李金磊，劉靜楠，張景文，劉鑫，馬爍塵，侯洵

（1 西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省信息光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電子物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

（2 西安交通大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心，西安 710049）

0 引言

超快高功率脈沖技術(shù)（Ultra-fast High-power Pulse Technology，UHPT）是將電磁能量在納秒甚至亞納秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換或釋放給特定負(fù)載以形成超高功率脈沖的技術(shù)。當(dāng)輸入能量一定時(shí)，輸出時(shí)間壓縮的越短，所獲的脈沖功率越高。它在生物醫(yī)療、食品處理、空氣凈化、材料改性、高功率微波、超寬頻譜等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用。

漂移階躍恢復(fù)二極管（Drift Step Recovery Diode，DSRD）是最近發(fā)展起來(lái)的一種基于半導(dǎo)體離化波理論［1］的新型高功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。這種器件具有功率容量大（108～1 010 W）、開關(guān)速度快（亞納秒級(jí)）、功率密度大、轉(zhuǎn)換效率高、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)［2］，在相關(guān)器件中性能居于領(lǐng)先地位。而基于DSRD 開關(guān)研制的脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生的脈沖波形可達(dá)到皮秒級(jí)，脈沖前沿可降至幾百皮秒［3］，脈沖輸出重復(fù)頻率可提高至幾兆赫茲，同時(shí)兼具輸出功率高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［4］。漂移階躍恢復(fù)二極管作為新型半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)用于超快高功率脈沖源技術(shù)中，能夠加快其在新裝備武器、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展。以往基于DSRD 的研究大多通過(guò)犧牲重頻和開關(guān)速度來(lái)提高功率，但是這已經(jīng)無(wú)法滿足超快脈沖系統(tǒng)大功率、超高頻的要求，因此必須尋求新的DSRD 器件結(jié)構(gòu)和材料。SiC DSRD 的研究能夠打破傳統(tǒng)Si 基半導(dǎo)體器件的物理極限，有利于進(jìn)一步提高全固態(tài)超高功率脈沖源在高溫、高頻、大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

碳化硅材料具有比硅材料更大的禁帶寬度和臨界擊穿電場(chǎng)、更高的飽和載流子速度和熱導(dǎo)率，使得碳化硅DSRD 器件的性能大大優(yōu)于硅DSRD。SiC DSRD 的研究能夠打破傳統(tǒng)Si 基半導(dǎo)體器件的物理極限，有利于進(jìn)一步提高全固態(tài)超高功率脈沖源在高溫、高頻、大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

