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漂移阶跃恢复 二极管及其制备方法

阅读：134发布：2020-06-10

专利汇可以提供漂移阶跃恢复二极管及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种纳秒脉冲源器件中的作为开关使用的漂移阶跃恢复二极管及其制备方法。基底为N型衬底(1)，在N型衬底(1)内部通过掺杂形成有掺磷的N+区(1-1)、掺铝的P区(1-3)、掺硼的P+区(1-4)；其中N+区(1-1)与P+区(1-4)位于N型衬底(1)的两侧，P+区(1-4)与P区(1-3)相邻接，P区(1-3)与N+区(1-1)通过N区(1-2)隔离开，其特征在于P+区(1-4)与P区(1-3)总的结深为100μm～130μm。通过改变DSRD器件的内部结构，以解决脉冲前沿大、负载上电压脉冲小、DSRD器件上损耗的预脉冲能量大的问题，从而提高了DSRD开关的切断速度。，下面是漂移阶跃恢复二极管及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种漂移阶跃恢复二极管，其基底为N型衬底(1)，在N型衬底(1)内部通过掺杂+ + + +
形成有掺磷的N 区(1-1)、掺铝的P区(1-3)、掺硼的P 区(1-4)；其中N 区(1-1)与P+ +
区(1-4)位于N型衬底(1)的两侧，P 区(1-4)与P区(1-3)相邻接，P区(1-3)与N 区+
(1-1)通过N区(1-2)隔离开，其特征在于P 区(1-4)与P区(1-3)总的结深为100μm～
130μm。
+
2.根据权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于N 区(1-1)的结深为
50μm～120μm，N区(1-2)的厚度为20μm～30μm。
+
3.根据权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于P 区(1-4)的硼离子的表+ 19 20 3
面浓度和N 区(1-1)的磷离子的表面浓度为10 ～10 个/cm。
4.根据权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于P区(1-3)的铝离子扩散
15 15 3
的表面浓度为7×10 ～8×10 个/cm。
+
5.根据权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于P 区(1-4)的结深为
15μm～20μm。
6.根据权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于N型衬底(1)的电阻率的范围为20Ω·cm～30Ω·cm，厚度为在250μm～300μm范围内。
+
7.根据权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于在N型衬底(1)的P 区+
(1-4)和N 区(1-1)两侧镀有镍层(1-5)。
8.一种漂移阶跃恢复二极管，其特征在于该漂移阶跃恢复二极管是由权利要求1所述漂移阶跃恢复二极管串联组成的漂移阶跃恢复二极管堆。
9.一种权利要求1所述的漂移阶跃恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：
1)在准备好的N型衬底(1)上双面扩散磷；2)氧化形成保护层；3)单面研磨去除扩散的磷层并进行铝扩散；4)在进行铝扩散的一面进行硼扩散；5)N型衬底(1)双面镀镍，其特征在于：上述铝扩散时采用的炉温为1250℃～1260℃，时间为50～52小时。
10.根据权利要求9所述的漂移阶跃恢复二极管的制备方法，其特征在于所述扩散磷在空气气氛下进行，炉温控制在1180℃～1190℃，时间为2～2.5小时；所述硼扩散在空气气氛下进行，在1200℃～1210℃下保温2～3小时，在800℃～810℃下恒温20～30小时。

说明书全文

漂移阶跃恢复二极管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体开关二极管，尤其涉及一种纳秒脉冲源器件中的作为开关使用的漂移阶跃恢复二极管(DSRD)及其制备方法。

背景技术

[0002] 在超宽带脉冲源中，产生从皮秒到纳秒超宽带脉冲的关键电子元件是开关。在产生纳秒级的高压脉冲时，传统的器件(如等离子断路器、注射式闸流管和爆破丝等)寿命短、抗冲击能力差以及无法重复使用。传统的半导体器件，如用专用场效应晶体管最快速的电流切断时间需10ns且系统很复杂，成本昂贵。传统的大功率高压半导体二极管其电流切断过程的持续时间在微秒量级，远高于纳秒量级。无法满足纳秒脉冲源的需要。

[0003] 目前快速发展的基于雪崩效应的雪崩晶体管组件在短时间(小于10-8s)内不仅能实现几十到几百千伏的高电压输出，而且能实现兆瓦量级的高功率输出，因此这种发展中的新型高功率、高电压半导体开关漂移阶跃恢复二极管DSRD在超宽带雷达中具有广泛的发展空间和应用前景。这种开关的主要优点：输出功率高、长寿命、高稳定性、体积小、重量轻、相对简单的生产制造技术，同时还具有重要特性：等离子体泵浦的等离子体抽取时间周期在100～300ns内完成高功率的产生，具有高重频特性。在等离子体抽取时间周期尾端DSRD回到初始断开状态，又为下一周期高功率脉冲的产生做好准备。

