email：smsun@摘要本文对高压快恢复二极管的结构设计和制造工艺进行了深入分析，确定了合理的结构参数和先进的工艺流程。
选用合适的电阻率和厚度的N型直拉硅单晶片，采用磷硼纸源扩散，精确控制基区宽度形成P+NN+结构；采用铂液态源扩散降低少数载流子寿命τ从而缩短反向恢复时间t rr；化学腐蚀形成台面提高反向击穿电压；玻璃钝化保护PN结减小表面污染从而降低表面漏电流提高耐压；双面镀镍金进行金属化等技术。
得到较为理想的反向击穿电压V BR，正向压降V F，反向恢复时间t rr三参数之间的折衷。
器件性能优良，可靠性高，样品通过150°C/ 168小时的高温反偏实验。
关键词铂扩散， P+NN+结构， 反向恢复时间TrrStudy of High V oltage Pt Diffused DiodeSUN Shu-mei1, ZENG Xiang-bin1, YUAN De-cheng2, XIAO min11) Department of Electronic science and technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China; 2)Microsemi Semiconductor Shanghai, Shanghai, 210018, China)1) Email：smsun@Abstract: This article analyzed the device structure and manufacture process of high voltage fast recovery diode. Reasonable structure and advanced process were settled by a series of experiments. The N type CZ wafers were chosen as the main material. Boron and phosphor paper dopant were used for PN junction diffusion in order to form P+NN+ structure. Spin-on platinum diffusion was used to control lifetime of minority carrier to reduce the reverse recovery time t rr. Using chemical mesa etching to increase the breakdown voltage. Glass passvation was used to protect PN junction in order to reduce the surface contamination and surface leakage. Nickel and aurum were plated in double side for metalization. The excellent selections of breakdown voltage, forward voltage and reverse recovery time were obtained and the reliability of the device was pretty good.Keywords: Pt diffusion, P+NN+ structure, reverse recovery time t rr1．引言快恢复二极管具有反向恢复时间短、开关特性好、正向电流大等优点。
高性能PtS2
第42卷 第1期吉林大学学报(信息科学版)Vol.42 No.12024年1月Journal of Jilin University (Information Science Edition)Jan.2024文章编号:1671⁃5896(2024)01⁃0074⁃07高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器收稿日期:2023⁃01⁃12基金项目:上海市自然科学基金资助项目(15ZR1627300)作者简介:潘生生(1995 ),男,合肥人,上海理工大学硕士研究生,主要从事二维光电材料研究,(Tel)86⁃187****3664(E⁃mail)2351948787@;通讯作者:袁涛(1983 ),女,上海人,上海理工大学教授,博士,主要从事新能源材料研究,(Tel)86⁃181****3228(E⁃mail)4673250167@㊂潘生生1,袁 涛1,周孝好2,王 振2(1.上海理工大学理学院,上海200093;2.中国科学院上海技术物理研究所,上海200092)摘要:由于光电探测器的工作性能直接关系到系统数据采集质量,为此,对高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器进行了研究㊂通过选取材料㊁试剂和设备制作了PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器㊂搭建探测器性能测试环境,并利用光响应度㊁探测率㊁响应时间和光电导增益4个指标,分析探测器性能㊂结果表明,随着测试时间的推移,PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的光响应度数值始终处于5A /W 限值以上;无论对采集何种材质反射的红外光,探测器探测率均大于10cm㊃Hz1/2W -1;无论光生电流是处于上升还是下降时间,其响应时间始终在限值150μs 以下;光电导增益值保持在80%以上㊂关键词:PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器;光响应度;探测率;光电导增益中图分类号:TP365.66文献标志码:AHigh Performance PtS 2/MoTe 2Heterojunction Infrared PhotodetectorPAN Shengsheng 