（微电子学与固体电子学专业论文）半导体断路开关（sos）效应实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 半导体断路开关s o s ( s e m i c o n d u c t o ro p e n i n gs w i t c h ) 是一种脉冲功率断路开关， 它具有大电流、高电压、高d i d t 、长寿命和高重复频率等特点。电感储能和断路开 关在脉冲功率技术中发展迅速，由于电感储能中磁场能量密度比电容储能中电场能 量高两个数量级，基于s o s 的脉冲功率发生器有着十分广阔的应用领域和市场前景。 s o s 是种具有p + - p n n + 结构的二极管，本文主要研究了这种新器件的关断机 制并对s o s 效应进行测试。介绍了一种物理数学模型可分析大注入条件下电子一空 穴动力学。模型考虑了实际的半导体结构掺杂剖面和以下的一些电子一空穴基本运 动过程：强场中载流子的扩散和漂移；深能级杂质的复合；俄歇复合；密集等离子 体的碰撞离子化。基于此模型的仿真结果显示二极管中的电流关断首先发生在高掺 杂的p 区，而不是在低掺杂的1 1 区，代表着半导体器件中一种新的电流关断理论。 基于s o s 双回路泵浦电路原理搭建了s o s 效应测试电路，对样品i ( 实验室 研制二极管) 和样品i i ( 快恢复二极管) 进行测试。样品i 反向过电压系数k 。最高 可达1 9 ，反向过电压半高脉宽t ，晟小可达1 2 0 n s ，器件特性更接近于s o s 效应。测 试过程中减小泵浦电容和电感的参数值，均会使二极管t ，变窄。泵浦电容和泵浦电 压的减小均会使注入二极管的电荷减少，使其产生的反向过电压减小。负载阻抗的 变化也会影响二极管的测试特性。 针对s o s 二极管的结构和实验室的条件，设计了制各器件的工艺流程，并采用 化学腐蚀减薄的方法取代了传统的研磨减薄工艺。通过对多个比例的腐蚀液进行实 验研究，得到了适合实验室工艺的溶液配比，成功应用于芯片制备过程中。 关键词：脉冲功率技术发生器半导体开关s o s化学腐蚀 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o ro p e n i n gs w i t c hi sap u l s e dp o w e ro p e n i n g s w i t c ha n dh a s c h a r a c t e r i s t i c so fg r e a tc u r r e n t ，h i g hv o l t a g ea n dd i d t ，l o n gl i f e t i m ea n dh i g hr e p e t i t i v e r a t e i n d u c t i v es t o r a g e sa n do p e n i n gs w i t c ha p p l i e di np u l s ep o w e rt e c h n o l o g ya r e d e v e l o p i n gr a p i d l ya n db e c a u s et h em a g n e t i cf i e l de n e r g ys t o r e di ni n d u c t i v es t o r a g e si s a p p r o x i m a t e l yt w oo r d e r so f m a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h ee l e c t r i cf i e l de n e r g yi nc a p a c i t i v e s t o r a g e s ，p u l s e dp o w e rg e n e r a t o r sb a s e d o ns o sh a v ev e r ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf i e l da n d m a r k e tp r o s p e c t s o si sas o r to fd i o d e so fp + - p - n n 十s t r u c t u r e t h i sp a p e ri sm a i n l yt or e s e a r c ht h e o p e n i n gp m c e s so ft h i s n e wd e v i c ea n dt e s tt h es o se f f e c t am o d e la l l o w i n g e l e c t r o n - h o l ep l a s m ad y n a m i c sa ts u p e r - h i 曲i n j e c t i o n l e v e l st ob ea n a l y z e dw a s i n t r o d u c e dt oa c c o u n tf o rt h es o se f f e