【精品 毕业论文】铂扩散快恢复二极管的研究.pdf

i 摘 要 近年来 随着电力电子技术的发展 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 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 用铂扩散的方法来减少反向恢复时间 trr 这无论从 铂的能级理论上分析 还是从寿命理论上分析都有其可行性 另外 采用铂扩散工艺 成本较低 适合大批量生产 本文从理论方面阐述了铂扩散控制少子寿命的可行性 本文对铂扩散快恢复二极管的各项参数特性以及测试原理进行了较为详细的介 绍 对于铂扩散快恢复二极管工艺方面 本文对几个关键的步骤进行了研究 首先 通过调整铂扩散的时间和温度达到有效控制反向恢复时间 trr的目的 使 trr控制在 80ns 到 500ns 之间 其次 从减小器件反向漏电流ir方面着手 对 lpcvd 淀积氮化硅膜 系统进行了优化 使器件的反向漏电流ir控制在纳安级 再次 对玻璃钝化工艺进行 了优化 有效解决了氮化硅薄膜与玻璃钝化层之间的气泡问题 最后 从改善 trr的均 匀性与稳定性入手 通过分组实验不同型号的玻璃粉 最终确定了美国 ferro 公司型 号为 ip760 的玻璃粉是较为适合快恢复二极管钝化工艺材料 本文通过一系列的实验对铂扩散二极管的特性进行了研究 分析了铂扩散二极管 的反向恢复时间 trr 正向压降 vf以及漏电流 ir等参数之间的关系 并分析了反向恢 复时间 trr和 vf 温度特性 经过一系列实验研究得到了 trr与 vf之间的理想折衷 trr 在 80 500 ns 之间 vf控制在 0 9 1 3 v 之间 不但使 trr与 vf的折衷有了较大的改 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硅片 关键词关键词 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 ii 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 the parameters characteristics and testing theory of fast recovery diode are introduced in details by the paper this paper studied the several key steps about the manufacture processes of fast recovery diode first adjusted the platinum diffusion temperature and time to control the reverse recovery time trr effectively the results could be controlled within 35ns to 500ns with certain platinum diffusion temperature secondly modified the lpcvd nitride deposition system to reduce the reverse current leakage the results showed the reverse current leakage have been controlled to nano ampere thirdly meliorated the glass passivation process to remove the bubbles between silicon nitride and glass passivation layer finally confirmed that the ip760 glass powder form ferro corporation of us is the suitable glass powder for fast recovery diode by a series of experiments this glass powder is good for the uniformity and stabilization of reverse recovery time trr the properties of platinum diffusion diode are studied by a series of experiments the main diode parameters named reverse recovery time trr forward voltage drop vf and leakage current ir especially at high temperature are comparatively analyzed the temperature characteristics of