1,YUAN Tao 1,ZHOU Xiaohao 2,WANG Zhen 2(1.College of Science,Shanghai University of Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200092,China)Abstract :As one of the important components of the detection system,the performance of photoelectric detector is directly related to the quality of system data acquisition.In order not to affect the final detection result,it is essential to ensure the detector performance.The performance of high performance PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector is studied.First,the materials,reagents and equipment are prepared to make PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetectors.The detector performance test environment,the four indicators of light response,detection rate,response time and photoconductivity gain are set up,and the detector performance is analyzed.The results show that the optical responsivity of PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector is always above the 5A /W limit with the passage of test time.The detection rate of the detector is greater than 10cm㊃Hz1/2W -1regardless of the infrared light reflected from any material.Whether the photocurrent is in the rising time or the falling time,its response time is always below the limit of 150μs;The photoconductivity gain value has been kept above 80%.Key words :PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector;optical responsivity;detection rate;photoconductivity gain0 引 言目标检测是一个确定目标缺陷㊁故障㊁属性㊁类型的过程,其是很多领域的研究重点课题㊂在目标检测过程中,基础数据采集是首要环节,其质量直接关系到目标检测结果的准确性[1]㊂针对目标的不同,基础数据的采集手段也各不相同,如振动传感㊁雷达㊁光电探测系统等㊂其中,光电探测系统根据发射光的颜色不同,又分为紫外光㊁可见光及红外光等[2]㊂而其中红外光由于探测范围较为广泛,使其成为光电探测系统中的重要组成部分㊂其工作原理是反射光照射到半导体材料上后,会吸收光能量,则会触发光电导效应,从而将红外光转换为电信号[3]㊂红外光电探测器是整个探测系统的 核心”,因此其性能会直接影响数据采集质量,进而影响整个探测工作质量㊂基于上述分析,人们对红外光电探测器性能进行了大量分析研究㊂周国方等[4]以石墨烯材料为基础并利用碱刻蚀法合成金字塔状硅,形成异质结,制备近红外光探测器,并针对其响应速度㊁比探测率㊁光电流等性能进行了检测㊂秦铭聪等[5]首先选取探测器制备所需要的材料并制备了各个组成元件,然后将这些元件组合,构成了高性能近红外有机光探测器件,最后针对响应度和比探测率㊁线性动态范围LDR(Low Dynamic Range)㊁光开关特性和响应时间等性能进行了分析㊂皇甫路遥等[6]以二硫化钼和二硒化钨为基础,利用蒸镀机热蒸镀法制备成异质结光电探测器,然后针对该设备进行了拉曼荧光㊁输出㊁光电特性的分析㊂在上述研究基础上,笔者制备高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器并对其性能进行研究,以期为红外光电探测器设计和应用提供参考㊂1 高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器设计1.1 材料制备二硫化铂(PtS 2)是一种过渡金属硫族层间化合物,其光响应特性优秀,因此广泛用于光电探测器的设计中;二碲化钼(MoTe 2)是一种N 型半导体材料,具有良好的光吸收性㊁半导体特性以及同质结效率,可保证电子在其中迅速运动[7]㊂这两种材料是形成探测器光电导效应的主要原料㊂其基础性质如表1所示㊂表1 PtS 2和MoTe 2的性质 2和MoTe 2两种主要材料外,还需要衬底材料,以承载PtS 2和MoTe 2氧化硅,来自浙江精功科技股份有限公司,该硅片基础参数如下:氧化层厚度:50~200μm;晶向:〈100〉;掺杂类型:P;电阻率:1~3Ω㊃cm㊂1.2 试剂制备PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器制备所需试剂如表2所示㊂表2 探测器制备所需试剂57第1期潘生生,等:高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器1.3 