1. 引言

  快恢复二极管是一类很重要的开关器件，目前已在各种电子设备特别是开关电源中广泛应用。随着器件工作频率的不断提高，对快恢复二极管的各项指标的要求也不断提高。由快恢复二极管本身存在着速度与功耗之间的矛盾，因而在所有指标之间必须折中考虑进行优化，其中对正向压降-反向恢复时间(VF-trr) 兼容特性、反向漏电流-温度( I_R-T ) 特性的研究最为广泛，而对反向恢复时间-温度( trr-T ) 稳定特性的关注较少。近年来，由于开关电源的工作频率的不断提高，快恢复二极管工作时温度上升导致trr值升高的问题也逐渐引起了人们的重视。国外的一些产品手册中，除了给出室温下的trr值外，已经对100℃下的trr值作出了限制。很明显，良好的trr-T稳定特性将有助于提高相关整机的可靠性。

  实际生产中，常利用掺Au、Pt 及辐照引入深能级复合中心来控制少数载流子寿命。在关于不同的深能级杂质对器件特性的影响问题上,Baliga发展了最佳寿命控制杂质的选择理论，此外，人们也探索和研究了各种器件结构来改善快恢复二极管的性能，如Baliga 等人提出的MPS结构,Shimizu 等人提出的SSD结构及Temple 等人提出的优化的纵向少数载流子寿命分布结构。

  Temple等人提出的优化纵向少数载流子寿命分布结构 ，通过在器件基区内部引入一层或多层薄的高复合区来改善高速器件的V_F-trr兼容特性。受这方面工作的启发，我们提出了一种新的结构，即少数载流子寿命横向非均匀分布(minority-carrier life time lateral non-uniform distribution,MLD ) 结构.我们设想，如果在二极管的n 型基区中引入横向上非均匀分布的深能级杂质，应该对快恢复二极管的各项特性产生影响。与纵向少数载流子寿命优化不同，我们通过对深能级杂质的选择性掩蔽扩散，在p⁺nn⁺型二极管的n型基区内部引入横向非均匀分布的深能级复合中心，从而制备出了具有少数载流子寿命横向非均匀分布结构的快恢复二极管。

  本文对这种新的快恢复二极管的实验研究结果。实验发现，普通均匀掺Au、Pt的快恢复二极管的反向恢复时间trr值随温度的升高而大幅度上升，但是具有MLD 结构的快恢复二极管的trr值仅有少量的增加，从而显示出良好的温度稳定性。由于功率二极管工作时经常处于较高的结温之下，因此本工作的结果可用于研制具有高温度稳定性的快恢复二极管中。

 

  2. 实验

  2.1 样品制备

  实验的原始材料选取电阻率为30～50Ω·cm的n型直拉(CZ)硅单晶磨片，直径为76mm ，厚度为250±5μm。采用高纯磷(P40)、硼(B15) 纸片源，在1250℃下一次扩散形成p⁺nn⁺二极管芯片结构，其中n型基区宽度约为80μm左右。

  然后对制得的二极管芯片硼面进行喷砂处理,清洗后一部分芯片直接在860～900℃下扩散Au或Pt，制成不同trr值的普通均匀掺杂的快恢-湿氧-干氧的方法氧化生成约1μm 厚的氧化层; 再利用光刻技术在二极管芯片的硼面生成尺寸如图1所示的等间距圆形掩蔽图形，去胶清洗后再在900～950℃下扩散Au或Pt，制成不同trr值的MLD二极管芯片。所有的扩散都在高纯氮气的保护下进行。

 

 

  为了验证SiO₂ 对Au、Pt的掩蔽能力，我们还用整块覆盖有SiO₂ 氧化层的二极管芯片进行了对比扩散，证实SiO₂ 氧化层对Au、Pt均能产生良好的掩蔽作用。尽管Au、Pt等重金属杂质在硅中的扩散速度很快，可以产生很强的横向扩散作用，但是因为留下的掩蔽SiO₂ 氧化层具有较大的宽度，因而Au、Pt杂质不会在二极管芯片内部形成完全均匀的分布.这样，便可以制得如图2 所示的在横向上(x方向)深能级杂质浓度非均匀分布的二极管芯片，实现了少数载流子寿命在横向上非均匀分布。为了简单起见，我们可以将样品芯片看成由“短寿命区”(- a1～0) 和“长寿命区”(0～a2) 相间隔组成，并近似地认为两个区域内的少子寿命分别是均匀的。

 

 

  当Au、Pt扩散完毕后，对样品芯片再进行双面喷砂处理，在镀Ni，合金，再镀Ni后制成完整的快恢复二极管芯片。然后划片制为1.5mm×1.5mm的样管芯片，经引线烧结和封装后制成完整的快恢复二极管样管。

  2.2　测试

  反向恢复时间trr的测试用BS4321型二极管恢复时间测试仪测量，精度为±5ns，测试条件为正向注入电流50mA，反向抽取电压10V，串联75Ω的负载电阻。正向压降VF的测试用BS4121二极管正向压降测试仪测量，精度为±0.01V。反向漏电流的测试系统由高压电源和JED-12型高精度数字电流计组成，测试条件为VR= 600V。温度控制用自制的变温槽进行，控温精度为±1℃。

 

  3. 结果及讨论

  3.1 VF-trr兼容特性

  二极管的正向压降VF决定了二极管导通工作时的功耗，因而快恢复二极管的VF-trr兼容特性一直是评价其性能的一项重要指标。我们在制得的均匀掺杂样管和MLD样管中，选取室温下(27℃)具有不同trr值的样管，在正向电流I_F=1.5A 的条件下进行了测试，得到如图3所示的VF-trr兼容特性图。

 

 