reverse recovery time trr are also analyzed the excellent selections between trr and vf trr within 80 500 ns vf within 0 9 1 3v were obtained using cheap cz wafer instead of expensive epitaxial wafer besides the between platinum diffusion conditions and diode parameters are investigated the reasons of influence between parameters of fast recovery diode are also explained in theory keywords platinum diffusion fast recovery diode reverse recovery time trr forward voltage drop vf reverse current leakage ir 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 学位论文作者签名 日期 年 月 日 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 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 1 1 快恢复二极管概述 在现代电力电子线路装置中 除了大功率高频整流的基本功能之外 功率二极管 还日益肩负起续流 隔离 箝位 吸收等越来越多的功能 1 除了电压 电流的指标 外 二极管的反向恢复特性成为主要被关注的参数 快恢复功率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 近年来 随着电力电子技术的不断发展 快恢复二极管广泛用于脉宽调制器 交流电机变频调速器 开关电源 不间断电源 高频加热等装置中 作高频 高压 大电流整流 续流及保护用 2 3 随着快恢复二极 管市场需求的不断增大 目前国内很多半导体公司致力于开发快速二极管系列产品 为了获取高压 高频 低损耗功率二极管 研究人员正在两个方向进行探索 一是采 用新材料新结构研制新型功率二极管 二是沿用成熟的硅基器件工艺 通过合理的器 件结构设计来改善快恢复二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系 4 本课题沿用 传统的硅基器件工艺 采用传统的 pin 结构 并用价格较低的 cz 直拉单晶硅作为原 材料进行快恢复二极管的研究 本课题的开展对国内高可靠性快恢复二极管的生产具 有一定的实际意义 同时为上海美高森美半导体有限公司进行高可靠性的快恢复二极 管量产提供了理论及实际的指导并实现了量产 课题的开展为作者研究快恢复二极管 特性 扩散方法 器件结构设计方法 工艺优化 参数控制及测试提供了平台 1 1 1 快恢复二极的结构及工作原理 高频化的电力电子电路不仅要求快速二极管的反向恢复特性比较好 即正向瞬时 压降小 恢复时间短 更要求反向恢复特性也较好 即反向恢复时间短 反向恢复电 荷少 最近人们也越来越关注快恢复二极管的软恢复特性 但是由于实验条件的限制 本文暂不讨论软特性方面的问题 2 a 快恢复二极管的结构特点 快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同 它是在 p 型 n 型硅材料中增加了 基区 i 构成 pin 硅片 pin 二极管是在 p 区与 n 区之间夹一层本征半导体 或低浓 度掺杂的半导体 构造的晶体二极管 当其工作频率超过 100 mhz 的时候 由于少数 载流子的存贮效应和 本征 区的阻抗很高 在直流正向偏置时 由于载流子注入 本征 区 而使 本征 区呈现出低阻抗状态 3 因此 可以把 pin 二极管作为可 变阻抗元件使用 它常用于高频开关 移相 调制 限幅等电路中 pin 结构的二极 管具有高反向耐压 在通过很大正向电流密度的情况下 由于基区调制效应的作用 正向压降小 实践中往往为了提高快恢复二极管的反向工作电压而采用 p nn 结构 即采用 n 型低浓度掺杂硅做基区 n 高掺杂区能够获得较好的欧姆接触 5 b 快恢复二极管的反向恢复过程分析 所有的 pn 结二极管 在传导正向电流时 都将以少子的形式储存电荷 少子注 入是电导调制的机理 它能够导致正向压降 vf的降低 从这个意义上讲 它是有利 的 但是当在导通的二极管上加反向电压后 由于导通时在基区存贮有大量少数载流 子 故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的 即反向 阻断能力的恢复需要经过一段时间 这个过程就是反向恢复过程 发生这一过程所用 的时间定义为反向恢复时间 trr 6 trr t2 t0 tatb q1q2 if vf irm