设备选取PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器制备所需设备如表3所示㊂表3 探测器制备所需设备Tab.3 Equipment required for detector preparation设备名称型号生产厂家旋涂仪SPIN200i⁃NPP 北京汉达森机械技术有限公司电子束蒸发系统FC /BCD⁃2800上海耀他科技有限公司扫描电子显微镜WF10X /23上海锦玟仪器设备有限公司鼓风干燥箱xud 东莞市新远大机械设备有限公司超声清洗机SB⁃50江门市先泰机械制造有限公司无掩模光刻机Micro⁃Writer ML3英国DMO 公司氮气枪沈阳广泰气体有限公司双温区管式炉MY⁃G3洛阳美优实验设备有限公司紫外曝光系统UVSF81T007356复坦希(上海)电子科技有限公司三维转移平台SmartCART北京昊诺斯科技有限公司1.4 红外光电探测器制作工艺基于表1~表3给出的制备材料㊁试剂和设备,制备出高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器用于性能测试[9]㊂具体过程如下㊂步骤1) 制作衬底㊂①氧化硅片切割成直径为1cm 的圆形硅片;②将圆形硅片放入准备好的烧杯容器中;③在其中加入丙酮溶液,浸泡10min;④取出硅片后,放入乙醇溶液中,再次浸泡10min;⑤将硅片放入去离子水中并同时利用超声清洗机清洗5min,用氮气枪吹干表面的水分,完全去除附着在硅片表面的有机物和杂质;⑥利用氢氟酸溶液去除氧化层;⑦通过外延生长技术得到p 型硅;⑧进行紫外臭氧处理20min,得到衬底[10]㊂步骤2) 利用热辅助硒化法制备PtS 2和MoTe 2薄膜㊂步骤3) 将PtS 2薄膜贴到衬底上,得到薄层PtS 2样品㊂步骤4) 在薄层PtS 2样品上均匀旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯㊂步骤5) 在显微镜和三维转移平台下将MoTe 2薄膜进行精确定位,然后对准并贴合在一起㊂步骤6) 利用鼓风干燥箱干燥处理㊂步骤7) 浸泡氢氟酸溶液㊁捞取㊁烘烤㊁去胶和退火,完成PtS 2/MoTe 2异质结制备[11]㊂图1 PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器示意图Fig.1 Schematic diagram of PtS 2/MoTe 2heterojunction infrared photodetector步骤8) 在PtS 2/MoTe 2异质结上光刻出图形,形成微结构㊂步骤9) 利用紫外曝光和湿法刻蚀工艺制备出晶体管栅极㊂步骤10) 利用电子束曝光结合电子束蒸发系统制备出源漏电极㊂步骤11) 完成高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的制作如图1所示㊂67吉林大学学报(信息科学版)第42卷2 光电探测器性能测试对制备好的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器进行性能测试㊂其测试工作分为两部分,一是设定测试环境,二是确定测试指标[12]㊂2.1 设定测试环境图2 红外光电探测器测试环境Fig.2 Test environment of infrared photodetector 红外光电探测器是光电探测系统中的重要组成部分,光电探测系统主要用于目标检测,因此为测试所制备的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器性能,需要搭配其他系统构成测试环境,如图2所示[13]㊂应用所设计的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器采集反射信号,测试持续10min㊂记录期间内探测器的相关工作参数,以便性能指标的计算[14]㊂2.2 性能测试指标针对所设计的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器,选用以下4个指标进行性能评定,即光响应度㊁探测率㊁响应时间和光电导增益[15]㊂1)光响应度㊂描述探测器光电转换能力的指标,该指标越大,说明探测器的光电转换能力越好㊂计算如下:A =a 1/B ,(1)其中A 表示光响应度,a 1表示光照射下产生的光生电流,B 表示入射光功率㊂光响应度大于5A /W 为高性能标准㊂2)探测率㊂反射的光信号中部分信号是十分微弱的,并不容易被采集到,因此要求探测器具有良好的针对微弱信号的探测能力,探测率就是描述该能力的最直观指标,该指标越大,说明探测器的针对微弱信号的探测能力越好[16]㊂计算如下:C =a 2L /D ,(2)其中D =G 1/A ,(3)其中C 表示探测率,大于10cm㊃Hz1/2W -1为高性能标准,a 2表示器件有效面积,L 表示带宽,D 表示噪声等效功率,G 1表示1Hz 带宽的噪声电流㊂红外光电探测器常用于不同材质目标的检测,因此保证其适用性是非常重要的㊂为此,在文中设置3种材质或属性的探测目标,即混凝土材质㊁金属材质以及人体㊂针对这3种材质或属性的探测目标,测试其探测率变化情况㊂3)响应时间㊂其反映了光电探测器对入射光信号响应的快慢,包括上升和下降时间㊂上升时间是指光生电流从10%上升到90%的这段时间,而下降时间则相反㊂实际应用中对光照快速响应的需求为小于等于150μs,且时间越短,表示器件响应越快㊂计算如下:E =~A[1+(2πeg )2]1/2T ,(4)其中E 表示响应时间,~A表示静态光照下的光响应度,e 表示电子电荷的数值,T 表示时间长度㊂4)光电导增益㊂其指标描述了光作用下外电路电流的增强能力㊂计算如下:H =(a 1/N )MP×100%,(5)其中H 表示光电导增益,该值越大,说明探测器工作越稳定,以80%为标准,大于该值认为探测器达到高性能标准;N 表示光电子的电荷量,P 表示探测器的电子转移效率,M 