c ta n ds t u d yt h ep r o c e s s e di ns e m i c o n d u c t o r s t r u c t u r e s t h em o d e lt a k e si n t o c o n s i d e r a t i o nt h ea c t u a ld o p i n gp r o f i l eo f s e m i c o n d u c t o rs t r u c t u r ea n dt h ef o l l o w i n ge l e m e n t a r yp r o c e s s e si nt h ee l e c t r o n - h o l e p l a s m a ：t h ed i f f u s i o na n d d r i f to f c u r r e n tc a r r i e r si ns t r o n ge l e c t r i cf i e l d s ；r e c o m b i n a t i o na t d e e pi m p u r i t i e s ；a u g e rr e c o m b i n a t i o n ；i m p a c t i o n i z a t i o ni nad e n s ep l a s m a t h e e m u l a t i o n a lr e s u l t sb a s e do nt h i sm o d e lh a v es h o wt h a tt h ec u r r e n ti n t e r r u p t i o np r o c e s s o c c u r sn o ti nt h el o w d o p e dnb a s eo ft h es t r u c t u r ea tf i r s t b u ti ni t sh i g h - d o p e dpr e g i o n t h e r e f o r e ，s o se f f e c tr e p r e s e n t saq u a l i t a t i v e l yn e wp r i n c i p l eo fc u r r e n ts w i t c h i n gi n s e m i c o n d u c m rd e v i c e s t h es o se f f e c tt e s t i n gc i r c u i ti sd e s i g n e db ya n a l y z i n gs o sd o u b l ep u m p i n gc i r c u i t ， a n dt h es a m p l ei ( d i o d e sm a d eb yo u rl a b ) a n dt h es a m p l ei i ( f a s tr e c o v e r yd i o d e ) i st e s t e d o nt h i sc i r c u i t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es a m p l eii sn e a r l yt oh a v et h e s o se f f e c t , t h e m a x i m u no f i t sc o e f f i c i e n t o f t h er e v e r s eo v e r v o l t a g e k o v c a nr e a c h l 9 a n ： t h em i n i m u no ff w h m ( f u l lw a v ea th a l fm a x i m u m ) o f t h er e v e r s eo v e r v o l t a g et vc a n i i 华中科技大学硕士学位论文 r e a c h1 2 0 n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i o d e sa r ed e e p l ya f f e c t e db yc h a n g i n gd e m e n t p a r a m e t e r s 、p u m p i n gv o l t a g ea n dl o a di m p e d a n c ei nt e s t i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo f s o sd i o d e sa n dt h et e c h n i c sc o n d i t i o no f o u rl a b o r a t o r y , t h ed e v i c e sf a c t u r ef l o wi sd e s i g n e da n dt h ec h e m i c a le r o d i n gm e t h o di si n t r o d u c