vbm t0 t2 dif dt t dirr dt 0 1irm vr tf t1 图 1 1 二极管反向恢复电流和电压波形示意图 3 图 1 1 为二极管反向恢复过程的电流和电压波形示意图 其中 irm为反向恢复 峰值电流 vrm为反向峰值电压 q1 q2为反向恢复电荷 trr为反向恢复时间 这几 个参数是器件设计及应用中十分重要的参数 从时间 t tf开始 已经导通的二极管加反向电压 vr 原来导通的正向电流 if以 dif dt 的速率减小 这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定 7 并且外加 反向电压的绝大部分降落在电路电感上 当 t t0时 二极管中的电流降至 0 在这之 前二极管处于正向偏置 电流为正向电流 在 t0时刻后 正向压降稍有下降 但仍处 于正向偏置 电流开始反向流通 形成反向恢复电流 irr t0到 t1称为少数载流子存储时间 ta 这期间 一部分内部储存电荷通过反向被快 速抽出 二极管反向电流从零上升至其峰值 irm pn 结电压则略有一些减小但仍是正 向的 由于二极管上的低电压 ta期间二极管上功率损耗很小 然而 开关器件中的 功率耗散很高 这是因为功率开关器件在承受电路满电压的同时 还承载了全部的二 极管反向电流 而 ta期间二极管的反向电流是相当大的 8 在 t t1之后 空间电荷区开始建立 少数载流子通过复合而消失 反向恢复电流 迅速下降 下降速率为 dirr dt 从 t1到 t2这段时间称为复合时间 tb 测试标准规定 t2 是由通过电流 irm和 0 1irm的直线与 t 轴的交点决定 从 t0到 t2这段时间称为反向恢 复时间 trr 1 1 2 快恢复二极管中少子寿命控制方法介绍 由于少子寿命的变化及少子寿命的控制方法影响着快恢复二极管的频率特性和 反向恢复特性 因此少子寿命的控制技术就处于十分重要的地位 为了减小 trr 长期 以来是采用扩金 扩铂 电子辐射等技术来降低少数载流子寿命从而降低器件的反向 恢复时间 trr 这些技术都是在二极管中大面积甚至是整体引入复合中心来消除二极管 中的过剩载流子 9 最近又出现了一些新的控制少数载流子寿命的技术如局域寿命控 制技术以及采用新结构等技术 10 目前 少子寿命的控制方法主要有以下几种 4 a 重金属掺杂 重金属掺杂是指在硅中扩入重金属杂质如金 铂等 目的是引入复合中心以减少 少子寿命从而降低器件的反向恢复时间 trr 重金属原子通过硅表面向器件内部扩散形成点缺陷 缺陷的形式有 间隙原子缺 陷和替位原子缺陷 扩散之初 金属原子以间隙原子的形式快速进入半导体中 随后 金属间隙原子会踢出并替位硅原子 形成重金属替位原子和硅间隙原子 这种金属原 子与硅原子换位规程是可逆的 只有被踢出的硅间隙原子去除后才能形成稳定的重金 属替位原子 这样才能在整个器件内部引入适当浓度的有效复合中心 11 如图 1 2 所 示 金 铂原子浓度分布为 u 型槽结构 这是因为表面区的硅间隙原子因高温外扩散 而从硅片中消除掉 一般来讲 经过长时间的铂或者金扩散较易形成 u 型槽的分布 12 图 1 2 扩金 扩铂 电子辐照和氢 氦离子辐照产生缺陷浓度分布 b 电子辐照 电子辐照寿命控制技术是利用电子辐照在半导体内部感生缺陷作为复合中心 达 到控制少子寿命的目的 所谓辐照 就是将制成的成品置于辐照场中 用高能电子进 行轰击 辐照进入半导体的电子与硅原子碰撞并产生间隙缺陷和空穴等基本缺陷 基 本缺陷与硅原子或缺陷之间会相互作用 产生次级缺陷 这些缺陷都极不稳定 通过 200 300 退火即会陆续完全消失 电子辐照主要形成氧空位 磷空位 双空位等 5 缺陷 并相应的在硅禁带内形成各种深能级复合中心 电子辐射的特点是通过对电子 注入剂量的调节能够精确的控制少子寿命 从而可以很好的协调器件诸电参数对少子 寿命的不同要求 而且它可以在器件制造完成之后进行 使制作过程简单化 灵活化 13 目前电子辐照能量选择在 0 5 15 mev 之间 此能量范围内的电子可完全贯穿器 件 在整个器件内部形成分布均匀的感生缺陷 但是电子辐照感生的缺陷不稳定 在 较低温度下就会退化消失 因此电子辐照制成的器件长期稳定性不好 耗尽区内的载 流子寿命由深能级缺陷决定 所以 与扩铂器件相比 电子辐照制成的器件漏电流偏 大 目前还没有被广泛应用 c 局域寿命控制技术 轻离子辐照作为目前唯一能够实现局域寿命可控的技术而受到广泛关注 所谓轻 离子 主要是指h he2 轻离子辐照与电子辐照相似 都是利用辐照感生的缺陷作 为复合中心来控制少子寿命 轻离子的质量较电子大 所以注入的射程较短 如图1 2 所示 若轻离子的射程小于器件的轴向尺寸 就会在射程末端形成缺陷浓度比其他位 置高得多的缺陷峰 即高浓度复合中心区 辐照表面与缺陷峰之间的缺陷密度只是 缺陷峰处的10 20 称为缺陷拖尾 缺陷峰的位置可通过辐照的能量来控制 与 传统寿命控制技术相比 轻离子辐照形成的缺陷峰的位置为器件性能的优化提供了新 的设计自由度 除了辐照能量以外 辐照工艺的设计还包括准确地选定辐照剂量 然 而 