表示光电子数目㊂77第1期潘生生,等:高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器3 性能测试结果与分析3.1 光响应度图3为光响应度测试结果㊂从图3可看出,随着测试时间的推移,光响应度波动较小,基本保持稳定㊂并且光响应度数值始终处于5A /W 限值以上,说明所设计的PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器达到了高性能标准㊂3.2 探测率图4为探测率测试结果㊂从图4可看出,无论是采集何种材质反射的红外光,所设计的探测器探测率均大于10cm㊃Hz1/2W -1,说明该探测器针对微弱信号具有较强的检测能力,达到高性能标准㊂ 图3 光响应度测试结果 图4 探测率测试结果 Fig.3 Optical responsivity test results Fig.4 Detection rate test results3.3 响应时间图5为响应时间测试结果㊂从图5可看出,无论光生电流处于上升还是下降时间,其响应时间始终在限值150μs 以下,说明所设计的探测器能快速检测入射光信号,完成信号采集工作㊂图5 响应时间测试结果Fig.5 Response time test results图6 光电导增益测试结果Fig.6 Photo conductivity gain test results3.4 光电导增益图6为光电导增益测试结果㊂从图6可看出,随着时间的推移,光电导增益值并没有随之下降,虽然有所波动,但也一直保持在80%以上,证明了所设计探测器的性能㊂4 结 语红外探测器是光电探测系统中的最重要组成部分,起到数据收集的重要作用,而收集的数据质量越高,探测结果越准确㊂因此,保证探测器的工作性能87吉林大学学报(信息科学版)第42卷对于数据收集工作具有重要作用㊂为此,进行了高性能PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器性能研究㊂并以PtS 2/MoTe 2为基础设计一款探测器,同时测定了探测器的4个指标,分析了其探测性能㊂实验结果表明,tS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的光响应度㊁探测率㊁光电导增益均较高,响应时间在限值150μs以下㊂通过本研究以期为PtS 2/MoTe 2异质结红外光电探测器的研究和应用提供参考㊂参考文献:[1]林亚楠,吴亚东,程海洋,等.PdSe 2纳米线薄膜/Si 异质结近红外集成光电探测器[J].光学学报,2021,41(21):184⁃192.LIN Y N,WU Y D,CHENG H Y,et al.Near⁃Infrared Integrated Photodetector Based on PdSe 2Nanowires Film /Si Heterojunction [J].Acta Optica 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快速软恢复二极管的发展现状
快速软恢复二极管的发展现状2005-1-19清华大学核能设计研究院张海涛张斌随着电力电子技术的发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO，MCT，IGBT等，都需要一个与之并联的快速二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。
由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高，为了与其关断过程相匹配，该二极管必须具有快速开通和高速关断能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。
在高压、大电流的电路中，传统的PIN二极管具有较好的反向耐压性能，且正向时它可以在很低的电压下就会导通较大的电流，呈现低阻状态。
然而，正向大注入的少数载流子的存在使得少子寿命较长，二极管的开关速度相应较低，为提高其开关速度，可采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小少子寿命，但这又会不同程度的造成二极管的硬恢复特性，在电路中引起较高的感应电压，对整个电路的正常工作产生重要影响。
因而，开发高频高压快速软恢复大功率二极管已成为一个非常重要和迫切的任务，具有重要的现实意义。
1.快速软恢复二极管的现状 目前，国内快速二极管的水平已达到3000A/4500V，5 s，但是各整流器生产单位在减小二极管的反向恢复时间的同时，一般并不注意提高其软恢复性能。
现在这些二极管一般采用电子辐照控制少子寿命,其软度因子在0.35左右，特性很硬。
国内快速软恢复二极管的研制现状如表1所示。
国际上快速二级管的水平已达到2500A/3000V，300ns，软度因子较小。
采用外延工艺制作的快恢复二极管的软度因子较大（0.7），但它必须采用小方片串并联的方式使用，以达到大电流、高电压的目的。
这样做不仅增加了工艺的复杂性，而且使产品的可靠性变差。
我国的外延工艺水平较低，尚停留在研究阶段，成品率较低，相对成本较高；而采用电力半导体常规工艺制作的快恢复二极管的软度因子较小。
IR铂扩散二级管
IR铂扩散二级管
佚名
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】2004(000)09B
【总页数】1页(P44)
【正文语种】中文
【中图分类】TN31
【相关文献】
1.镀铂层的预扩散处理对铂铝涂层显微结构的影响 [J], 庞英
2.IR具备高阻断电压特性的铂扩散二极管 [J],
3.(1iR,1iiR,2iR,2iiR)-Ni,Nii-(1,3-亚苯基双(亚甲基))环己烷-1,2-二胺作为配体的双核铂配合物的合成及其抗癌活性 [J], 高传柱;陈骥;王天帅;张艳;钱韵旭;杨波;苟少华;董鹏;张英杰
4.二级工作用铂铑30-铂铑6热电偶测量不确定度评定 [J], 李洪卫;李博