1983年，俄羅斯GREKHOV I V 等根據(jù)離化波理論率先提出并成功研制Si DSRD 器件［5］。1993年，研究人員在Si 半導(dǎo)體二極管中發(fā)現(xiàn)超高電流密度的納秒截?cái)喱F(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上制造大量半導(dǎo)體斷路開關(guān)（Semiconductor Opening Switch，SOS），如階躍恢復(fù)二極管（Step Recovery Diode，SRD）、漂移階躍恢復(fù)二極管（Drift Step Recovery Diode，DSRD）、快速離化二極管（Fast Ionization Device，F(xiàn)ID）、硅雪崩形成電路（Silicon Avalanche Shaper，SAS）等［6］。1997年，VAINSHTEIN S 等［7］通過(guò)小電阻負(fù)載實(shí)現(xiàn)亞納秒100 A 的大電流脈沖，并探究dI/dt的影響因素。同年，EFANOV A F［8］等利用Si DSRD 堆疊的方式實(shí)現(xiàn)上升時(shí)間為0.8 ns、重頻為1 kHz、功率為64 MW（80 kV、0.8 kA）的脈沖。2002年，KOZLOV V A 團(tuán)隊(duì)［6］成功研制出三種新型Si DSRD，其中DSRD 最大的功率密度為1 MW/cm2。2013年，LYUBLINSKY A G 等［9］基于Si DSRD 產(chǎn)生輸出功率大于4.5 MW、重頻3.5 kHz、上升時(shí)間小于4 ns 的脈沖，用此放電來(lái)產(chǎn)生臭氧凈化空氣。2016年，KESAR A S 等［10］研究基于外延Si DSRD 的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)獲得約1.3 kA/cm2的高電流密度（32 片），最短上升時(shí)間為0.65 ns（5 片）和最高的峰值電壓6.09 kV（上升時(shí)間2.2 ns）。研究發(fā)現(xiàn)DSRD 的反向電流不能過(guò)大或過(guò)小，且單片DSRD 的尺寸和堆疊個(gè)數(shù)對(duì)其所能承受的最大電壓和脈沖上升時(shí)間有影響，可以通過(guò)減小前期正向泵浦電流的時(shí)間，使脈沖上升時(shí)間縮短。同年，SHARABANI Y 等［11］在Si基亞納秒級(jí)高壓開關(guān)二極管中驗(yàn)證了快電流阻斷機(jī)制。研究表明反向恢復(fù)電流密度增加時(shí)，相應(yīng)的二極管面積可減小，靜態(tài)關(guān)斷電容和脈沖上升時(shí)間下降，但是預(yù)脈沖的電壓值增加（可以通過(guò)增加基區(qū)的摻雜濃度來(lái)抑制此現(xiàn)象）；并且實(shí)現(xiàn)了單片Si DSRD耐壓230 V，上升時(shí)間0.3 ns，反向電流密度為1 250 A/cm2，功率密度為2.9×105W/cm2。2016年，IVANOV B V 團(tuán)隊(duì)［12］就4H-SiC 基DSRD 的電荷損失過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在高摻雜情況下，雜質(zhì)的不完全電離對(duì)SiC DSDR 性能的影響最大，它使電荷損失增加并且減緩了壓降變化率。同年，該團(tuán)隊(duì)研制出高壓亞納秒SiC DSRD 器件［13］，基于此器件的脈沖電路在負(fù)載端可輸出重頻500 kHz、峰值電壓為1 810 V 的穩(wěn)定脈沖（連續(xù)模式）；在間斷模式下，電路最高可在10 MHz 的重頻模式下工作，且DSRD 正向泵浦時(shí)間較短的脈沖電路穩(wěn)定性更好。2017年，IVANOV B 等［14］設(shè)計(jì)了一種低壓4H-SiC DSRD，得到了峰值電壓60 V、上升時(shí)間20 ps 的脈沖，脈沖峰值功率密度為0.6 MW/cm2。研究發(fā)現(xiàn)p+區(qū)的摻雜濃度和厚度對(duì)低壓DSRD 性能的影響很大。2018年SMIRNOV A A 和SHEVCHENKO S A［15］對(duì)開關(guān)過(guò)程中正向泵浦持續(xù)時(shí)間與SiC DSRD 性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明過(guò)長(zhǎng)的正向注入時(shí)間將加快注入電荷的損失，最終導(dǎo)致開關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于DSRD 的研究起步較晚，主要集中在Si 基DSRD 器件結(jié)構(gòu)、工藝及脈沖源電路設(shè)計(jì)上，而關(guān)于SiC 基DSRD 的研究寥寥。2007年，肖建平［16］模擬基于Si DSRD 脈沖發(fā)生器的典型電路并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。2009年，張玲等［17］詳細(xì)分析了Si DSRD 的快恢復(fù)物理特性和高壓窄脈沖產(chǎn)生原理，成功研制出脈沖幅值為1 kV、半脈寬小于10 ns、重頻大于10 kHz 的脈沖源和外觸發(fā)電路。同年劉忠山等［18］對(duì)p+-p-n-n+結(jié)構(gòu)的Si DSRD 各部分摻雜濃度和厚度進(jìn)行研究，利用熱擴(kuò)散形成淺的p+和深的p 結(jié)，短的n區(qū)和深的n+區(qū)的結(jié)構(gòu)。2010年，梁勤金團(tuán)隊(duì)［19］提出全固態(tài)高頻高壓納秒級(jí)脈沖源實(shí)現(xiàn)方法，該方法可實(shí)現(xiàn)輸出功率100 kW、重頻300 kHz、抖動(dòng)低于50 ps，比傳統(tǒng)Marx 電路設(shè)計(jì)法具有更高的輸出功率和工作頻率。2013年，周斌等［20］設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了基于Si DSRD 的新型功率脈沖電路。2017年，王亞杰等［21］研制出基于Si DSRD 的亞納秒級(jí)脈沖功率源，輸出脈沖可實(shí)現(xiàn)2 kV 輸出高壓，脈沖前沿680 ps，200 kHz 下穩(wěn)定工作。2017年，梁琳和王子越［22］利用外延技術(shù)，通過(guò)控制外延時(shí)H2的含量來(lái)提高Si 外延層的質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)熱擴(kuò)散造成的摻雜不均的問(wèn)題，提高了開關(guān)的使用壽命和速度。2018年8月，陳萬(wàn)軍等［23］提出將DSRD 原有的均勻摻雜基區(qū)改造成超結(jié)結(jié)構(gòu)，從而提高基區(qū)載流子在反向泵浦階段的抽取速度，提高DSRD 的耐壓能力。 同年，該團(tuán)隊(duì)［24］將SiC DSRD 均勻摻雜的n 型基區(qū)改造為階梯式n 型摻雜基區(qū)，從而提高少子在漂移區(qū)的抽取速率，使其更快地被加速到飽和速度，降低了脈沖前沿所需時(shí)間。