e dt o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lm b b m gw a y t h ec o r r o s i o ns o l u t i o nr a t i o sa d a p t i n gt ot h et e c h n i c s i n l a b o r a t o r ya r ea c q u i r e db yn u n l e r o n se x p e r i m e n t s ，w h i c hh a v eb e e na p p l i e dt ot h e p r e p a r a t i o np r o c e s so f c h i p s k e yw o r d s ：p u l s e dp o w e rt e c h n o l o g y g e n e r a t o rs e m i c o n d u c t o rs w i t c h s o sc h e m i c a le r o d i n g i i i 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 个人或集体己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，均己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。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：钏堡鼻 日期：沙5 年中月中日 1 指导教师签名：写：蔫擐 日期：2 o - o 纬斗月毕e t 幺千， 玉 臼 勃 y 月 一 邓 赚 州 一 魄 华中科技大学硕士学位论文 1 1 脉冲功率技术概述 1 绪论 脉冲功率技术是一种研究能量储存、能量压缩、能量转换和能量传输的高新技 术，它首先把电能以较低的功率存储起来，通过开关、传输线技术等在很短的时间 内把能量释放给负载，从而在负载上获得很高的脉冲功率。脉冲功率技术的研究开 始于二十世纪三十年代，随着核物理、电子柬、加速器、激光、等离子体技术以及 放电理论的研究进展和日益广泛应用，n = - 十世纪七十年代后期，脉冲功率得到重 视并迅速发展。脉冲功率技术以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点，在核爆 炸模拟、受控核聚变试验、强流粒子束加速器、高功率脉冲激光器、高功率微波、 定向武器、电磁发射、电磁推进、电磁形成、脉冲磁场、材料表面处理、辐射加工、 食品保鲜、药品消毒、污水治理、净化空气及半导体离子注入等国防科研、近代科 学和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值m2 1 。 一般来说，脉冲功率装置包括初级能源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统 以及负载。其中前三部分组成了高功率脉冲电源部分，高功率脉冲电源是脉冲功率 技术的主要组成部分。它是为脉冲功率负载提供电磁能量的装置，构成了脉冲功率 技术的主体。事实上，脉冲功率技术的发展和应用其决定因素就是高功率脉冲电源 技术。 从目前的应用看，初级能源的种类形式很多。其中初级能源装置主要有以下几 种：以电场形式储能的电容器或m a r x 发生器；以磁场形式储能的电感器或脉冲变 压器；以机械能电能转换的脉冲发电机；以化学能电能转换的特种电池；还有以核 能电能转换的装置。采用何种装置，应视用途和中间储能、脉冲形成系统的性质以 及总体成本而定。 中间储能和脉冲成形单元，除具有储能和形成脉冲的功能外有时还起能量转 化的作用。它包括：容性传输( 或成形) 线；电感储能器：脉冲变压器：磁通压缩 华中科技大学硕士学位论文 发生器的变成器；磁流体发电机的通道发电系统；以及使用机械能的感应发电机系 统等。使用何种系统，应视初级能源的类型和负载形式以及本身成本而定。有时不 需要中间储能和脉冲成形单元，仅用转换开关即可。 转换系统是指整个系统内各种转换开关。它包括闭合开关和断路开关两种，实 际上它们可以分布在脉冲功率放电系统的不同位置。根据具体情况，有时只用闭合 开关，有时仅用断路开关，有时联合使用。 就一般情况而言，高功率脉冲电源工作过程分为以下几步：首先对初级储能装 置进行充电，使其储备足够的能量；然后，通过初级能源向中间储能装置充电；最 后，经过中间储能装置进行能量压缩，提高能量密度，最后快速放电给负载。高功 率脉冲电源目前主要有五种储能形式，它们分别是：电容储能、电感储能、化学能、 核能和机械能f 3 】o c a ) 电容储能 ( b ) 电感储能 图卜1 简单的电容储能和电感储能 充放电电路原理示意图 负载 直到七十年代中期，脉冲功率技术一直以电容储能与闭合开关技术为基础【4 】。 因为去离子水的介电常数高( e 8 1 ) ，采用水介质同轴线作中间储能电容，储能 大，阻抗低，容易获得高功率大电流脉冲。