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铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中的应用
铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中的应用2012-09-01 08:36:28| 分类：| 标签：|字号大中小订阅铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中的应用在硅快恢复二极管器件制造工艺中，铂扩散的作用与金扩散一样，起到在硅中添加复合中心的作用，其目的是减少硅PN结体内的少数载流子寿命，缩短贮存时间，提高开关速度。
由于金在硅中存在凝聚效应。
即金在硅中的原有溶解度随工艺扩散温度的降低而下降。
因为金原子在硅中扩散很快，随着温度的降低，过量的金或者扩散出硅片表面，或者一小团一小团地凝结在硅片内部。
凝聚成团的金原子其电性能不活泼，不能起复合中心的作用。
实验发现，铂在硅中不存在凝聚效应。
因此，铂扩散工艺广泛地应用于硅快恢复功率二极管器件制造中。
实验证明，合理的铂扩散对提高硅二极管的恢复时间是十分有效的。
此外，对于质量不太好的硅单晶片来说，铂扩散与金扩散一样也有改善PN结反向特性的作用。
同样，铂扩散也给硅二极管的性能带来一定的不利影响，例如致使PN结中轻掺杂区电阻率增大，引起PN结的正向压降增大，加大了二极管的正向耗散功率等。
目前，铂扩散在硅快恢复、超快恢复和高效整流等功率二极管生产中被普遍采用。
因此，铂扩散工艺是当前硅半导体功率器件生产中的一道重要工艺。
1、实验过程采用n型直拉单晶硅片，原始硅片厚度270±5μm，直径76mm。
试验所用的硅片有三种，电阻率分别为：15Ω·cm，30Ω·cm，40Ω·cm。
硅片经清洗后先进行磷预淀积扩散。
磷源采用美国Filmtronics公司P60纸质源，在每两片硅片中间放一张磷源纸，将硅片排列整齐并压紧在石英舟中。
在洁净的石英管内，经过1220℃高温2小时左右，使磷原子扩散到硅片内；接着喷砂去除未附磷纸那一面的扩散层，同时减薄硅片去除约15?m；再在1250℃下进行26小时的硼扩散和磷再分布掺杂。
磷源是在喷砂面涂覆一层溶有三氧化二硼和硝酸铝的混合溶剂，烘烤后再次排放在石英舟中并压紧进行硼扩散，形成P+NN+结构；接着在扩散片的磷面进行旋转涂敷铂源，铂源采用的是Pt920液态源。
工艺参数对TVS器件电性能的影响
为：
! # $ ｘｊ＝２
ｌｎ ＮＳ ＮＢ
!Ｄｔ
（３）
在此，两步扩散的相对扩散长度小于 １／４，符合高
斯分布，随着硅片电阻率的增加，衬底杂质浓度 ＮＢ 减 小，从而导致相同条件下获得的结深更大。图 ３ 示出
推进时间 ｔ 对击
穿 电 压 ＶＢｒ 的 影 响。可见，ＶＢｒ 随扩 散时间 ｔ 的增加
而增大。这是因
为，当扩散温度 Ｔ
图 ３ ｔ 对 ＶＢｒ 的影响
保持恒定时，随着 ｔ 的增加，器件的
ｘｊ 增加，表面杂质浓度 ＮＳ 不断下降，杂质浓度梯度减 小，从而导致雪崩击穿电压增大。
在 ＴＶＳ 器件的制备中，一个很重要的参数就是
器件的击穿电压，ＴＶＳ 分为许多电压档，准确地得到
目标电压是很重要的。这里根据实验给出一个经验
测试电流为 １ｍＡ；反向漏电流的测试电压为 ＴＶＳ 的
额定关断电压，即击穿电压的 ８５％。
３ 结果与讨论
３．１ 推进时间 ｔ 对结深 ｘｊ 及击穿电压 ＶＢｒ 的影响 图 ２ 示出推进时间 ｔ 对结深 ｘｊ 的影响。３ 组电
阻率的硅片在
１２５０℃下 分 别 推
进 １０ｈ，２０ｈ，３０ｈ，
４０ｈ 和 ５０ｈ。由图
验公式的精度较高，在工艺实验中可用来估算扩散
时间。这是一个有用的公式，大量的工艺实验验证了
该公式的正确性。
３．２ 推进温度 Ｔ 对结深 ｘｊ 及击穿电压 ＶＢｒ 的影响 图 ４ 示出推进温度 Ｔ 对结深 ｘｊ 的影响。将 ρ１，
ρ２，ρ３ 这 ３ 组 电 阻 率的硅片分别在
１１００℃ ，１１５０℃ ，
参考文献
［１］ 陈万堂，陈红丽．瞬态电压抑制器［Ｊ］．传感器技术，２００１， ２０（２）：４０￣４２．
铂扩散快恢复二极管的研究
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。
关键词： 铂扩散 快恢复二极管 反向恢复时间 trr 正向压降 VF 漏电流 IR
I
Abstract
The fast recovery diode is widely applied in switching power circuit and related field following the development of the electrical power and electronics in recent year. In fast recovery diode production, the method to reduce minority carrier lifetime and to shorten switching speed is to introduce recombination centre into the device. Platinum diffusion has the feasibility to reduce the reverse recovery time trr that can be analyzed by energy band theory of platinum and lifetime theory. In addition, platinum diffusion is suitable for large quantity production because of low cost. The feasibility of platinum diffusion to control minority carrier lifetime is analyzed theoretically in the thesis.
