MLD結(jié)構(gòu)快恢復(fù)二極管trr-T特性的理論分析精

1、第26卷第1期2005年1月半導(dǎo) 體學(xué)報(bào)CHI NESE JOURNA L OF SE MIC ONDUCT ORSV ol. 26 N o. 1Jan. ,20053國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào):69836010潘飛蹊男,1970年出生，博士研究生，主要從事半導(dǎo)體器件及電路設(shè)計(jì)研陳星弼男,1931年出生，中國科學(xué)院院士，研究方向?yàn)槠骷锢?，功率器件和IC設(shè)計(jì).2003211228收到，2004203226定稿2005中國電子學(xué)會(huì)MLD結(jié)構(gòu)快恢復(fù)二極管t rr 2T特性的理論分析潘飛蹊 陳星弼（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)學(xué)院，成都 610054摘要：對少數(shù)載流子壽命橫向非均勻分布 （m

2、i nority 2carrier life time lateral non2uniform distribution ,M LD結(jié)構(gòu)的快恢復(fù) 二極管進(jìn)行了理論研究.首先利用M LD二極管n型基區(qū)內(nèi)部少數(shù)載流子在橫向上的分布形態(tài)，給出了 M LD結(jié)構(gòu)提高快恢復(fù)二極管的反恢時(shí)間2溫度（t rr 2T穩(wěn)定性的一個(gè)定性解釋，然后利用 平均壽命” 對M LD二極管的t rr 2T特性 進(jìn)行了討論.模擬結(jié)果證明了理論分析的正確性.關(guān)鍵詞：反恢時(shí)間；溫度穩(wěn)定性；平均壽命P ACC :2320C ; 7115; 7220J中圖分類號(hào):T N303文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：025324177(20050120

3、1262071引言快恢復(fù)二極管作為一類重要的開關(guān)器件在各種電子設(shè)備中使用廣泛.作為雙極器件，它存在著速度 與功耗之間的矛盾，所有指標(biāo)之間必須折中考慮進(jìn)行優(yōu)化.為了減小快恢復(fù)二極管反恢時(shí)間t rr ,通常用摻金、摻鉑和電子輻照的方法來縮短少子壽命，但這會(huì)相應(yīng)地增大二極管的正向壓 降V F和反向漏電 流I R .在文獻(xiàn)1中,T em pie等提出了一種優(yōu)化的縱 向少子壽 命分布結(jié)構(gòu)，通過在器件基區(qū)中引入一層 或多層平行于pn結(jié)面的薄的高復(fù)合區(qū)， 來改善高速 器件各項(xiàng)特性之間的兼容性.近年來，這種局部壽命 控制的方法得到了 廣泛的關(guān)注25.基于局部壽命控制的思想，在我們以前的研究 工作中，提出了一種

4、新的快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu) :少數(shù) 載流子壽命橫向非均勻分布結(jié)構(gòu)(minority 2carrier life timelateral non 2uniform distribution ,M LD .其基本思想 如圖1所示，在二極管n型基區(qū) 中引入橫向非均勻 分布的深能級(jí)雜質(zhì)，使得二極管n型基區(qū)形成一種由 短壽命區(qū)” 10和 長壽命區(qū)”(0a 2相間隔組成的結(jié)構(gòu).和以前的方法不同,新結(jié)構(gòu)中的局部壽命控制區(qū)垂直于pn結(jié)面.對于這種新結(jié)構(gòu)的快恢 復(fù)二極管的特性，我們報(bào)道過相關(guān)研究結(jié)果，其中最為顯著的是，和普通均勻摻入深能級(jí)雜質(zhì)的快恢復(fù) 二極 管相比，新的快恢復(fù)二極管表現(xiàn)出非常良好的 反恢時(shí)間2溫度(t