对器件仅进行一次轻离子辐照只能得到宽度固定的缺陷峰 因而不能形成任意的 复合中心浓度分布 为了获得更大的设计自由度 可对器件进行多次辐照以形成任意 的复合中心浓度分布 实验证明 多次轻离子辐照或轻离子与电子结合辐照均能得到 比单次轻离子辐照更优的器件性能折衷 14 但是 多次辐照结合使用的成本很高 大 大限制了其应用 d 采用新结构 采用新结构改善二极管的性能近年来得到了较多的研究 例如有 凹型阶梯 阴 极短路 结构 15 带辅助二极管的结构 自调节发射效率与理想欧姆接触二极管等 16 图 1 3 1 4 所示的就是一种新的结构示例 称为扩散型缓冲双基区结构 6 p p p p pp n n n 阴 极 阳 极 图 1 3 双基区二极管结构示意图 na p n n n p 片厚x nd 图 1 4 双基区二极管浓度分布示意图 1 2 铂扩散分析 本文采用铂扩散控制少数载流子寿命从而降低二极管的反向恢复时间 以下是铂 扩散的可行性分析以及寿命分析 1 2 1 铂扩散的可行性分析 作为开关器件的寿命控制元素 必须具备以下这些条件 17 a a 能在硅中形成起复合中心作用的深能级 能有效地俘获电子和空穴 b b 在硅中有足够的固溶度 7 c c 高的扩散系数和适中的扩散温度 d d 扩散过程易于控制 在完成寿命控制的各种方法中较为常见的是铂扩散和金扩散 根据 b j baliga 和 e sun 研究表明 18 扩金的器件在正向压降 vf和反向恢复时间 trr之间有最佳的折衷 曲线 但是显示出最大的漏电流 扩铂器件的漏电流比扩金器件的低一个数量级 铂是过渡元素 和金一样 在硅中是快扩散杂质 图 1 5 所示的是铂和金硅中的 能级 ec ev ei 0 54ev 0 32ev 0 19ev 0 35ev0 42ev 0 26ev aupt 图 1 5 硅中铂 金的能级 从图 1 5 可以得知 金在硅中的为 ec 0 54ev 和 ev 0 35ev 在 n 型硅中 位于 ec 0 54ev 的金能级是主要大复合能级 铂在 n 型硅中发现了四个深能级 分别是 ec 0 19ev ec 0 32 ev ev 0 30 ev ev 0 42 ev 其中 ev 0 42 ev 能级被认为是 一个重要的少子复合中心 19 20 理论上讲 杂质能级越靠近禁带中央 俘获几率越大 而硅 pn 结漏电流主要是 耗尽层产生电流 正偏时大的复合率对应反偏时大的复合率 与金的主要复合中心能 级 ec 0 54 相比 ev 0 42 较为远离禁带中央 产生的漏电流比掺金器件的小 另外 有文献报道 扩铂对器件的击穿电压影响较小 21 从扩散特性方面讲 扩铂形成的替 位原子是稳定的原子缺陷 因此器件的高温稳定性好 虽然扩铂器件与扩金器件相比 具有较差的正向压降 vf和反向恢复时间 trr之间的折衷曲线 但是通过合理的设计器 8 件结构以及工艺 扩铂器件能够获得较为理想的 vf与 trr的折衷 22 基于以上优点 铂形成的缺陷是较为理想的复合中心 1 2 2 寿命分析 根据半导体物理学 对于重掺杂 n 型半导体和重掺杂 p 型半导体分别有 1 p t p n r 1 1 1 n t n n r 1 2 其中 p r为符合中心对少数载流子空穴的俘获系数 n r 为电子俘获系数 t n 为复合中心 浓度 p n 是重掺杂 n 型和 p 型硅的少数载流子寿命 设想复合中心是具有一定半径的球体 其截面积为 截面积越大 载流子在 运动中碰到复合中心而被俘获的几率越大 因此 代表复合中心俘获载流子的本领 成为俘获截面 又有 ntn rv 1 3 ptp rv 1 4 分别为电子和空穴的俘获截面 tn v 和 tp v 分别为电子和空穴的热运动速 度 现定义俘获截面比 ptp n pntn rv rv 1 5 假设只考虑铂的主要能及ev 0 42 ev 对于n型硅高能级寿命 hl 低能级寿 命 ll 和空间电荷产生寿命 sc 与其有关的陷阱能级位置et和它的俘获截面比 由以下 方程给出 23 1 hlpnp 1 6 00 2 1 exp exp tiitf llp eeeee k tk t 1 7 9 00 exp exp tiit scp eeee k tk t 1 8 式中 i e是本征能级位置 f e是费米能级位置 0 k是波尔兹曼常数 t是绝对温度 将低能级和空间电荷产生寿命归一化到高能级寿命 00 21 1 exp exp 1 tfiftll hl eeeee k tk t 1 9 00 1 exp exp 1 sctiit hl eeee k tk t 1 10 据铂扩散主要能级ev 0 42ev 计算得 2 70 10 12cm2 3 20 10 14cm2 69 8 在快恢复二极管中 主要的器件特性参数有正向压降vf 反向恢复时间trr和反向击 穿电压vbr 其中 正向压降是高能级寿命 hl 的函数 而反向恢复时间依赖于高能级和 低能级寿命两者 反向恢复特性中的复合尾部主要由低能级寿命 ll 控制 24 因为大的高能级寿命有利于正向压降vf小 而小的低能级寿命有利于快恢复特 性 为了获得较好的vf trr特性 希望有大的 