掺铂超快恢复二极管制备技术及特性的研究
保 密□，在____________年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。
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日期： 年 月 日
日期： 年 月 日
华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
1.1 概述
超快恢复二极管SFRD（Super Fast Recovery Diode）是在快恢复二极管基础上发 展而成的，其开关特性好，反向恢复时间Trr值已接近于肖特基二极管的指标。它可广 泛用于开关电源、脉宽调制器（PWM）、不间断电源（UPS）、交流电动机变频调速 （VVVF）、高频加热等装置中，作为高频、大电流的续流二极管或整流管，是极有发 展前途的电力、电子半导体器件[1,2]。
P
构的超快恢复二极管，必须采用窄基区结构。而基区宽度太小，就难以获得高的反向
击穿电压。所以，严格控制超快恢复二极管的基区宽度是非常必要的。超快恢复二极
管就是要在以上参数的矛盾中获得折衷，获得器件参数的优化[4,5]。然而，如果要用
传统的硼磷双面扩散工艺实现窄基区结构，就必须减小扩散前原始硅片的厚度，在晶
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Ｆ
Ｈ
二极管在正偏时 ｎ 基区存贮电荷也相应增加，显然
不利于反向抽出，从而使 Ｔ 变大。另外，对于 ＲＲ
低
频
管来
说
，由
于少
子
寿命
τ
大从
而
扩散
长
度
Ｌ Ｄ
亦
大，故可充分利用正向注入的电导调制效应，使 ＶＦ
减小。而快恢复管的 Ｔ ＲＲ 很小，τ亦很小，ｎ 基
区中段不能得到有效电导调制，所以 Ｖ 会随着 Ｔ
Ｆ
ＲＲ
Ｆ
ＲＲ
Ｆ
ＲＲ
Ｆ
较大的改善，而且在材料上采用了成本较低的直拉单晶硅片代替成本较高的外延片。分析了铂扩散温度和
时间对反向恢复时间 Ｔ 和正向压降 Ｖ 的影响，理论上解释了各主要参数之间相互影响的原因。
ＲＲ
Ｆ
关键词：铂扩散；反向恢复时间；正向压降；漏电流
中图分类号：Ｔ Ｎ ３ １ ３ ＋． ５ ；Ｔ Ｎ ３ １ ４ ＋． １ ；Ｔ Ｎ ３ １ ５ ＋． ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ３ － ３ ５ ３ Ｘ （２ ０ ０ ６ ）
Ｆｉｌｍｔｒｏｎｉｃｓ公司纸源Ｐ６０在１２５０ ℃进行磷预淀积，
背面喷砂去除约 １５ μ ｍ，再利用 Ｂ４０ 纸源在 １２５０
℃ 温 度 下 进 行硼淀积和磷推进，形成 ｐ ＋－ ｎ－ｎ ＋ 结 构 。
铂源采用美国Ｆｉｌｍｔｒｏｎｉｃｓ公司铂液态源Ｐｔ９２０进行
旋转涂覆。双面喷砂清洗后，分成若干组进行铂扩
ｔｉｍｅ ｏｆ ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ ＴＲＲ ｏｆ ｆａｓｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｉｏｄｅ． Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｌａｔｉｎｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｄｉｏｄｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｏｄｅ
散试验。铂扩散组合不同温度，不同时间在专用石
英管中进行扩散，得到不同的 Ｔ 。各组试验片扩 ＲＲ
铂后经过台面腐蚀，低压化学气相淀积（ＬＰＣＶＤ）
钝化，玻璃钝化，双面化学镀镍金形成欧姆接触。
将硅片切割成１．７１ ｍｍ×１．７１ｍｍ的正方形芯片进行
测试。
２．２ 测试
采用台湾冠魁电机有限公司的 ＡＭＰ－ＭＢ 型 ＴＲＲ
２００６ 年 １２ 月
中具有远离禁带中央的理想能级位置，所以扩铂器
件的漏电流非常低，且扩铂对器件的击穿电压影响
较小。另外，有文献报道，相比金扩散二极管，