5、 rr 2T穩(wěn)定特性. 另一方面，這種新的快恢復(fù)二極管正向壓降2反恢時(shí)間(V F 2t rr兼容特 性略差， 并且反向漏電流大約大一個(gè)量級(jí)6.本文在以前工作的基礎(chǔ)上對 M LD二極管的t rr 2T穩(wěn)定特性進(jìn)行了理論研究.首先利用少子分布形 態(tài)在不同溫度下的變化，給出了 M LD二極管t rr 2T穩(wěn)定特 性的一個(gè)定性解釋.進(jìn)一步，利用 平均壽命”的概念對M LD二極管的t rr 2T特性進(jìn)行了討論，并提出了 M LD二極管基區(qū)中長、短壽命區(qū)寬度取值的 優(yōu)化原則.2 理論分析及討論在我們以前報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中6,用反向恢復(fù)時(shí)間隨溫度的變化比例n =t rr (lOOC/t rr (27r來表征快

6、恢復(fù)二極管的t rr 2T穩(wěn)定特性，其中均勻摻Pt管的n值為3左右，均勻摻Au管的n值為2左右，而摻Pt的M LD樣管的n值僅為114左右，摻Au的M LD樣管的n值僅為112左右.為了解釋M LD結(jié)構(gòu)的這種效應(yīng)，按以下的思路進(jìn)行考慮：普通快恢復(fù)二1極管的反恢時(shí)間取決于其基區(qū)內(nèi)部小注入時(shí)的少子 壽命7,8.對于M LD二極 管，基區(qū)由 短壽命區(qū)”和 長壽命區(qū)”間隔組成，雖然并不存在統(tǒng)一的少子壽 命， 但是在宏觀上可以用 平均壽命”這一概念對兩 個(gè)區(qū)域內(nèi)的少子復(fù)合率進(jìn)行統(tǒng)一的描述.因此可以進(jìn)一步認(rèn)為,M LD二極管的反恢時(shí)間取決于宏觀上 的平均壽命” 相應(yīng)地，其t rr 2T穩(wěn)定特性也可以用平均

7、壽命”隨溫度的變化特性來進(jìn)行解釋.在此只考慮二維的情況，如圖1所示，取M LD二極管的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元來進(jìn)行分析并建立坐標(biāo)系，僅考慮小注入條件下的情況，并做如下簡化假設(shè)：(1近似地認(rèn)為兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的少子壽命是均勻的.由于少子的復(fù)合主要在 短壽命區(qū)”內(nèi)進(jìn)行，因此設(shè)短壽命區(qū)”內(nèi)的少子壽命為T而 長壽命區(qū)”內(nèi)的少子 壽命為無窮大.(2短壽命區(qū)”和 長壽命區(qū)”的寬度分別為a 1和a 2,并且結(jié)構(gòu)單元是重復(fù)對稱的.(3不考慮深能級(jí)雜質(zhì)摻入后對費(fèi)米能級(jí)的影響圖1 M LD二極管的結(jié)構(gòu)Fig. 1 M LD diode structure這里簡化的假設(shè)同實(shí)際情況有一定差別,但是有利于分析的簡化.采用以上假設(shè)條件后

8、，通過求解少子的連續(xù)性方程得到少子濃度在橫向（X方向上的分布形態(tài)（具體推導(dǎo)見附 錄，如圖2所示，由于有兩個(gè)壽命區(qū)域存在，在X方向上少數(shù)載流子形成了一種波浪”型的濃度分布：在 長壽命區(qū)”內(nèi)濃度分 布是正弦形態(tài)，在 短壽命區(qū)”內(nèi)濃 度分布則是近似指數(shù)衰減.利用這種分布形態(tài)，可以給出M LD結(jié)構(gòu)提高二極管t rr 2T穩(wěn)定特性原因的一個(gè)直觀定性解 釋：當(dāng)溫度升高時(shí)，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)少子的壽命增 加，擴(kuò)散長度增加，這時(shí)相應(yīng)的 波浪”型濃度分布會(huì)趨于平緩.從少子的數(shù)量變化上來看，高溫時(shí)短壽命區(qū)內(nèi) 將集中更多的少子，因而可以有更多的少子被復(fù)合，這種濃度分布的變化在一定程度上補(bǔ)償了少子壽命隨溫 度的增加，使得宏觀