水介质同轴线电容储能是比较成熟的技 术，国外早期建造的脉冲功率装置基本采用水介质同轴线技术，如美国的s a t u r n 装 置和p b f a z 装置等；国内如西北核技术研究所研制的“闪光二号”相对论电子加 速器等1 5 】。图1 1 ( a ) 为简单的电容储能装置电路原理示意图，实际的电容储能系 统一般采用多级水线脉冲压缩段以获得高功率短脉冲大电流，如图1 - 2 ( a ) 所示。 华中科技大学硕士学位论文 水介质同轴线电容储能与闭合开关技术的主要缺点是： 1 ) 由于传输线的电容耦合，在最终需要的高电压脉冲( 主脉冲) 到达负载之 前，负载上产生了虽幅值较低但作用时间较长的电压脉冲( 预脉冲) ，如为抑制预 脉冲而增加脉冲线和开关的数目，则系统的可靠性降低。 2 ) 为了获得约l o o n s 高功率大电流脉冲，驱动z p i n c h 负载，初级储能需要经 过几级水线脉冲成形、压缩和传输，因此系统庞大、结构复杂、造价过高。 3 ) 电容储能的能量密度由于受材料的击穿场强的限制，比电感储能的能量密 度低约两个数量级，并且水线之间的高电压闭合开关由于绝缘的限制，本质上电感 不容易降低。 慢速蛱津 断箍开关断踏并关 图1 - 2 ( a ) 典型多级闭合开关的电容储能系统 ( b ) 典型多级断路开关的电感储能系统 电容储能与闭合开关技术存在的问题促使人们寻找另外的技术途径，电感储能 ( i n d u c t a n c ee n e r g ys t o r a g e ，以下简称i e s ) 与断路开关技术因此发展起来6 m 。图 1 1 ( b ) 为简单的电感储能装置的原理示意图，实际的电感储能装置也要采用多级 华中科技大学硕士学位论文 断路开关，如图1 2 ( b ) 所示。电感储能与电容储能相比，储能密度高，系统体积 小，重量轻，造价降低，因此应用电感储能有潜力得到更高的能量利用率和脉冲功 率。电感储能系统的绝缘问题相对容易解决。 i e s 必须使用断路开关才能将能量释放到负载中去。断路开关有很多种，如等 离子断路开关( p l a s m ao p e n i n gs w i t c h ，以下简称为p o s ) 、电爆炸金属导体断路开 关( f u s eo p e n i n gs w i t c h ，以下简称f o s ) 等。i e s 优点的发挥依赖于断路开关的 性能，即传导时间、传导电流、断开阻抗及阻抗变化率和抖动等。传导时间增加可 以显著减小脉冲功率装置的造价、体积和复杂程度。在传统电容储能型装置的输出 末端增加一真空传输线电感储能端和数十纳秒传导时间p o s ，不仅彻底消除了二极 管预脉冲，而且获得了明显的功率倍增，代表装置如美国海军研究实验室( n r l ) 的g a m b l ei i ，美国国防特殊武器局( d s w a ) 下属的b l a c k j a c k 一5 、p h o e n i x 、p i t h o n 等；通过注入更多的等离子体，p o s 传导时间增加到数百纳秒视，脉冲形成线可以 去掉，如美国核辐射效应模拟装置d e c a d e 【8 】，圣地亚哥国家实验室( s n l ) 拟议 中的j u p i t e r 、n r l 的z f x 、p i 公司的f t s 装置等；当开关传导时间达到微秒数量 级时，低电感、油( 或空气) 绝缘冲击电流源通过断路开关对真空传输线电感直接 充电成为可能，如n r l 的h a w k 和d s w a 的a c ei v 【9 l 、俄罗斯托木斯克大电流所 g i t 系列装置【l 们、法国计划建造的s y - r i n x 装置等：当断路开关的传导时间达到 数微秒，低电感、空气绝缘的大电流源可直接给储能电感充电，典型装置有美国空 军菲利浦实验室( p l ) 的s h i v as t a r 装置、n r l 的p a w n 和r o o k 、西北核技 术研究所引进的r s 一2 0 1 2 】等。随着等离子体辐射源负载爆轰稳定时间的增长和快放 电电容储能技术的发展，或许可以直接有初级储能电容器组驱动等离子体辐射源负 载【1 3 】。 1 2 断路开关及新型半导体断路开关 电感储能型高功率脉冲电源技术的重点和难点在于断路开关的设计。断路方法 二 ： 分为两类，即直接法和抵消脉冲法“j 。直接断路开关的原理电路如图1 3 ( a ) 。工 4 华中科技大学硕士学位论文 = = 一 l ll s 1印 rf f l j ( a ) 直接断路原理 l 2s c 2 ( b ) 抵消脉冲断路原理 r 图1 - 3 断路方法 作原理：储能电感l s 由电源断路开关s o p 充电，然后闭合s c ，同时断开s o p ，将 l s 中存储的能量传送到负载r 上。抵消脉冲断路开关原理电路如图1 - 3 ( b ) 。工作 原理：电容c 先预充电到某值，储能电感l s 由电源经断路开关s o p 充电，充到某 一值时闭合s c l ，c 将沿回路s o p 、s c l 放电，产生抵消脉冲电流1 ，将断路开关电 流抵消到零或者较小值时再断开s o p ，同时闭合s c 2 ，这样l s 总存储的能量就传送 到了负载rr 。 