[0004] 但是，目前应用的DSRD开关存在脉冲前沿大、为获得高输出功率输入电流大、负载上电压脉冲幅度小、DSRD器件上损耗的预脉冲能量大等问题。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是通过改变DSRD器件的内部结构，以解决脉冲前沿大、负载上电压脉冲小、DSRD器件上损耗的预脉冲能量大的问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种漂移阶跃恢复二极管，其+ +基底为N型衬底，在N型衬底内部通过掺杂形成有掺磷的N 区、掺铝的P区、掺硼的P 区；
+ + + +
其中N 区与P 区位于N型衬底的两侧，P 区与P区相邻接，P区与N 区通过N区隔离开，+ +
其中P 区与P区总的结深为100μm～130μm。上述N 区的结深为50μm～120μm。

[0007] 上述漂移阶跃恢复二极管的制备方法为：包括以下步骤：1)在准备好的N型衬底上双面扩散磷；2)氧化形成保护层；3)单面研磨去除扩散的磷层并进行铝扩散；4)在进行铝扩散的一面进行硼扩散；5)N型衬底双面镀镍，其特征在于：上述铝扩散时采用的炉温为1250℃～1260℃，时间为50～52小时。

[0008] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：结构中采用浅的高浓度硼结和超深的+铝扩散结，短N区和深的N 区磷扩散结构，使得器件在反向切断过程中，梯度分布的等离子+ +
体前沿分别穿过P区和N基区从PP结和NN结向PN结迅速运动，随着空间电荷区的快速扩展，两边的等离子体前沿正好在PN结结面处相遇，从而使DSRD开关达到了最快的切断速度；由于器件的切断速度快，因此其di/dt非常大，在电路中电感的作用下，负载上将得到极高幅度的电压脉冲；同时由于采用了深结磷扩散技术，达到了缩短N基区的目的，从而减小正向损耗，因此在DSRD器件上损耗的预脉冲能量也会很小。
附图说明

[0009] 图1是本发明提供的DSRD的结构示意图；

[0010] 图2是具有1ns脉冲前沿、电压为1KV的DSRD的掺杂曲线；

[0011] 图3是DSRD触发脉冲波形；

[0012] 图4是由图1所示DSRD结构单元组成的DSRD堆结构示意图；

[0013] 图中：1 N型衬底，1-1 N+区，1-2 N区，1-3 P区，1-4 P+区，1-5 镍层。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0015] 参见图1，本发明提供的漂移阶跃恢复二极管DSRD，其基底为N型衬底1，在N型+ + +衬底1内部通过掺杂形成有掺磷的N 区1-1、掺铝的P区1-3、掺硼的P 区1-4；其中N 区+ + +
1-1与P 区1-4位于N型衬底1的两侧，P 区1-4与P区1-3相邻接，P区1-3与N 区1-1+ +
通过N区1-2隔离开，其中P 区1-4与P区1-3总的结深为100μm～130μm。上述N 区
1-1的结深为50μm～120μm。本实施方式中N型衬底1优选为硅衬底。

[0016] 参见图2给出的具有1ns脉冲前沿、电压为1KV的DSRD的掺杂曲线。N型硅衬底1材料初始的电阻率20Ω·cm～30Ω·cm，因此，DSRD结构的N区1-2电阻率也为20Ω·cm～+30Ω·cm。结构中的P区1-3是由铝扩散形成的，P 区1-4是由硼扩散形成的，铝扩散的结深100μm～130μm，硼结深约15μm。因为高的铝、硼扩散结深差别对获得良好的DSRD器+
件电参数非常重要。器件的N 区1-1是由磷扩散形成的，结深50μm～120μm，其扩散分布是在长时间的铝扩散中形成的。磷扩散的结深之所以比铝扩散的浅是因为它的扩散系数小导致的。DSRD硅衬底的厚度250μm～300μm，这是为了在1KV脉冲电压下正常工作器
19 20 3
件的基区需要保留足够的厚度。硼和磷的表面浓度为10 ～10 个/cm，这么高的表面浓
15
度对获得良好的载流子注入和表面接触是非常必要的。铝扩散的表面浓度约为7～8×10
3
个/cm，它对获得平滑的、深的铝扩散分布曲线是很必要的。

[0017] 参见图3所示的DSRD器件的触发波形。较短的注入和抽取电流脉冲的脉宽有利于获得较快的输出脉冲前沿。为了获得1ns的输出脉冲前沿，注入和抽取脉冲的脉宽应不2
超过200ns和100ns。抽取脉冲的峰值电流密度应在200～250A/cm。较高的峰值电流密度会导致DSRD器件上的损耗增加，而较低却会导致输出脉冲的电压变小。