9、上少子的復(fù)合率（或平均壽命”隨溫度的變化更為緩慢，從而相應(yīng)地提高了 快恢復(fù)二極管t rr 2T穩(wěn)定特性圖2 M LD二極管中x方向少子濃度分布Fig. 2 Mino rity distributi on along x directi on in M LD diode進(jìn)一步的討論可以通過對 平均壽命”袖勺具體計(jì)算來進(jìn)行（具體推導(dǎo)見附錄.為了簡化計(jì)算，避免討論深能級(jí)雜質(zhì) 濃度、能級(jí)位置等諸多因素對少子壽命的復(fù)雜影響，計(jì)算中不針對某一種特定的 深能級(jí)雜質(zhì)，而是假設(shè)有某一種深能級(jí)雜質(zhì)，在300K和400K這兩個(gè)特定的溫度， 使少子壽命按固定的比例 n變化,即：nT =T （400K / T （3相應(yīng)

10、地,對M LD二極 管而言，假設(shè)短壽命區(qū)”內(nèi)摻入了這種深能級(jí)雜質(zhì)，則 短壽命區(qū)”內(nèi)的少子壽命將按相同比 例變化；同時(shí)，計(jì)算出MLD二極管內(nèi)少子在不同溫度下的“平均壽命”然后用平均壽命”隨溫度的變化比例 n ave = t （400K/ T (300來衡量M LD結(jié)構(gòu)對二極管t rr 2T穩(wěn)定特性的改善.圖3是“平均壽命”的計(jì)算值與 長壽命區(qū)”寬度a 2之間的關(guān)系圖.圖4中計(jì)算畫出了假設(shè)n取值為4和8時(shí),n a與M LD結(jié)構(gòu)尺寸(a 1, a 2之間的關(guān) 系, 從這些圖中，可以得到以下三個(gè)方面有關(guān) MLD二極管優(yōu)化的定性原則.(1從圖4中可以看到，a 1, a 2的取值增加時(shí)，ne值減小.說明要

11、提高二極管 的t rr 2T穩(wěn)定性,可以增大M LD結(jié)構(gòu)尺寸a 1, a 2.但是,從圖3中可以看 到,當(dāng)a 2增加時(shí)，平均壽命”值也迅速增加，意味著二極管的反恢時(shí)間也會(huì)增加，因此 對M LD二極管而 言，應(yīng)當(dāng)是在反恢時(shí)間允許的前提下，盡量增加 長壽命區(qū)”寬 度a 2,以提高其t rr 2T穩(wěn)定性.(2短的少子壽命導(dǎo)致產(chǎn)生大的反向電流，顯然,M LD二極管的 短壽命區(qū)”寬 度值a 1越小,反向*"/ /:" T r' / J:/ l|/ FI'l- -3 - -A#/ v/ “ .'Ja 1=500 卩 m寸,300K 下'平均壽命”與a 2

12、的關(guān)系Fig. 3Relatio nship betwee n“ average lifetime” and a 2at300K a 1=500 卩土 一平均壽命”比例與M LD結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系Fig. 4Relatio nship betwee n the ratio of“ average lifetime” and the scales of MLD structure漏電流也越小.因此，進(jìn)一步的考慮應(yīng)該是縮短a 1的值.從圖4(b中可以看到,當(dāng)a 1大于一定值后,基本不再影響n av值的變化.因此對MLD二極管而 言,在不影響t rr 2T穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)當(dāng)盡量縮短短壽命區(qū)”寬度值a