1 2 1 常用的脉冲功率断路开关简述 一般来说，能用于直接断路电路的断路开关都可以用于抵消脉冲型断路开关。 目前高功率脉冲电源直接断路开关有很多种，表1 1 列出了几种常见的断路开关的 有关参数及特点。 晶闸管常作为脉冲电源的功率开关，具有控制方便，开通时间短等优点，但其 耐压较低，可流过的脉冲电流也很有限，因而晶闸管单独作为高功率脉冲电源的断 路开关已不多用。为此，人们试图通过串并联方式来提高系统的容量。也有通过与 其它断路器( 或开关) 进行复合使用，但这样一来使系统变得复杂同时还降低了系 统的可靠性。 触发真空开关又称触发真空间隙，是在真空间隙和触发火花隙技术的基础上发 展雒来昀a 触发真空开关具有结构紧凑、介质恢复迅速、操作无噪声、工作可靠性 高、环境适应性强等优点。不过电极烧蚀比较严重，触发电流也很大。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 1 几种常见的断路开关 断路电流、断路电压及 断路开关名称特点及优缺点 开关动作时间典型值 等离子体( 融蚀) 断路开关p o s 1 4 m a ，2 5 6 n s to 月 ( p l a s m ae r o s i o no p e n i n gs w i t c h ) o 7 5 m a 42 5 m v ，i o n s q 断路电流大，开关动作时问短 超导开关( s u p e r c o n d u c t i n gs w i t c h ) 7 k a ，5 k v t 断路时问短，d r d t 大 炸药爆炸断路开关e x s ( e x p l o s i v e l y 2 0 m a ，几个微秒”i 结合了熔丝开关的原理，断路电流 d r i v e no p e n i n gs w i t c h ) 大，速度快，效率高，单次工作 电爆炸导体( 熔丝) 开关f o s 6 0 m a 1 t s i 。9 】断路电流大，但只能单次工作 ( f u s eo p e n i n gs w i s h ) 接触电阻低，开关热容量大，运用抵 机械开关( m e c h a n i c a ls w i t c h )5 0 k a 2 0 l 消脉冲技术断路电流可达兆安级 可与其它开关如g t o 组成复合开关 真空开关v i ( v a c u u mi n t e r r u p t e r )1 0 0 k a ，1 0 n s l 2 l 】 以增加断流能力 反射开关r s ( r e f l e xs w i t c h ) 4 m v i ”i 扩散放电开关d d s 1 8 k a 1 8 k v 【2 开关导电辜可控，但电流密度低 ( d i f f u s ed i s c h a r g e ss w i t c h ) 控制方便，若通过串并联可以断路更 晶闸管s c r6 k a ，8 k v l ” 大的电流 电爆炸导体开关因为其结构简单，目前已经成为比较成熟的断路开关器件，它 常用于电感储能的高功率脉冲电源中，利用电爆炸导体开关可在较低的冲击电压下 获得幅值很高的电压脉冲，同时脉冲宽度被压缩，而且容易调节脉冲宽度，可以获 得n s 至邮的脉冲，其电流可达几十兆安。但它只能单次运行，而且断开不可控。 等离于体开关是利用在高真空阴阳极间隙注入等离子体实现电流传导，并在极 短的时间内迅速实现断路的一种断路开关，二十年来得到广泛应用和发展。当等离 子体开关传导时间达到1 微秒以上、传导电流达到兆安量级，由于开关等离子体与 负载的相互作用、电极溢出粒子和阴极等离子体等条件的影响，使开关断路阻抗降 低，电流损失增大，而且开关阻抗过早崩溃，严重影响开关切换效率。为了提高等 离子体开关的断路性能，人们采用了很多改进措施，如通过改变阴极半径、阳极结 构来增大传导电流，提高了开关断路电压。另外，等离子体开关可重复使用，但是 断开是不可控的，而且数学模型复杂，给研究设计带来很大不便。 华中科技大学硕士学位论文 电子束控制反射断路开关是一种处于磁场中的三电极器件，它能传导大电流， 当电子束的反射次数很大时，通流能力几乎不受空间电荷效应限制，关断时间仅为 数十纳秒，且可以外加触发控制断开、特别适于多路电感储能系统并联使用，是一 种原理新颖、非常有发展和应用前景的断路开关，但它也只能一次运行，而且阳极 箔产生的大量快速中性粒子对传导和断路都有很大影响。 以上各种开关不能同时满足高功率、高重复率、n s 级快过程、长使用寿命的要 求。设计新型的脉冲功率装置需要寻找一种新的高密度能量转换原理，最有希望的 就是固态断路开关装置。 1 2 2 新型半导体断路开关s o s 1 9 9 1 年，俄罗斯电物理所的s k l y u b u t i n 等人在用s d l 高压二极管作整流实 验时发现，使一定持续时间的正向电流及一定持续时间的反向电流( 电流密度高达 几十k a c m 2 ，电流通过时间为几百个纳秒) 依次通过整流二极管，反向电流的衰 减时间降到了几十个纳秒。这种大电流密度在纳秒级时间被截断的现象称之为s o s 效应 2 ”。因此随后的工作致力于研制一种特殊的二极管，它并不是作为种整流器， 而是作为一种快速截断反向电流的装置。