hlll 10 2 测试原理及方法 本试验对扩铂快恢复二极管的特性参数进行了较为全面的测量 测量了二极管的 反向恢复时间trr 正向压降vf 反向漏电流ir 及ir trr vf的温度特性 以下分别 介绍各参数的测试原理及方法 2 1 反向恢复时间 trr的测试原理及方法 反向恢复时间trr是快恢复二极管最重要的参数 本实验制造的快恢复二极管为 p nn 结构 因此 我们要以p n结为例进行分析 对于p n结 空间电荷区主要分布在n区 n区中少数载流子为空穴 首先讨论 在不同注入条件下的少子寿命 利用skockley read hall的单能级复合统计理论进行 分析 25 27 载流子在n区的复合率为 2 00 i pini npn u nnpp 2 1 上式中 0 nnn 0 ppp 0 n 0 p分别为热平衡时电子和空穴浓度 n p 分别为非平衡电子和空穴浓 度 i n为本征载流子浓度 0 exp it ii ee nn k t 2 2 0 exp ti ii ee pn k t 2 3 0 1 n tpp nv 2 4 0 1 p tnn nv 2 5 t n 为复合中心浓度 n p 分别为复合中心对电子和空穴的俘获截面 t e和 i e分 11 别为复合中心能级和本征费米能级 n v和 p v分别为电子和空穴的平均热运动速度 当 二极管注入电流较小时 定义为小注入情况 0 npn 由 2 1 式导出小注入复 合率为 000 l nipi n p u pnn 2 6 空穴的小注入寿命 00 00 2 1 exp exp tfitf lpn l eeeeep uk tk t 2 7 在测量反向恢复时间trr时 注入电流很小 可以认为是小注入情况 当二极管注入电流较大时 属于大注入情况 即 0 npn 0 n 0 p i n i p 由 2 1 式导出大注入复合率为 00 h np p u 2 8 空穴的大注入寿命为 00hnp h p u 2 9 在测量正向压降时 注入的电流很大 此时空穴寿命由 h 表示 另一种情况是二极管处于反向应用 此时 i pn i nn 由式 2 1 导出的符合率为 负值 即为电子和空穴的产生 产生率为 0 00 exp exp i tiit pno n gu eeee k tk t 2 10 产生寿命定义为 00 00 exp exp tiit scpn eeee k tk t 2 11 对于铂扩散二极管 单能级复合理论是有效的 2 1 1 反向恢复时间trr的定义 当p n 结加正偏电压时 空间电荷区主要分布在n区 在p n 结边界有少子空 12 穴注入n区 在n区被复合 达到动态平衡时 形成正向电流i1 当加在p n结上 的电压由正偏状态变为反偏时 n区中积累的空穴因为抽出和复合两个途径而减少 形成反向电流i2 此时的反向电流比反向饱和电流ir大得多 并保持不变 结上电压 开始下降 但仍为正值 当电压下降到零伏时 这段时间称为存储时间ts 如图2 1 所示 存储时间ts之后 pn结反偏 电压变为负值 反向电流i2下降 一直降到等 于反向饱和电流时为止 我们把电流从i2下降到0 1i2所需时间称为下降时间tf ii1 i2 0 1i2ir vr tf ts v t t 图 2 1 关断过程中 p n 结电流和电压的变化 定义反向恢复时间trr为ts和tf之和 trr sf tt 2 12 p n结的存储时间 s t和下降时间 f t 由以下超越方程决定 28 2 12 1 sp i terf ii 2 13 2 1 exp 1 0 1 f f p f p t tip erf it 2 14 由此可见 二极管反向恢复时间trr由 1 i 2 i p 三个因素决定 其中 1 i为正 向注入电流 2 i为反向抽出电流 两者由测试条件决定 一般情况 1 i 2 i的值 13 l1 很小 属于小注入情况 p 近似等于 l 当 12 ii比值较大时 对于 np wl 的p n 结 其反向恢复时间trr可采用以下近似公式 11 22 rr 11 t 22 p l sf ii tt ii 2 15 本实验制造的快恢复二极管在测试时满足上面条件 由式 2 15 式可知 在i1 i2给定的条件下 要降低trr 必须降低 l 的值 29 2 1 2 反向恢复时间trr的测试原理 本实验采用台湾ttk公司生产的二极管恢复时间测试仪测量反向恢复时间trr 测试条件为 if 1 0 a ir 0 5 a irr 0 25 a 其中if即为正向注入电流 ir为反向 抽出电流 irr为反向恢复电流 trr的测试原理如图2 2所示 脉冲发生器产生一个负脉冲 由左端输入 经电感藕合到快恢复二极管的正端 外加直流偏压为50v 改变外加直流电压的值可以改变正向注入电流和注入比 12 ii l1将反向电流信号转换为电压信号 通过检测设备取出电压信号 获得反向电流的 波形 从而计算出ts tf和trr 30 31 50v dcpulse generator note1 device under test oscilloscope note2 notes 1 raise time 7 