13、1.(3從圖4中還可以看到，在結(jié)構(gòu)尺寸取值相同 時(shí)，降低短壽命區(qū)”的少子壽 命TS ,也可以使n aveS減小,提高二極管的t rr 2T穩(wěn)定性.按照上面三個(gè)原則對 M LD二極管中長、短壽命區(qū)進(jìn)行優(yōu)化取值，可以使MLD二極管的t rr 2T穩(wěn)定特性達(dá)到最佳，而反向漏電流較小.圖中的計(jì)算雖然只選取了部分特定的參數(shù)來進(jìn) 行，但是對于其他參數(shù)取值，也可以得到相同的結(jié) 論.并且反恢時(shí)間t rr的變化和平均壽命”變化之間的關(guān)聯(lián)性， 可以通過Medici模擬來加以驗(yàn)證.3 模擬結(jié)果和討論311 模擬參數(shù)的設(shè)定模擬中二極管的基區(qū)摻雜濃度取115 X014cm -3,基區(qū)寬度為80卩m ,n和p +層為10

14、卩m反恢時(shí)間的測試電路按圖5設(shè)置,二極管芯片的面積假設(shè) 為115mm X115mm ,正向注入電流為50mA ,反向抽取電壓為10V ,在反向抽取過程中,當(dāng)二極管正向端 電壓(V D為-9V時(shí)讀取t rr值.載流子的遷移率與 襯底濃度和溫度的關(guān)系采用 Arora模 型，載流子復(fù) 合模型采用SRH模型.模擬中針對Pt雜質(zhì)，采用其主要能級(jí)，即導(dǎo) 帶下0123eV的受主能級(jí)9111/ 'I一 一厶*r-i- * T圖5 反恢時(shí)間測試電路Fig. 5 Circuit of t rr measureme ntsSRH模型的公式為：T P (T n +n i exp (k 0T + T n (T

15、p +n i exp (k 0T(1其中 T p (T和T n C是重?fù)絥型和p型材料中(即每個(gè)深能級(jí)上都俘獲有一個(gè)電子或一個(gè)空穴時(shí)的少子壽命，模擬中需要分別設(shè)定.它們之間的關(guān)系以及它們與溫度之間的關(guān)系由以下推導(dǎo)關(guān)系來設(shè)定：T(T和T n C取決于能級(jí)的俘獲截面(T P ,禾圧載流子的熱運(yùn)動(dòng)速度(V P T , v n(T =(N t(T p V p1T T n (T =(N t c fl1v( T假設(shè)能級(jí)的俘獲截面不隨溫度而變化，則可以得到：T n (T =(T(TX(2Xt p (T (3T P (T = T P (300K X(3002(4其中 m 3n , m 3p是電子和空穴的有效質(zhì)

16、量.從(3式中可以看到,t p和T nC始終是成比例的,根據(jù)文獻(xiàn)912的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),在模擬中采用：T(T =10 T P (T (5 這樣，在模擬中只需要給定室溫下T P (300K勺值，就可以由(4 , (5兩式計(jì)算出任意溫度時(shí)的(T和T n (T并在模擬中設(shè)定相應(yīng)的值.在前面的理論分析和計(jì)算中，假設(shè)了 M LD二極管 長壽命區(qū)”中少子壽命趨于無窮大,模擬 時(shí) 長壽命區(qū)”內(nèi)統(tǒng)一設(shè)置為T P (300K =100卩以下文中(300K指M LD二極管中 短壽命”區(qū)內(nèi)的設(shè)置和 均勻摻雜二極管中的設(shè)置.312 t rr 2T穩(wěn)定特性的模擬比較圖6和圖7中的曲線在模擬中采用的各參數(shù)的 取值例于表1

