专利名称：漂移阶跃恢复二极管及其制备方法
技术领域：
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：
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。
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。 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
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。 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100iim 130iim。上述N+区的结深为50 y m 120iim。
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°C 126(TC，时间为50 52小时。 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P+P结和N+N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，达到了縮短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。
图1是本发明提供的DSRD的结构示意图； 图2是具有Ins脉冲前沿、电压为1KV的DSRD的掺杂曲线； 图3是DSRD触发脉冲波形； 图4是由图1所示DSRD结构单元组成的DSRD堆结构示意图； 图中1 N型衬底，l-l N+区，l-2 N区，l-3 P区，1-4 P+区，1-5镍层。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 参见图l，本发明提供的漂移阶跃恢复二极管DSRD，其基底为N型衬底l，在N型 衬底1内部通过掺杂形成有掺磷的N+区l-l、掺铝的P区l-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，？+区1-4与P区1-3相邻接，P区1-3与N+区1-1 通过N区l-2隔离开，其中P+区1-4与P区l-3总的结深为100iim 130iim。上述N"区 1-1的结深为50 ii m 120 ii m。本实施方式中N型衬底1优选为硅衬底。
参见图2给出的具有lns脉冲前沿、电压为1KV的DSRD的掺杂曲线。N型硅衬底l 材料初始的电阻率20Q *cm 30Q *cm，因此，DSRD结构的N区1_2电阻率也为20 Q *cm 30Q *Cm。结构中的P区l-3是由铝扩散形成的，P+区l-4是由硼扩散形成的，铝扩散的结 深100 ii m 130 ii m，硼结深约15 y m。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50 ii m 120 ii m，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250iim 300iim，这是为了在1KV脉冲电压下正常工作器 件的基区需要保留足够的厚度。硼和磷的表面浓度为1019 1(T个/cm3，这么高的表面浓 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 8X 1015 个/cm3，它对获得平滑的、深的铝扩散分布曲线是很必要的。 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lns的输出脉冲前沿，注入和抽取脉冲的脉宽应不 超过200ns和100ns。抽取脉冲的峰值电流密度应在200 250A/cm2。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。
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P+PNN+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P+P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P+PNN+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JK在瞬间达到载流 子饱和漂移电流密度js， js " q n。
Vs，其中n。为载流子数目，Vs为载流子饱和速度，并且 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 = 107cm *s—1移动。如果jK > 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jK << 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t。ff 就变长了。在脉冲系统中常取jK = 0. 8Js，并最终使切断时间t。ff " W^/、，其中W^表示 空间电荷区宽度。 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°C 126(TC，时间为50 52小时。
可以分为以下具体工序 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400iim，对硅片进行 化学清洗，甩干。 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l : 20，并在空气气氛、118(TC下，保温2小时进行推结处理。 3)用HF去除硅片表面的磷硅玻璃(PSG)，时间5min，温度20 24°C 。 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/
cm3，结深约为10iim。 5)硅片化学清洗，甩干。 6)表面氧化在湿空气中对圆片进行热处理，温度1248t: 1252t:，时间4 5小 时，湿空气水汽气氛，氧化层厚度要求在O. 7iim 0. 9mii 。也可选用其它方法氧化，如在流 动的氧气中氧化。 7)单面磨片打磨硅片的一面至硅片厚度为260iim，去除该打磨面的扩散的磷 层，清洗后干燥。 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、125(TC 126(TC下，推结处理50小时 52小时。铝扩散结深应^ 100iim，一
般在100 ii m 130 ii m范围内，磷结深应^ 50 y m， 一般为50 y m 120 y m。 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。 10)去除覆盖物，对硅片进行清洗，并干燥。 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°C 1210。C的炉温下保温2 3小时，然后在800°C 810。C下恒温20 30 小时进行推结处理。硼的结深一般为15 ii m 20 ii m，表面浓度为1019 102°个/cm3。
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IO分钟， 水流速度0. 5L/min，并干燥。 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 2 Q / □之内， 磷的表面电阻在O. 6 0. 8Q / □。 14)化学镀镍镀液的主要成分有氯化镍(NiCl) 150g，柠檬酸(C6H807) 325g，连二 磷酸钠(NaH2P04) 50g，氯化铵(NH4C1) 250g，水5公升。用氨水调节镀液的PH值为7 8，镀 液温度8(TC，时间4min。 15)去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0. 5L/min，并干燥。 16)在真空环境中进行退火处理，炉温650 700°C ，时间15min。 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。 18)化学镀镍镀液的主要成分有氯化镍(NiCl) 150g，柠檬酸(C6H807) 325g，连二 磷酸钠(NaH2P04) 50g，氯化铵(NH4C1) 250g，水5公升。用氨水调节镀液的PH值为7 8，镀 液温度8(TC，时间5min。 19)去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0. 5L/min，并干燥。 20)在真空环境中进行退火处理，炉温650 700°C ，时间15min。 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。 22)化学镀镍镀液的主要成分有氯化镍(NiCl) 150g，柠檬酸(C6H807) 325g，连二 磷酸钠(NaH2P04) 50g，氯化铵(NH4C1) 250g，水5公升。用氨水调节镀液的PH值为7 8，镀 液温度8(TC，时间7 8min。 23)去离子水冲洗5分钟左右，水流速度0. 5L/min，并干燥。 —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 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TP， Tp应^ lOiis，用厚度测试仪测量DSRD二极管的厚度。
2)用ta测试仪测试DSRD二极管的反向电压延迟时间t a。 3)将t A偏差小于Ins且厚度偏差不大于10 y m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。
4)用碳化硅沙将DSRD二极管堆的侧表面打磨光滑。 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O. 5L/min。 6)用防酸的清漆保护DSRD 二极管堆镀镍表面。 7)用质量比为1 : 4 : 2的HF : HN03 :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。
8)去离子水冲洗15分钟，水流速度lL/min。 9)用滤纸擦干DSRD 二极管堆，然后在15(TC下恒温5到10分钟。 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。
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11)用Sn63Pb37焊料将钨接触盘焊接在DSRD 二极管堆的两端。
12)测试DSRD 二极管堆的主要参数延迟时间t 4、峰值电压UMX和上升时间t r。
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 度可以非常高。在直径为25mm的硅片上器件的工作面积约4cm2，也就是在jK = 200A *Cm—2 时脉冲幅度为800A，工作电压为1. 5KV时脉冲功率约1. 2丽。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。
权利要求
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l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50 ii m 120 ii m， N区(1-2)的厚度为20 ii m 30 ii m。
3. 根据权利要求l所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于P+区(1-4)的硼离子的表面浓度和N+区(1-1)的磷离子的表面浓度为1019 102°个/cm3。
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)的铝离子扩散的表面浓度为7 X 1015 8 X 1015个/cm3。
5. 根据权利要求l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15 ii m 20 ii m。
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20 Q cm 30 Q cm，厚度为在250 ii m 300 ii m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. —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°C 126(TC，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°C 119(TC，时间为2 2. 5小时；所述硼扩散在空气气氛下进行，在1200°C 1210。C下保温2 3小时，在800°C 810。C下恒温20 30小时。
全文摘要
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。
文档编号H01L29/861GK101777587SQ200910263948
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者刘忠山, 崔占东, 杨勇 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所