  从图中可以看到，无论是掺Au还是掺Pt的MLD二极管，与其相对应的均匀掺杂二极管相比，V_F-trr兼容特性的总体水平都略差一些。以掺Pt管为例，对于trr值同为0.06μs的管子,MLD管的V_F为1.44V，而均匀掺杂管的V_F为1.30V。另一方面,可以看到，掺Au的快恢复二极管在整体上的V_F-trr兼容特性优于掺Pt的快恢复二极管，这与Baliga的最佳寿命控制杂质的选择理论是相一致的。对于这一结果，可以做如下的定性解释: 在实验中，为了获得相同的反恢时间,MLD二极管在进行Au、Pt扩散时所使用的扩散温度比均匀掺杂二极管所使用的扩散温度要高出大约50℃，因而MLD二极管内的“短寿命区”中的深能级杂质浓度远高于普通均匀掺杂二极管，相应的少子寿命远低于普通均匀掺杂二极管。同时，由于Au、Pt杂质的强烈横向扩散，所形成的“短寿命区”的宽度(a1)也会较宽。这样,MLD二极管在正向大注入时的电导调制效应被削弱，因而V_F-trr兼容特性显得略差一些。

  3.2 IR-T特性

  硅快恢复二极管的反向漏电流特性取决于空间电荷区的产生电流，它不仅与掺入的深能级杂质种类有关，也与掺入的深能级杂质总量有关。测试中，我们在制得的均匀掺杂样管和MLD样管中，选取室温下(27℃) trr值都为0.09μs的四种样管进行了测试，得到如图4所示的IR-T特性图.从图中可以看到,MLD二极管在整体上的反向漏电流较普通均匀掺杂管大约大一个量级左右。另外也可以看到，掺Pt的MLD样管在低温时的反向漏电流虽然比均匀掺Au的样管大，但是在高温下，两者的反向漏电流基本处于同一水平。

 

 

  由于杂质能级本身的特性，掺Au的快恢复二极管的IR大于掺Pt管。在我们的实验中，普通均匀掺Au管的IR比均匀掺Pt管也是大一个量级左右，因此，从这一角度出发，可以认为，掺Pt的MLD二极管和普通均匀掺Au管具有近似相同的反向漏电流和I_R-T 特性。在前面已经提到,MLD二极管在进行Au、Pt扩散时的扩散温度比均匀掺杂二极管的扩散温度要高出大约50℃，其“短寿命区”中的深能级杂质浓度远高于普通均匀掺杂二极管，同时所形成的“短寿命区”的宽度也会较宽，因此MLD二极管内部的深能级杂质总量也会高于普通均匀掺杂二极管，使得MLD二极管具有较大的反向漏电流。尽管MLD二极管的反向漏电流较大，但是MLD二极管的反向漏电流依然处于使用容许的范围之内。

  3.3 trr-T特性

  温度是影响半导体器件性能的基本因素之一.当器件的温度升高时，费米能级(EF) 将会移向禁带中央，复合中心能级与费米能级之间的相对能量差增加，使得复合中心的复合率降低，少数载流子的寿命增加。由于Au的能级较深，靠近禁带中央，因此掺Au快恢复二极管的trr值随温度的变化较为缓慢；而Pt的能级较浅，掺Pt快恢复二极管的trr值与温度有强烈的依赖关系。选取在室温下trr值相近的均匀掺杂样管和MLD样管，测量得到如图5所示的trr-T特性图。

 

 

  为了便于比较，我们用变化比例来表征样管的trr-T稳定特性。从图中可以看到，均匀掺Pt样管的trr-T稳定特性最差，相应的trr值由室温时0.103μs的变化到100℃时的0.279μs，η值为2.71; 均匀掺Au样管优之，trr值变化为0.098μs到0.172μs，η值为1.76; 而掺Pt的MLD样管的trr-T稳定特性不仅较均匀掺Pt样管有提高，而且超过了均匀掺Au样管，trr值变化为0.093μs 到0.128μs，η值为1.38; 掺Au的MLD样管的trr-T稳定特性最佳，trr值变化为0.091μs 到0.112μs，η值仅为1.23。可以看到，无论是掺Au还是掺Pt,MLD结构都能够大幅度地改善快恢复二极管的trr-T稳定特性。在参考文献一些中，对部分可以在高温下应用的超快恢复二极管分别给出了25℃时和100℃时的trr值，相应的η值范围为1.40～1.67。而对于我们实验中的MLD二极管，无论是掺Au还是掺Pt，η值都低于这一范围，因此,MLD二极管特别适用于高温的环境。对于MLD二极管这一特性的物理机理，目前正在研究之中。

 

  4. 小结

  本文提出了一种新的快恢复二极管结构: 横向少子寿命非均匀分布结构。我们利用普通的p⁺nn+⁺二极管芯片，通过SiO₂屏蔽层对深能级杂质进行选择性地扩散，制备出了掺Au、Pt的MLD快恢复二极管，并对其特性进行了测试研究。实验结果表明,虽然这种新的快恢复二极管和普通的均匀掺杂快恢复二极管相比，其VF-trr兼容特性略差，并且反向漏电流大约大一个量级，但是这种新结构十分显著地提高了快恢复二极管trr-T的稳定特性。对MLD二极管这些特性的进一步了解，需要详细的理论研究,目前这一工作正在进行中。通过优化设计，选取适当的“短寿命区”和“长寿命区”宽度值以及合理控制两个区域内的少子寿命，可以提高MLD二极管的各项性能指标。

  这种新的快恢复二极管可以用于一些对反恢时间变化要求严格的领域。另一方面，这种新的少数载流子复合层结构也可望用于其他的双极器件上，制备出具有优良温度稳定性的高速开关功率器件。