17、中.按照上述的Pt雜質(zhì)能級(jí)設(shè)置方案，首先對均勻摻雜二極管和M LD二極管的t rr 2T特性進(jìn)行了模擬 和比較，結(jié)果示于圖6中，可以看到，和以前的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果 一樣,M LD二極管顯示出更為穩(wěn)定的t rr 2T特性.表1 圖6和圖7中曲線模擬參 數(shù)的取值T able 1S imulatio n p arameter values of the curves in Figs. 6 and 7曲線El勻搏雜(1.7MLD姑溝0 6 h.S«短壽命區(qū)”寬度a 1 /卩長壽命區(qū)”寬度a 2/ JimTP(300K0 Safl?90.6 -Gh咗/ is1(均勻摻雜 0. 032 2均勻摻雜 0

18、. 016 3(M LD 2001000. 003 4(M LD200750. 002 5(M LD 結(jié)構(gòu) 20050 6(M LD 結(jié)構(gòu) 20075t rr 2T特性的模擬結(jié)果Fig. 6S imulatio n results of t rr 2T characteristicst rr變化比例的模擬結(jié)果圖7是在不同 短壽命區(qū)”少子壽命取值時(shí),M LD二極管的t rr變化比例（t rr（400K/t rr （300K與均勻摻雜二極管的比較,從圖中可以看到M LD二極 管t rr變 化比例較小，另外：（1當(dāng) 短壽命區(qū)”少子壽 命取值減小時(shí)，M LD二極管的t rr變化 比例減小，t rr 2

19、 T穩(wěn)定特性增強(qiáng)；（2對比曲線5和6,當(dāng) 長壽命區(qū)”寬度a 2值增 大時(shí),M LD二極管的t rr 2T穩(wěn)定特性也 會(huì)增強(qiáng).這一變化趨勢和前面的理論分析 中,圖4中所示的“平均壽命”相應(yīng)的變化規(guī)律是一致的,因此可以說明,M LD二 極管的反恢時(shí)間是由平均壽命”決定的，平均壽命”隨溫度的變化規(guī)律決定了反恢時(shí)間隨溫度的變化規(guī)律.以上模擬結(jié)果說明在理論中引入平均壽命”的概念來解釋M LD二極管的t rr 2T穩(wěn)定特性是正確 的.921第1期潘飛蹊等：M LD結(jié)構(gòu)快恢復(fù)二極管t rr 2T特性的理論分析4小結(jié)利用M LD二極管內(nèi)少子在橫向上的分布形態(tài) 和 平均壽命”的概念，解釋了M LD結(jié)構(gòu)提高快恢復(fù)

20、 二極管t rr 2T穩(wěn)定性特性的原因,并提出了 M LD二極管基 區(qū)中長、短壽命區(qū)寬度取值的優(yōu)化原則，模擬結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性.雖 然采用的是二維 解析分析，同時(shí)在分析中沒有具體考慮深能級(jí)雜質(zhì) 的分布，簡單認(rèn) 為兩個(gè)不同的壽命區(qū)內(nèi)少子壽命是 均勻的，這些都與實(shí)際情況有所差別，但是這種 簡化的分析給出了 M LD二極管t rr 2T穩(wěn)定特性的直觀物 理圖象和簡單理論解釋.另一方面，對M LD二極管的進(jìn)一步研究還必須 綜合考慮少子壽命的合理取值 問題以及V F 2t rr的兼 容特性問題，目前這些工作正在進(jìn)行中.參考文獻(xiàn)1 T em pie V A K, H oiroyd F W. Op

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29、別寫為:短壽命區(qū)內(nèi)：t =D P (5x 2+5y 2 -T (A1 長壽命區(qū)內(nèi)：t =D P (5x 2+5y 2 (A2其中 P 1和P 2分別表示兩個(gè)區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子的濃 度； P 1, P 2分別表示非平衡少數(shù)載流子的濃度，并有如下的邊界條件：|x =0= P 2|x =0= P-a|= P 2|x =a 2 (A3x =0=D p xx =0(A4 對于(A1 , (A2兩個(gè)方程,利用分離變量法假設(shè):1(X , y , t =P 1(x P 1(y , t (A5(X , y , t =P 2(x P 2(y , t (A6并將其相應(yīng)地化為一維方程組求解，可得X方向少子的濃度分布：P