[0018] DSRD开关的工作原理为：DSRD开关在注入阶段储存电荷，在抽取阶段需将同样的电荷去除。因此，其储存和去除的电荷是相等的，即注入电流脉冲波形和抽取电流脉冲波形的面积是相等的。DSRD开关在反向电流脉冲即将完成时迅速关断，同时产生DSRD输出脉+ +冲。首先，对DSRD器件施加正向触发(即阳极加正信号)，正向电流流过具有PPNN 结构的DSRD，器件中被注入等离子体，为了在器件内部形成等离子体梯度，要求正向触发时间要短(一般小于200ns)。强烈的不均匀分布的形成导致了大部分(约为75％)的等离子体+
集中在P区1-3。当一个快速上升的反向电流脉冲流过器件时，浓度波快速反向从N 区1-1+
向PN结移动，同时，聚集在PP结附近的等离子体由于空穴的迁移开始下降，由此产生的浓+ +
度波前沿穿过P区1-3向PN结移动。对PPNN 结构的正反向电流脉冲参数的设计要严格挑选，以使两个波的前沿恰好在PN结结面附近相遇。此时，二极管中的等离子体消失，流过二极管的反向电流只受从PN结反方向运动的多数载流子的影响。随着这种情况的发生，在PN结附近将形成空间电荷区，同时二极管两端的电压迅速增加，流过二极管的电流被强制断开。这一过程的速度主要是由空间电荷区边界穿过N区1-2的速度决定的。因此DSRD参数通常要按下述途径选择：当等离子体前沿相遇时要保证反向电流密度jR在瞬间达到载流子饱和漂移电流密度jS，jS≈q·n0·VS，其中n0为载流子数目，VS为载流子饱和速度，并且
7 -1
在切断过程早期等离子体边界以最终可能的载流子饱和速度VS＝10cm·s 移动。如果jR＞jS，在浓度波拖尾边缘后面的N区1-2中“预脉冲增大”和开关损耗上升，而当jR＜＜jS，被切换的功率减小，电电中性条件将被破坏，这将造成电压脉冲形成中出现流切断时间toff就变长了。在脉冲系统中常取jR＝0.8jS，并最终使切断时间toff≈WSCR/VS，其中WSCR表示空间电荷区宽度。

[0019] 上述漂移阶跃恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：1)在准备好的N型衬底1上双面扩散磷；2)氧化形成保护层；3)单面研磨去除扩散的磷层并进行铝扩散；4)在进行铝扩散的一面进行硼扩散；5)N型衬底1双面镀镍，其特征在于：上述铝扩散时采用的炉温为1250℃～1260℃，时间为50～52小时。

[0020] 可以分为以下具体工序：

[0021] 1)材料准备：取硅片作为N型衬底1的材料，双面打磨硅片至400μm，对硅片进行化学清洗，甩干。

[0022] 2)磷扩散：在硅片打磨过的两表面涂敷磷酸乙醇溶液，其中磷酸和乙醇的体积比为1∶20，并在空气气氛、1180℃下，保温2小时进行推结处理。

[0023] 3)用HF去除硅片表面的磷硅玻璃(PSG)，时间5min，温度20～24℃。

[0024] 4)去离子水冲洗10分钟，水流速度1L/min.扩散后磷的表面浓度应≥1020个/3
cm，结深约为10μm。

[0025] 5)硅片化学清洗，甩干。

[0026] 6)表面氧化：在湿空气中对圆片进行热处理，温度1248℃～1252℃，时间4～5小时，湿空气水汽气氛，氧化层厚度要求在0.7μm～0.9mμ。也可选用其它方法氧化，如在流动的氧气中氧化。

[0027] 7)单面磨片：打磨硅片的一面至硅片厚度为260μm，去除该打磨面的扩散的磷层，清洗后干燥。

[0028] 8)铝扩散：将质量浓度为1％的硝酸铝的乙醇溶液涂敷在打磨过的硅片的一面，在空气气氛、1250℃～1260℃下，推结处理50小时～52小时。铝扩散结深应≥100μm，一般在100μm～130μm范围内，磷结深应≥50μm，一般为50μm～120μm。

[0029] 9)用HF酸从硅片表面去除铝硅玻璃，时间约15min。在腐蚀铝硅玻璃时，硅片的另一面必须用抗酸的覆盖物保护，可选用清漆。

[0030] 10)去除覆盖物，对硅片进行清洗，并干燥。

[0031] 11)在去掉铝硅玻璃层的一面涂敷质量浓度为1％的硼酸的乙醇溶液。空气气氛下，先在1200℃～1210℃的炉温下保温2～3小时，然后在800℃～810℃下恒温20～3019 20 3
小时进行推结处理。硼的结深一般为15μm～20μm，表面浓度为10 ～10 个/cm。