也就是说这种s o s 二极管代表着一种新 型的全固态的大电流密度纳秒级断路开关 2 6 】。 s o s 效应的实验研究表明：s o s 二极管的开关特性不仅仅只依赖于泵浦参数 ( 泵浦电流和泵浦时间) ，初始掺杂浓度对其特性也具有决定性的影响【2 7 】。为了检 测结构参数对于s o s 的电流截断过程的影响，s n r u k i n 等人通过改变初始掺杂浓 度、基区长度、结构的截面面积和p - n 结的深度做了一系列的实验。实验结果表明， 当p - n 结的深度x p 从1 0 0 # m 增至到2 0 0 # m 时，恢复过程也一直处于上升趋势。所 得的s o s 二极管的特性参数也证明了其具有比标准的硬恢复大电压二极管更加优 良的开关特性。在实验研究的同时，人们也通过建立理论模型来解释所观察到的效 应 2 8 - 3 1 l 。计算结果显示，所得的结论与实验的结果是相符合的，即随着s o s 二极 管结构的p - n 结的深度x p 的增加，电流截断时间将减小。 由于这种新型的二极管能够提供更具价值的截断电流以及截断时间，其能量转 华中科技大学硕士学位论文 换效率也比s d l 二极管有很大的提高【3 2 】。因此，s o s 二极管被广泛用来提高脉冲 功率装置的能量转换效率、脉冲重复频率以及其使用寿命。图l 一4 是一种典型的s o s 二极管堆，半导体开关是由一系列基本二极管芯片进行简单的串并联组成。 图1 4 典型的s o s 二极管堆 基于s o s 二极管的脉冲功率发生器没有使用气体放大开关，因此消除了对脉 冲重复频率的基本限制3 3 。3 4 l 。目前基于s o s 技术的紧凑型全固态高重复频率脉冲 功率源也已经成系列化，与同等功率水平的以高压气体开关为基础的脉冲功率源相 比，具有体积小、重量轻、造价低、寿命长等优点，并在高重复频率方面有着巨大 的发展潜力阁。国外俄罗斯【3 6 】、日本旧均已有s o s 脉冲功率发生器的测试分析。 国内中国科学院电工研究所弼l 、西安交通大学p 9 1 和西北核技术研究所4 0 删均开始了 基于s o s 脉冲功率发生器方面的研究。 基于s o s 脉冲功率技术的应用领域 4 3 】包括：大电流电子束的产生、x 射线的 产生、空气电晕放电去除有害物质以及泵浦气体激光、高功率微波( h i g hp o w e r m i c r o w a v e ，简称h p w ) 辐射等。尤其是s o s 的长寿命优点，不仅为射频、射束 的武器化提供新的技术支持，而且将推动脉冲功率技术在工业领域的发展及应用。 e h b a s k s t h 等 4 4 1 检验了用电感存储进行预充，s o s 二极管作为电流继电器的电 华中科技大学硕士学位论文 子放电激光器的性能。研究了各种类型的激光器，特别是c 0 2 ，n 2 和无链i - i f 激光 器。电感存储比起电容存储更加与非线性气体放电负载匹配。特别是在其他条件相 同的情况下，i - i f 激光器的泵浦功率比起电容存储的泵浦功率要高两倍以上。 s o s 发生器最有前途的应用是空气或其他气体的电子流电晕放电点火装置。在 形成放电阶段给气体隙加上一个脉冲，如果放电电流很低，发生器运行在空闲机制 并保证过电压迅速增大，那么电感存储将会在放电阶段维持隙内电流。如果脉冲很 窄( 数量级为几纳秒) ，电子流放电近似体电荷形式，能量就能有效地存储于气体中。 1 3 本论文研究内容 鉴于s o s 的发展和应用前景，以及国内外的研究现状，对s o s 开关以及基于 s o s 的脉冲功率发生器进行了较全面深入的理论分析和实验研究。本论文根据课题 组的总体安排，进行了如下几个方面的研究工作： ( 1 ) 研究s o s 效应断路机理。 ( 2 ) 通过分析基于s o s 脉冲发生器的电路运行原理，设计s o s 效应测试电路， 并对实验室特制二极管和快恢复二极管进行s o s 效应测试。 ( 3 ) 通过对测试结果的分析确定影响s o s 效应的泵浦条件。 ( 4 ) 研究s o s 二极管芯片的工艺，并对硅片进行了化学腐蚀减薄实验研究。 华中科技大学硕士学位论文 2 半导体断路开关s o s 2 1 半导体中纳秒电流关断现象 固体内纳秒时间电流关断的物理原理有两种：一种是基于在电子束或激光辐射 影响下，随之关断离子化源，半导体内部高电导率的结果；另一种是电流注入晶体 管结构的基区，随后反向电流移走所有存储电荷。前者的一些明显的技术限制实际 上已使它被排除用在脉冲功率工程中，这包括必须使用带电粒子加速器或激光器去 控制断路开关的运行，以及半导体中很低的关断电流参数和维持电压参数【4 5 1 。 1 9 5 0 年就发现了在半导体二极管内利用电流注入电荷可突然关断反向电流的技 术，并积极地进行研究以设计高速脉冲二极管。具有突然关断电流效应的二极管称 为电荷存储二极管( c h a r g es t o r a g ed i o d e s ，c s d ) ，c s d 的运行原理是基于在扩散 二极管的基区存在一个内建的减速场，并由施主原子的浓度梯度决定。在正向电流 通过形成电荷积累的阶段，由n 基区指向p 区的内建电场防止注入空穴深扩散进入 基区，并维持电荷处于p n 结附近。