ns max input impedance 1m 22pf 2 raise time 10 ns max input impedance 50 50o 50o 1o 图 2 2 反向恢复时间 trr测试原理图 2 2 正向压降 vf 正向压降vf是在一定正向电流条件下 降落于二极管上的电压 它决定二极管 14 的正向功耗 我们总是希望在额定电流下 元件的通态压降能够小一些 因为这是和 元件的发热连在一起的 对于p nn 结构二极管 正向压降可表示为结压降 j v p 和 n 区上以及镀层等接触压降 c v和n型基区压降 m v三者之和 即 fjcm vvvv 2 16 其中 j v c v与少子寿命无关 当基区宽度w远远小于扩散长度 p l时 即 p wl 时 有下述公式 2 0 3 8 m hh k tw v qd 2 17 式中w为n型基区宽度 dh为大注入下双扩散系数 0 5 hn dd h 为大注入 寿命如2 9式所示 在其它条件一定的情况下 大注入寿命越高 m v越小 因此 为 了减小正向功耗 应选择大注入寿命 h 较大的杂质 32 2 3 反向漏电流 ir 反向漏电流决定二极管在反向应用时的功耗 它由扩散电流 d i 空间电荷区产生 电流 g i和表面漏电流 s i组成 即 rdgs iiii 2 18 对于硅p n 结 空间电荷区产生电流 g i远大于扩散电流 d i 22 33 表面漏电流 s i与 表面处理技术关系密切 但 s i与温度关系不大 经过严格处理的pn结 表面漏电流 可以降低 空间电荷区产生电流ig由产生率在空间电荷区积分得到 0 22 d x iid g scsc naqn x iaqdx 2 19 式中 sc 为空间电荷区产生寿命 由2 11式表示 d x为空间电荷区宽度 a 为p n 结的结面积 由2 11式和2 19式可见 在 0n 0p 一定的情况下 ti ee 值越大 sc 15 就越大 相应的空间电荷区产生电流 g i越小 2 4 温度特性测试 温度是影响半导体器件性能的基本因素之一 文献中对快恢复二极管的各参数的 温度特性报道甚少 半导体材料的一些基本参数 如少子寿命 迁移率 载流子浓 度均会受温度影响 进而引起二极管的vf trr ir等参数的变化 有些参数随温度的 指数次幂变化 例如对于硅二极管 温度每升高10 反向漏电流将增加1倍 在高 反向耐压小电流应用时 反向功耗将占总功耗的主要部分 这时 温度对总功耗的影 响会很大 2 4 1 反向恢复时间 trr的温度特性 如前所述 反向恢复时间与小注入寿命和测试条件有关 11 22 11 22 p l rrsf ii ttt ii 2 20 2 i 1 i由测试条件决定 因此研究trr的温度特性可归结为研究 l 的温度特性 根据式2 7 00 00 2 1 exp exp tfitf lpn l eeeeep uk tk t 式中 0 1 n tpp nv 0 1 p tnn nv p n 为空穴和电子的俘获截面 由经验公式 1 75 p t 2 5 n t 因此 0p 随温度的上升而减小 0n 随温度的上升而增大 34 对于n型材料 受主能级起复合 中心的作用 而铂的受主能级在禁带中线以上 i 0 t ee ln c fcc d n eektemkt n 2 21 其中ln c d n mt n 与温度的关系不大 m为常数 16 exp exp m tctf eeee e ktkt 2 22 22 exp exp m itfitc eeeeee e ktkt 2 23 tc ee 和 i 2 tc eee 均 为 负 值 随 温 度 的 上 升exp tf ee kt 和 2 exp itf eee kt 迅速增大 而 p0 与温度的2 25次方成正比 变化非常慢 因此 l 将 随温度的上升而增大 从而反向恢复时间trr随着温度的上升而增大 2 4 2 反向漏电流ir的温度特性 对于硅pn结 反向漏电流是由空间电荷区产生电流 g i和表面漏电流 s i组成 其 中 s i对温度不敏感 2 aqn x id ig sc 2 24 sc 为式2 11所示的产生寿命 将 23 0 0 exp g i e nk t k t 代入上式得到 1 3 2 0 2 0 exp 22 g d g sc e aqx k it k t 2 25 其中 d x为空间电荷区宽度 sc 的表达式中 00 00 exp exp tiit scpn eeee k tk t 0n 0p 随温度变化缓慢 0 exp ti ee k t 随温度上升而减小 0 exp it ee k t 随温度 上升而增大 0 0 0 exp 22 2 exp 2 exp g git it e eee k t ee k t k t 2 26 17 可知 0 22 2 git eee k t 小于0 所以 0 0 exp 2 exp g it e k t ee k t 随温度上升而增大 因此 ig随温度升高而增大 在高温时 反向产生电流占主要成分 因此 反向 漏电流随温度升高而增大 在低温时 随温度的降低产生电流ig迅速减小 