[0032] 12)用HF酸去除硅片表面的氧化层，时间约20min。用去离子冲洗硅片约10分钟，水流速度0.5L/min，并干燥。

[0033] 13)用四探针表面电阻仪检测硅片表面电阻，硼的表面电阻在1.8～2Ω/□之内，磷的表面电阻在0.6～0.8Ω/□。

[0034] 14)化学镀镍：镀液的主要成分有：氯化镍(NiCl)150g，柠檬酸(C6H8O7)325g，连二磷酸钠(NaH2PO4)50g，氯化铵(NH4Cl)250g，水5公升。用氨水调节镀液的PH值为7～8，镀液温度80℃，时间4min。

[0035] 15)去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0.5L/min，并干燥。

[0036] 16)在真空环境中进行退火处理，炉温650～700℃，时间15min。

[0037] 17)去离子水超声清洗，然后用去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0.5L/min，并干燥。

[0038] 18)化学镀镍：镀液的主要成分有：氯化镍(NiCl)150g，柠檬酸(C6H8O7)325g，连二磷酸钠(NaH2PO4)50g，氯化铵(NH4Cl)250g，水5公升。用氨水调节镀液的PH值为7～8，镀液温度80℃，时间5min。

[0039] 19)去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0.5L/min，并干燥。

[0040] 20)在真空环境中进行退火处理，炉温650～700℃，时间15min。

[0041] 21)去离子水超声清洗，然后用去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0.5L/min，并干燥。

[0042] 22)化学镀镍：镀液的主要成分有：氯化镍(NiCl)150g，柠檬酸(C6H8O7)325g，连二磷酸钠(NaH2PO4)50g，氯化铵(NH4Cl)250g，水5公升。用氨水调节镀液的PH值为7～8，镀液温度80℃，时间7～8min。

[0043] 23)去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0.5L/min，并干燥。

[0044] 一种漂移阶跃恢复二极管，该漂移阶跃恢复二极管是由权利要求1所述漂移阶跃恢复二极管串联组成的漂移阶跃恢复二极管堆，具体制备过程：

[0045] 1)对加工好的DSRD二极管进行表面清洗，并用勒克司电脉冲方法测试DSRD二极管的可动电荷载流子寿命τP，τP应≥10μs，用厚度测试仪测量DSRD二极管的厚度。

[0046] 2)用τA测试仪测试DSRD二极管的反向电压延迟时间τA。

[0047] 3)将τA偏差小于1ns且厚度偏差不大于10μm的DSRD二极管串接在一起形成DSRD二极管堆，每个DSRD二极管堆焊接10个DSRD二极管，所用焊料为Sn63Pb37。

[0048] 4)用碳化硅沙将DSRD二极管堆的侧表面打磨光滑。

[0049] 5)用有机溶剂(如：苯、甲苯、丙酮)清洗DSRD二极管堆，去离子水冲10min以上，水流速度0.5L/min。

[0050] 6)用防酸的清漆保护DSRD二极管堆镀镍表面。

[0051] 7)用质量比为1∶4∶2的HF∶HNO3∶乙酸溶液腐蚀DSRD二极管堆，腐蚀最好分两次进行，两次腐蚀之间要用去离子水冲洗DSRD二极管，每次腐蚀时间约20到25秒。

[0052] 8)去离子水冲洗15分钟，水流速度1L/min。

[0053] 9)用滤纸擦干DSRD二极管堆，然后在150℃下恒温5到10分钟。

[0054] 10)用耐热的硅有机化合物(或其它类似的化合物)保护DSRD二极管堆的侧表面，并固化涂敷的化合物。

[0055] 11)用Sn63Pb37焊料将钨接触盘焊接在DSRD二极管堆的两端。

[0056] 12)测试DSRD二极管堆的主要参数：延迟时间τA、峰值电压UMAX和上升时间τr。

[0057] 本发明提出的DSRD做到了传统器件无法做到的事情，而且其制造工艺技术非常简单，可以用整个硅片进行器件制作(最大直径125mm)，因而单只DSRD开关的反向脉冲幅2 -2
度可以非常高。在直径为25mm的硅片上器件的工作面积约4cm，也就是在jR＝200A·cm时脉冲幅度为800A，工作电压为1.5KV时脉冲功率约1.2MW。由于DSRD开关便于串联使用，因而用这些器件可以制作高功率的纳秒脉冲发生器。DSRD的工作频率原则上可以非常高，因为在正向和反向脉冲通过后(也就是从一个循环开始后500ns)下一个循环几乎能立即开始。

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漂移阶跃恢复二极管及其制备方法

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