30、1(x =Bl-aBlB l +1(A7031半 導(dǎo) 體 學(xué)報(bào)第26卷第1期cos ( P2 ( X = - 2a Ila2 2 a l對于(y方向的少數(shù)載流子分布形態(tài) P1 (y , t和P2 ( y , t ,則由相同的一維連續(xù)性方程決定 ：5 P1 ( y , t 52 P1 ( y , t P1 ( y , tX = Dp 5t ( a 2 5其中1l = Dp是短壽命區(qū)內(nèi)少子的擴(kuò)散長度.和P是兩個(gè)待定常數(shù),它們之間的關(guān)系由如下兩 個(gè)方程決定：(A11 -2+ £2 = 1 a1 a2 a ( = p (A12 th tg 2 pi 2少數(shù)載流子在y方向上分布，由邊界條件(A

31、3和方程(A9 , (A10可知,無論在長壽命區(qū)還是在短 壽命區(qū),分布形態(tài)是相同的,有P1 ( y , t = P2 (y , t ,在此不作具體求解.需要指出的是,在此的x方向的少子濃度分布P1 ( x和 P2 ( x是對長、短壽命 區(qū)交界處少子濃度歸一化處理后的表達(dá)式 .2 平均壽命T 的計(jì)算MLD二極管在宏觀上對外所呈現(xiàn)的 平均壽命”定義為其內(nèi)部總載流子在單位時(shí)間內(nèi)的復(fù)合率.5 P2 ( y , t 52 P2 ( y , t P2 ( y , tX = 2 D飛蹊a 2 5y l 1等：MLD結(jié)構(gòu)快恢復(fù)二極管t rr2 T特性的理論分析131 x a2 ( A8因?yàn)闊o論在長壽命區(qū)”還是

32、在 短壽命區(qū)”少子濃，度在y方向上的分布形態(tài)是相同的，因而計(jì)算中可 以只考慮少子濃度在x方向的分布.假設(shè)在 短壽命區(qū)”內(nèi)的少數(shù)載流子 總量為Q1長壽命區(qū)”內(nèi)的T少數(shù)載流子總量為Q2 ,則可以定義 平均壽命”有:Q1 + Q2 ( A9 T = Q1 T其中13 Q1和Q2可以根據(jù)已求得的載流子濃度分布(A7 , (A8式通過在x方向上的積分來計(jì)算,并得2 T = aT到AI0A14這樣,只要假定給出了短、長壽命區(qū)寬度a1 , a2這三個(gè)參數(shù)值,就可和 短壽命區(qū)”內(nèi) 的少子壽命(A11 , ( A12兩式求解出a和P的值,從而具 以由T體計(jì)算出 平均壽 命”的值.另外在具體的計(jì)算中，少子的擴(kuò)散長

33、度l是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此必須確定 擴(kuò)散系數(shù)Dp和溫度、材料摻雜濃度之間的關(guān)系.擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間的關(guān)系可 以用愛因斯坦關(guān)系和遷 移率的如下經(jīng)驗(yàn)公式13 來計(jì)算：卩=5413 Tn 0157 + p 1+ (其中N是襯底材料總摻雜濃 度；Tn =料總摻雜濃度假定為115 >14cm - 3 . 100188 XT n 01146 ; T是絕對溫度.文中計(jì)算時(shí),襯底材2135 W17 407 Tn 2133 N X132半T214 Y n T ( A15 ; 丫 = 300導(dǎo)體學(xué)報(bào)第 26 卷 on the minority lateral distribution in the ntype base regi on of the MLD diode ,an explan atio n of the recover time temp erature ( t rr2T stability 2 2 latio n results verify the correct ness of the theory an alysis. Key words : recovery time ; temp erature s