此时表面 漏电流占主导地位 反向漏电流随温度的变化变缓 2 4 3 正向压降vf的温度特性 正向压降vf决定二极管的正向功耗 特别是在正向大电流应用时 正向功耗将 是一个很大的值 正向压降由三部分组成 结压降 j v p n 区上及镀层等接触压降 c v 和n型基区压降 m v 其中 c v与温度关系不大 下面分析 j v和 m v与温度的关系 首先讨论 j v与温度的关系 正向电流由正向扩散电流和正向复合电流组成 即 f jjj 复扩 2 27 其中 0 exp 2 j i r qv qwn j k t 复 2 28 2 0 exp pj i pd dqv n j nk t 扩 q 2 29 扩散电流与复合电流的比为 0 2 exp 2 iprj dp n lqvj jn wk t 扩 复 2 30 式中 r 为有效复合寿命 p d为空穴扩散系数 p 为少子寿命 从上式可以看出 在小注入情况 结压降较小 复合电流占优势 在大注入情况 结 压降较大 扩散电流占优势 本实验在测量正向压降时 正向电流很大 属于大注入 情况 因此 2 0 exp pj i f pd dqv n jj nk t 扩 q 18 3 00 exp exp pgj pd deqv kt nk tk t q 2 31 0 jg ve 所以 f j随温度的上升而上升 也就是说 在一定注入电流下 随温度的上 升 j v将下降 下面讨论 m v与温度的关系 2 0 3 8 m hh k tw v qd 2 32 式中 h 为大注入寿命 00 11 hnp tpptnn nvnv 2 33 n 比 p 小得多 0 1 hn tnn nv 2 34 由经验公式 2 nn vt 2 35 可知 h 随温度的上升而增大 从上面的两个因素可以看出 随着温度的上升 正 向压降 f v降有所下降 上面讨论了反向恢复时间trr 反向漏电流ir和正向压降vf的温度特性 可以看 出 随温度的升高 反向恢复时间trr和反向漏电流ir将增加 正向压降vf将减小 2 4 4 温度特性的测试方法 温度特性测试采用fec200特性测试仪 接高温测试台 温度测试范围从25 到 175 ir和trr的温度特性测试是对晶粒进行的 vf的温度特性测试是将晶粒封装为 do 41形式进行测量的 19 2 5 主要实验设备 2 5 1 扩散炉 本文实验所涉及的高温工序如扩散 玻璃烧结退火 采用三管扩散炉 精确控制 温度在 0 5的范围内 磷硼扩散采用纸源扩散 磷硼扩散温度较高 可达1250 所以采用碳化硅炉管进行扩散 后续的玻璃烧结以及退火 铂扩散 镍退火等工序温 度均没有超过1000 故采用石英炉管 温度测试采用冰水混合物以达到精确测试 结果的目的 所用热电偶为铂铑 铂热电偶 温度测试原理如图2 3所示 图 2 3 扩散炉温度测试原理图 2 5 2 lpcvd 低压化学气相淀积 lpcvd 设备主要为微电子器件在硅基片上淀积si3n4 氮化 硅 poly si 多晶硅 sio2 二氧化硅 薄膜 快恢复二极管采用氮化硅层作为钝 化保护层 在整个工艺流程中用lpcvd淀积氮化硅是最关键的一步 图2 4所示的是本文实验所用的lpcvd炉 20 图 2 4 热壁 lpcvd 系统实物图 同扩散炉一样 它是由一组4根炉管构成的 该lpcvd是用机械泵和罗茨泵将 反应室的气压降低到 0 065 6 5 102 pa 在反应室内 硅片竖直放在石英架上且与气 流方向垂直 膜的均匀性与衬底表面温度的均匀性直接相关 温度约为550 800 采用能精确控制炉温的电阻加热炉 控温精度为 0 5 可生长出质量高 均匀性好 成本低的氮化硅膜 图2 5所示的是热壁lpcvd淀积系统的内部结构图 图 2 5 热壁 lpcvd 系统的内部结构 图 2 6 热壁 lpcvd 炉淀积氮化硅膜的工艺流程图 21 lpcvd淀积的主要工艺流程见图2 6所示 淀积前的清洗至关重要 本文采用 的三步清洗法进行清洗 h2so4 h2o2 koh hno3 这样能够保证在淀积时硅片表面是 足够清洁的 36 38 否则钝化之后的芯片漏电流会很大 2 5 3湿法腐蚀柜 本文采用湿法腐蚀获得表面正斜角的结构以提高反向击穿电压 图 2 7 所示的是 本文进行试验所用的湿法腐蚀装置 图 2 7 湿法腐蚀装置 由图2 7可看到 该装置是将装有硅片的载片盒固定在自动提拉杆上 在腐蚀液 中进行腐蚀 图中上半部分是控制面板 能够人为设定腐蚀槽的温度 腐蚀时间 以 及腐蚀循环次数等参数 以便精确的控制腐蚀过程获得复合要求的槽深 本文所采用 的腐蚀液是混合酸腐蚀液 硝酸 冰醋酸 磷酸 氢氟酸 39 22 3 实验研究 3 1 材料选择及结构设计 芯片是器件的核心部分 芯片的材料选择与结构设计是否合理直接关系到器件的 功能 为了降低少子寿命 从而达到缩短trr的目的 本实验通过掺入重金属杂质铂作为 复合中心 由于铂复合中心在非平衡状态下 主要以负电受主形式存在 用n型硅作 基区较有利于提高器件的反向击穿电压 所以本文选用n型直拉单晶硅片通过扩散形 成p nn 结构 对于快恢复二极管 我们希望获得较小的反向恢复时间同时获得较小的正向压降 