铂扩散快恢复二极管特性的研究_孙树梅

式中：Ｗ 是 ｎ 基区宽度；μ是载流子迁移率。从 Ｂ
式⑴中可以看出，Ｖ ∝ １／ μ，又由于μ ∝ １／ ρ， ｍ
从而 Ｖ 与 ｎ 基区电阻率成正比。所以，电阻率大 ｍ
的样品，在相同 Ｔ 条件下，Ｖ 略大。
ＲＲ
Ｆ
图 ２ 所示的是不同铂扩散温度下 ＶＦ－ＴＲＲ 的关系
曲线。可见，相同 Ｔ ＲＲ 条件下，铂扩散温度越高，
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
ＲＲ
的减小而增大［５］ 。所以说 Ｖ 与 Ｔ 之间存在着一个
Ｆ
ＲＲΒιβλιοθήκη Baidu
折衷的关系。
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 ｎ
基区体压降 Ｖ 几部分组成。在 ｐ＋，ｎ＋ 重掺杂层浓 ｍ
度足够高及良好欧姆接触条件下，接触压降、重掺
杂 压 降 及 ｎ － ｎ ＋ 结 压 降 均 可 忽 略 ，而 ｎ 基 区 电 阻 率 及
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 ）
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
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
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
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
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
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
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，
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
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
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ ＴＲＲ， ｆｏｒｗａｒｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ ＶＦ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ＩＲ （ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ） ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ
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
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
３．１ Ｖ －Ｔ 特性 Ｆ ＲＲ 扩散时间一定的条件下，不同电阻率的扩铂二
极管的 Ｖ －Ｔ 曲线如图 １ 所示。从图中可看出，随 Ｆ ＲＲ
着 Ｔ 的减小，Ｖ 呈指数上升趋势。我们希望的是
ＲＲ
Ｆ
在满足
Ｔ ＲＲ
条
件
下，
Ｖ Ｆ
越小越好，这有利于减小高
频二极管的正向功耗。实际应用中要根据需求找到
Ｖ Ｆ
和
Ｔ 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．
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
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
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｔｏ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｆａｓｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ
ｄｉｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ＣＺ ｗａｆｅｒ ａｎｄ ｓｐｉｎ－ｏｎ ｐｌａｔｉｎｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｉｆｅ－
Ｔｈｅ ｒｅａｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｌａｔｉｎｕｍ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｉｏｄｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．
Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＦＲＤ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．
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
（ １． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｏｎｏｌｇｙ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｏｎｏｌｇｙ， Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｍ ｉ Ｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ １ ０ ０ １ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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
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
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。
测试仪测量反向恢复时间，测试条件为 Ｉ Ｆ＝ ５ ０ ０
ｍＡ；用 ＦＥＣ２００ 测试仪测试 Ｖ ，测试条件为 Ｉ ＝
Ｆ
Ｆ
１ Ａ；用 ＦＥＣ２００ 测试仪测试高温反向漏电流，测
试条件为 Ｖ ＝ ８００ Ｖ。 Ｒ
December 2006
设计与开发 ST Design and development
３ 实验结果及讨论
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的
反向恢复时间 Ｔ 、正向压降 Ｖ 以及漏电流 Ｉ 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