铂扩散二极管 Ｖ －Ｔ 特性较差［４］。国外大多采用外 Ｆ ＲＲ
延片来改善 Ｖ － Ｔ 特性，通过实验证明，采用成 Ｆ ＲＲ
本较低的直拉单晶硅片也能够得到Ｖ －Ｔ 较为理想 Ｆ ＲＲ
机制的扩散系数均是温度的函数，温度越高，扩散
系数越大。同时铂在硅中的固溶度随温度变化也比
较剧烈，随着温度的升高，固溶度显著增大。所
以，温度越高，扩入硅中的复合中心浓度越大，从
而使 Ｔ 变小。 ＲＲ 铂在硅中的固溶度除了受到温度的影响之外，
还与衬底的导电类型，掺杂浓度以及晶体缺陷等因
素密切相关。铂的固溶度随着本底掺杂浓度的增加
的折衷。目前国内普遍采用铂扩散技术来缩短器件
反向恢复时间，但关于铂扩散二极管特性研究的详
细报道较少。
本文研究了扩铂快恢复二极管的主要参数特
性，分析了反向恢复时间 Ｔ 和正向压降 Ｖ ；反向
ＦＦ
Ｆ
恢复时间 Ｔ 同铂扩散温度；反向恢复时间 Ｔ 同铂
ＲＲ
ＲＲ
扩散时间；反向恢复时间 Ｔ 与高温漏电流之间的 ＲＲ
ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ Ｔ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔ ａｎｄ Ｖ （ Ｔ ｉｓ ８０～
ＲＲ
ＲＲ
Ｆ ＲＲ
５００ ｎｓ， ＶＦ ｉｓ ０．９～１．３ Ｖ ）ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｃｈｅａｐ ＣＺ ｗａｆｅｒ ｉｎｔｅａｄ ｏｆ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｗａｆｅｒ．
而增大，在相同温度条件下，本底电阻率越小，铂
的固溶度越大，从而 Ｔ 越小，这与图 ３ 所示的结 ＲＲ
果相符。
３．３ ＴＲＲ与扩散时间ｔ之间的关系 除了扩散温度外，扩散时间对扩铂二极管反向
恢复时间也有一定的影响。图 ４ 所示的是扩散温度
分别为为 ９００ ℃和 ８７０ ℃的条件下，电阻率为 ４０
Ω·ｃ ｍ 样品的 Ｔ 与铂扩散时间之间的关系。从 ＲＲ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｌａｔｉｎｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ； ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ； ｆｏｒｗａｒｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ； ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ．
１ 引言
近年来，高压快恢复二极管在开关电源等电路 中得到越来越广泛的应用［１］。在快恢复二极管的制 造中，减小器件少子寿命，提高器件开关速度的方 法是在器件内部引入复合中心。传统的方法是掺金
１２－０９３０－０５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＦＲＤ ｂｙ Ｓｐｉｎ－ｏｎ Ｐｌａｔｉｎｕｍ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ
ＳＵＮ Ｓｈｕ－ｍｅｉ１， ＺＥＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｂｉｎ１， ＹＵＡＮ Ｄｅ－ｃｈｅｎｇ２， ＪＩＡＮＧ Ｌｕ－ｊｉｎ２， ＸＩＡＯ ｍｉｎ１， ＦＥＮＧ Ｙａ－ｎｉｎｇ２
图中可看出，随着铂扩散时间的增加，Ｔ 值逐渐 ＲＲ
减小。在 ９００ ℃时，Ｔ 减小幅度不明显；８７０ ℃ ＲＲ
930 半导体技术第 ３ １ 卷第 １ ２ 期
和掺铂，９０ 年代以来，美国西屋公司开展了电子辐 射（ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，简称 ＥＲ ）技 术 的 研 究 ［ ２ ］。 掺金器件能级较深，高温特性较差，电子辐射感生 的缺陷不稳定，制成的器件长期稳定性不好［３］，而 且成本较高。由于铂扩散形成的替位原子是稳定的 原子缺陷，因此器件的高温稳定性好。同时铂在硅