以降低开通损耗 但反向恢复时间和正向压降存在着折衷的关系 因此要对器件进行 合理的设计 即在满足trr的条件下 尽可能降低vf 对于二极管而言 总的正向压 降由金属半导体接触压降 p n 重掺杂层压降 结压降以及基区体压降 m v几部分 组成 在p n 重掺杂层浓度足够高及良好欧姆接触条件下 接触压降 重掺杂压 降及nn 结压降均可忽略 而基区电阻率及结深一定时p n 结压降亦为定值 要降 低正向压降 关键是要降低基区体压降 m v 又 22 2 2 2 btbd vmwv wl 3 1 由式3 1可知 t v 是热电压 其值为26 mv t 300 k b w是基区宽度 是载 流子迁移率 d l是扩散长度 从公式3 1中可以看出 1 m v 又由于 随基区电 阻率 的增大而减小 从而 m v随基区电阻率的增加而增加 因此从降低 m v出发 宜 选用较小的 和较小的 b w 而要提高反向击穿电压则要求较大的 b w和较大的 40 可见 正 反电参数对 b w 的要求相互矛盾 因此在器件设计是要兼顾两个方面 另外 在保证一定的反向击穿电压的前提下 硅片应尽量选薄 为便于特性研究 本 实验最终选用三种电阻率硅片 15 cm 30 cm 40 cm 硅片最终厚度 为t 250 5 m 23 另外 为提高反向击穿电压 表面造型采用适当角度的正斜角 它有利于降低表 面电场从而使表面击穿后于体内击穿 使耐压特性可以按照体内耐压设计 3 2 样品制备 采用n型直拉单晶硅 原始片厚约为270 5 m 直径76mm 采用美国filmtronics 公司纸源p60在1250oc温度下进行磷预淀积 接着背面喷砂去除约15 m 再利用 b40纸源在1250oc温度下进行硼淀积和磷推进 形成p nn 结构 铂源采用的是美 国filmtronics公司铂液态源pt920 然后进行旋转涂覆 双面喷砂清洗后 分成若干 组进行铂扩散试验 在不同温度不同时间条件下在专用石英管中进行扩散 以得到不 同的trr 各组试验片扩铂后再进行台面腐蚀 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等工序 最后将硅片切割成面积为1 71mm2的正 方形芯片进行测试 部分芯片封装成do 41的形式以便进行vf的测试以及可靠性测 试 样品制备采用标准gpp流程 工艺流程图如图3 1所示 图 3 1 铂扩散二极管工艺流程图 3 3 关键工艺分析 磷预淀积 磷预淀积 目的是形成高浓度的n 层 以便获得较好的欧姆接触 并在基区较 短的情况下提高反向击穿电压 为了达到以上目的 要求扩入的磷具有尽可能高的表 24 面浓度和深结 本工艺采用纸源扩散 纸源扩散属于恒定表面源扩散 杂质呈余误差 函数分布 41 扩散系数是温度和时间的函数 扩散温度越高 扩散时间越长 结越深 而表面浓度也越高 本实验采用两步扩散预淀积后形成了n nn 结构 为了硼扩散能 够在晶格完美 电阻率均匀的n型衬底上进行 必须去掉一面的n 层 本实验在磷 扩散后采用喷砂的方法去除约15 20 m的厚度 硼扩散及磷再分布硼扩散及磷再分布 目的是形成p n结 推进磷淀积深度控制基区宽度 本实验 中采用硼纸源进行扩散 在快恢复二极管中 高浓度的n 层是为了得到较好的欧姆 接触 而高浓度的p 层是为了形成 pn结 实际对快恢复二极管电特性影响较大的是 基区的宽度 所以在基区宽度达到要求的前提下 磷扩散深度和硼扩散深度可以灵活 调整 总的原则是 尽量使磷的扩散深度较大一些 这样硼的深度可以相对减小一些 对改善挖槽后的碎片率有一定的好处 铂扩散 铂扩散 扩铂是快恢复二极管制造中最关键的工序 铂作为有效的复合中心控制 少子寿命 因此铂扩散的浓度以及均匀性直接影响快恢复二极管的反向恢复时间特性 铂在硅中的扩散 一般认为是以间隙式 替位分解扩散方式进行的 而这两种扩散机制 的扩散系数均是温度的函数 即温度越高 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 42 所以 需要选择合适的 扩散温度和时间来获得符合要求的trr 本文采用filmtronics公司的铂源pt920用异丙醇 稀释后涂覆在硅片表面进行扩散 扩散温度范围在850 940 之间 所得的trr值根据 铂扩散温度和时间的不同而不同 台面腐蚀 台面腐蚀 目的是形成表面造型的正斜角从而提高击穿电压 为了要提高反向击 穿电压 必须避免过早出现表面击穿 击穿电压是表面条件的灵敏函数 采用一种正 斜角的结构能够使表面上的最大电场始终低于体内的最大电场 而且 对于所有的正 倾斜角 电场强度的计算示出 从表面到体内的方向上 电场从表面的值单调地增加 到体内的值 从而确保表面击穿始终后于体内击穿 因而 对于所有高压结都选择这 一技术 43 图3 2所示的是正斜角的结构图 图中xj是pn结反偏时的空间电荷区扩 展宽度 当具有正斜角的结构时 斜面部分的空间电荷区为了保持电荷平衡而上翘 此时空间电荷区在表面的扩展宽度时xj1 由于xj1大于xj 所以斜面处的电场强度小 25 于体内 从而能够使体内击穿电压高于体表击穿电压