在反向电流流过时的高反向电导率使得全部的积 累电荷有足够的时问离开二极管的基区。体电荷在p n 结附近形成时，留在基区的少 量剩余电荷导致了在l o 一一1 0 _ 1 0 s 内突然的反向电流关断。在低注入水平和基区施 主杂质高掺杂条件下，二极管才能在c s d 模式下运行，转换到大电流运行模式( 高 和超高注入水平) 和减小n 基区掺杂水平以提高二极管反向电压导致了内建电场减 弱和突然关断电流效应的消失。具有内建电场的c s d 的典型运行电流和反向电压分 别为1 0 1 0 0 m a 和1 0 5 0 v 。 1 9 8 3 年，i v g r e h o v 提出并实旌一种具有p + 廿n + 结构的大电流运行模式，关断 电流密度高达2 0 0 a e m 2 ，电流关断时间为2 n s ，运行电压为l k v ，这种二极管称为 阶跃恢复漂移二极管( d r i f ts t e pr e c o v e r yd i o d e s ，d s r d ) i 4 6 。运行原理如下：短 时正向电流脉冲在靠近p n 结的基区形成薄的注入等离子体层，那里拥有绝大部分的 积累电荷。当反向预充电流流过，靠近p n 结的等离子层被清除，同时从剩余基区漂 o 华中科技大学硕士学位论文 移移走空穴。通过选择结构参数( 基区长度和掺杂程度) 和泵浦条件( 电流持续时 间和密度) ，在移走所有非平衡载流子时，漂移电流密度达到最大值并达到给定的基 区掺杂水平。如果满足这个条件，反向电流关断过程意味着平衡载流予以约1 0 7 c m s 的最大饱和速率从基区被移走。因此，通过d s r d 结构的电流密度被限定。为了得 到1 以k v 的通过结构的电压，基区施主杂质浓度不能高于1 0 h e r n 3 。在电流关断时， 其相应的最大电流密度为1 6 0 2 0 0 a c m 2 。通过增大芯片面积和使用多个芯片串联可 以提高断路开关的运行电流和电压参数。从文献所获得的d s r d 参数为：脉冲电压 8 0 k v ，电流8 0 0 a ，脉冲重复率为l k h z ，通过二极管串联可以得到。 用标准高压二极管对交流电整流时发现了s o s 效应，并发现了电流密度和泵浦 时间的某种联系。其后的工作主要是研发一种特殊二极管，不是用来整流，而是用 来突然关断反向电流。初步试验表明，在s o s 效应条件下，硬恢复和软恢复二极管 有明显的不同，区别在于高电流密度和短的泵浦时间，即初始掺杂剖面很重要。s o s 二极管是一种特殊设计的二极管，具有p + - p n 一1 1 + 结构，可以获得极短的反向恢复时 间。由于在半导体结构的p 区和1 - 1 区中有剩余电荷，使得s o s 可以在特定周期内引 导反向电流通过。剩余电荷由正向泵浦电流流过s o s 二极管时提供。随后使s o s 二 极管上的电压极性反向，反向电流流过二极管。二极管中剩余电荷的复合导致了快 n fc m 一3 2 0 刊基1 9 ，e + 8 1 基+ 1 7 e + 1 6 e + 1 5 1 e 4 + 1 套 ： 图2 1 二极管的典型p + - p - n n + 结构 卜软恢复二极管；2 一硬恢复二极管；3 超硬恢复二极管( s o s ) 华中科技大学硕士学位论文 速的关断时间。理论研究定性表明s o s 效应在半导体器件中代表着一种新的电流关 断理论。主要差别是：其电流关断不是像其他器件一样在低掺杂的基区发生，而是 在狭窄的高掺杂p 区发生：基区和p n 结被大量的过剩等离子体充满，其浓度高于初 始掺杂浓度两个数量级。这两个因素使得s o s 可以在纳秒时问内关断大密度电流。 图2 一l 为典型的p + - p n 。n + 结构，一个标准的硬恢复二极管通过扩铝形成p 区， p n 结结深x p 约为l o o g m 。要制造软恢复二极管，x p 要减小，且p n 结掺杂蓝线要 更陡峭，目的是在靠近p n 结处形成一个具有陡峭受主浓度的外延p + 区。如果p n 结 深度x p 从l o o g m 增加到2 0 0 9 m ，硬恢复过程将会增强。1 9 9 5 年，研制出深扩铝的 二极管，并取名为s o s 二极管，根据已有分类，可认为是超硬恢复二极管。 2 2s o s 的物理数学模型及基本工作原理 2 2 1s o s 的物理数学模型 s o s 是借助于可控等离子层换流的思想来进行工作的。为说明s o s 效应和研究 半导体结构中的关断过程，发展了一种模型可分析大注入条件下电子一空穴动力学 4 ”。模型考虑了实际的半导体p + - p n n 十结构掺杂剖面和以下的一些电子空穴基本过 程：强场中载流子的扩散和漂移：深能级杂质的复合；俄歇复合；密集等离子体的 碰撞离子化。 r” l ，膏， i 图2 - 2s o s 双回路泵浦电路原理图 华中科技大学硕士学位论文 s o s 的双回路泵浦电路原理图，包括两个相等的电容c l 和c 2 ，如图2 - 2 所示。 电容c 1 预先充电到电压u o ，当开关s + 闭合后，c l 通过电感l + 和s o s 放电使c 2 充 电( 开关s 一断开) ，此时为s o s 正向泵浦过程，电子一空穴等离子体注a - - 极管。 