Ｔｈｅ ｒｅａｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｌａｔｉｎｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｉｏｄｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．
Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＦＲＤ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．
极管的反向恢复时间的目的。通过一系列的实验对铂扩散二极管的特性进行研究，分析了铂扩散二极管等参数之间的关系，并分析了反向恢复时间 Ｔ 的温度特性。
ＲＲ
Ｆ
Ｒ
ＲＲ
得到 Ｔ 与 Ｖ 之间的理想折衷：Ｔ 为 ８ ０ ～５ ０ ０ ｎ ｓ ，Ｖ 控制在 ０ ． ９ ～１ ． ３ Ｖ 。不但使 Ｔ 与 Ｖ 的折衷有了
ＶＦ－ＴＲＲ 特性变得更差。这是因为随铂扩散温度的升
高，扩入硅中的铂浓度增加，从而使体电阻增加，
致使 Ｖ 略有升高。另外，有资料报道随着温度升 Ｆ
高，铂在硅中的浓度增加，当铂浓度增加到一定数
量时，样品的本底电阻率会增加［６］。由此可知，在
确定的 ｎ 基区宽度下，要得到较小的正向压降，扩
散温度不宜太高。
ST 设计与开发 Design and development
铂扩散快恢复二极管特性的研究
孙树梅 １ ，曾祥斌 １ ，袁德成 ２ ，蒋陆金 ２ ，肖敏 １ ，冯亚宁 ２
（１． 华中科技大学 电子科学与技术系，武汉 ４３００７４； ２． 上海美高森美半导体有限公司，上海 ２１００１８）
摘要：描述了用直拉单晶（Ｃ Ｚ ）硅片采取铂液态源扩散的方法控制少子寿命，以达到减小快恢复二
３．２ ＴＲＲ 与扩散温度 Ｔ 的关系 图３所示的是反向恢复时间ＴＲＲ与铂扩散温度之
间的关系曲线。从图中可看出，扩散时间一定的条
件下，随着铂扩散温度的升高，反向恢复时间 Ｔ ＲＲ
呈线性下降趋势。并且相同扩散温度条件下，电阻
率越小的样品 Ｔ 值越小。 ＲＲ 根据扩散理论可知，铂在硅中的扩散同时包括
间隙式扩散和替位式扩散两种机制，而这两种扩散
结深一定时 ｐ＋－ｎ 结压降亦为定值。此时影响正向压
Semiconductor Technology Vol. 31 No. 12 931
ST 设计与开发 Design and development
降的关键因素是 ｎ 基区体压降。理论分析得到［５］
Vm
≈
W2 B
/(2τµ) =
( 2VT WB
/ 2LD )2 ⑴
关系，同时还分析了 Ｔ 的温度特性。通过实验， ＲＲ
得到了 Ｖ －Ｔ 之间的较为理想的折衷：Ｔ 为 ８０～
Ｆ ＲＲ
ＲＲ
５００ ｎｓ，ＶＦ 为 ０．９～１．３ Ｖ。
２ 实验
２．１ 样品制备
样品全部用 ｎ 型直拉单晶硅，片厚 ２７０ μ ｍ ±
５ μ ｍ，直径 ７６ ｍｍ。试验用三种电阻率的样品：
１ ５ Ω·ｃ ｍ ，３ ０ Ω·ｃ ｍ ，４ ０ Ω·ｃ ｍ 。用美国
之间
的
理想
折
衷。
一
般
快
恢复
系
列
二
极管
Ｔ 为 １００～５００ ｎｓ，Ｖ 控制在 １．０～１．３ Ｖ。另外，
ＲＲ
Ｆ
从图 １ 还可以看出，相同 Ｔ 下，电阻率越高，样 ＲＲ
品的 Ｖ 越大，即随着电阻率的增加，Ｖ －Ｔ 特性
Ｆ
Ｆ ＲＲ
变差。
从理论上讲，高的大注入寿命τ有利于减小二 Ｈ
极管 ｎ 基区压降，从而使 Ｖ 下降。但当τ 较大时，
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｔｏ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｆａｓｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