正向泵浦过程电路的等效电容c + = c 1 2 。s o s 正向泵浦过程结束时开关s + 断开，开 关s 一闭合，反向电流通过电感l 一从电容c 一= c 2 注入，并从二极管中移出等离子体。 s o s 的阻抗急剧增加，电流由二极管转换到负载r 1 ，形成高电压输出脉冲u r 。r l 电压上升率与二极管的电流关断速率有关，输出脉冲的能量取决于存储于l 一的能量。 描述电路中电流的k i r c h h o f f 方程为： l 。争= u 。一u 。_ 警= - i c ，c = 1 s + u ，u s = u s ( 州咄f ) ( 2 - 1 ) 其中u c 和i c 为等效电容上的电压和流过电容的电流，u s 和l 为s o s 的相应 参数。c 。和三。为电路的等效电容和电感，正向泵浦过程中分别为c + 和l + ，反向泵 浦过程中分别为c 一和l 一。 变量u c ，l 和u s 的初始条件为： u c ( 0 ) = u o ，i c ( o ) = 0 ，u s ( 0 ) = 0 ( 2 2 ) 癌憎 i o e 静o z 豫簪蠢 穗靠 x p r o 图2 - 3s o s 掺杂剖面图 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 为典型的s o s 掺杂剖面结构，包括四个特征区域：通过引入硼获得的高 掺杂p + 区i ：通过扩铝获得的适度掺杂的p 区i i ；轻掺杂磷的n 区；扩磷的n + 区 i v 。二极管的p + - p - n - n + 结构在s o s 效应机制下运行时，采用准中性等离子体近似。 对于半导体的不均匀掺杂： 兰堑= d 。( p ， ， 一y 。( p ，+ q p ( p ， ， + ，n ，e ) ( 2 3 ) “, 4 - e ne ) p e ) p ne ) pg c p 其中： 耻毫等 偿4 ， 为双极扩散系数； 忙宅 沼s ， 为双极漂移速率； 驴驾筹( 2 - 6 ) 为频率参数；电子和空穴的扩散系数分别为：见= 4 0 c m 2 s ，d 。= 1 2 e m 2 s ；k ) 和 v p ( e ) 为电场中载流子漂移速率；n ( 力= 以。( 工) 一一。( z ) 是旆主和受主浓度差，正为 二极管结构的n 区，负为二极管结构的p 区。符号“”表示对x 求导。 在s o s 的典型泵浦条件下，p + 一p n - n + 结构上出现如此高的电场，必须考虑函数 ( d 和k ( e ) 中漂移速率的饱和，采用插值公式： 矿。( e ) = 矿。i _ _ i 赫 矿，( 皇) = 矿一i _ ：弋j 精 c z - ，) 1 4 华中科技大学硕士学位论文 其中：= 1 0 7 j 1 m n s ，= 8 3 t m n s 分别为电子和空穴的饱和速率；在迁移率近 似恒定情况下，= 。e 和= ，e 仍然有效：e 。= 7 k v e m ，五二= 1 8 k v c m 为 特征电场；卢。= 1 1 1 ，= 1 2 1 为调节系数。 式( 2 3 ) 适用于二极管结构的1 3 区，位于p n 结有效边界x p 的右边。这个边界 相应于p 型和n 型杂质发生完全补偿的地方：n ( x 。) = 0 ，空穴是少数载流子。在p n 结左边的p 区，电子是少数载流子，可得到类似的公式： 鲁= 。，e ) 咒”一圪o ，e ) 咒+ q 。( p ，e ) n + g ( p ，聆，e ) ( 2 8 ) 其中d o ，圪为( 2 3 ) 式中相同的双极系数。 q 。：兰生竺二肇竖! n vn + p v 口 ( 2 9 ) 为与空穴已相类似的频率参数。 对于没有外加条件的p + _ p - n n + 结构，用电子和空穴密度的平衡值作为函数 n ( x ，f ) ，p ( x ，r ) 的初始条件。方程( 2 3 ) 和( 2 8 ) 的边界条件由二极管结构x = 0 和 x = l 处的半导体金属接触特性决定，l 为整个p 十- p n n + 结构的长度。假设所有接触 均为理想欧姆接触，载流子在二极管边界的密度相应与平衡密度： n ( o ，f ) = n f 2 ( o ) p ( l ，f ) = 聆j 2 d ) ( 2 1 0 ) 其中m i = 1 4 5 1 0 1 0 _ 3 为硅中本征载流子密度。 电子一空穴对的体产生率是离子化率i 和载流子复合率r 的差值： g ( n ，p ，e ) = i ( n ，p ，e ) 一r ( n ，p ) ( 2 1 1 ) 离子化率可表示为： ，o ，p ，e ) = 口。o ，p ，e ) 忍i ( e ) j - i - a ，o ，p ，e ) pj ( e ) f ( 2 1 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 一 其中： 口。( n ，p ，d = 口。o ( e ) f l ( n ，p ，e ) ， a p ( ，p ，e ) = 0 c p o ( e ) f l ( n ，p ，e ) ( 2 ，1 3 ) 。( e ) 和。(