俄羅斯、德國(guó)、日本等關(guān)于DSRD 器件的研究領(lǐng)先世界，其研制出的SiC DSRD 器件電壓上升速率可達(dá)到2～3 V/ps，較Si DSRD 上升速度（0.8～1 V/ps）提高了不少，但仍未達(dá)到其理論估值。而國(guó)內(nèi)基于Si DSRD 器件可實(shí)現(xiàn)幾十kV 的高壓脈沖，但是以SiC 為主體的DSRD 器件研究不多，這對(duì)國(guó)內(nèi)超快脈沖的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用極為不利。因此，需要加快SiC DSRD 器件的研發(fā)和應(yīng)用，本課題正是以SiC 材料為基探究DSRD 器件的特性。

本文主要研究SiC 基漂移階躍恢復(fù)二極管的器件特性及其關(guān)鍵制備工藝。利用TCAD 技術(shù)對(duì)SiC DSRD 器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的SiC DSRD 器件靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的分析，篩選出符合技術(shù)指標(biāo)的器件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其導(dǎo)通、擊穿特性進(jìn)行深入研究。根據(jù)SiC DSRD 器件的工作原理等效其器件模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)其工作電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以在負(fù)載端獲得符合要求的輸出脈沖。

1 高壓SiC DSRD 設(shè)計(jì)

DSRD 器件基于復(fù)雜的pn 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證其發(fā)揮高壓半導(dǎo)體開關(guān)性能［16］，不同器件結(jié)構(gòu)參數(shù)都將嚴(yán)重影響開關(guān)的工作性能。利用該軟件設(shè)計(jì)一種單片耐壓超1 800 V、開關(guān)時(shí)間約500 ps 的高壓SiC DSRD。

1.1 基區(qū)對(duì)器件擊穿特性的影響

高壓SiC DSRD 器件（如圖1（a））以p+-p-n+結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)基區(qū)摻雜濃度（圖1（b））、基區(qū)厚度（圖1（c））和柱形器件尺寸（圖1（d））三種影響SiC DSRD 器件擊穿特性的因素進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，當(dāng)基區(qū)摻雜濃度從1×1016cm-3降低至1×1015cm-3時(shí)，高壓SiC DSRD 的擊穿電壓將翻倍增加；高壓Si DSRD 擊穿電壓隨基區(qū)厚度的增長(zhǎng)幅度不大。對(duì)于高壓SiC DSRD 而言，主要考慮基區(qū)摻雜濃度作為擊穿電壓主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.2 基區(qū)對(duì)器件動(dòng)態(tài)特性的影響

圖2 為基區(qū)濃度（圖2（a））和基區(qū)厚度（圖2（b））對(duì)高壓SiC DSRD 動(dòng)態(tài)性能的影響。隨著SiC DSRD 基區(qū)摻雜濃度的增加，負(fù)載輸出脈沖的峰值不斷降低，脈寬不斷增加且波形逐漸惡化，脈沖前沿的上升時(shí)間在5×1015cm-3時(shí)達(dá)到最小值。隨著SiC DSRD 基區(qū)厚度的增加，輸出脈沖的峰值呈上升趨勢(shì)，整個(gè)脈沖不斷變窄，脈沖前沿的上升時(shí)間幾乎沒有明顯差別，但隨著基區(qū)厚度的增加，脈沖前沿的“基臺(tái)”也有延長(zhǎng)的趨勢(shì)?！盎_(tái)”的增加將使器件整體消耗的功率增加。

因此，為了使擊穿電壓超過(guò)1 800 V，選擇基區(qū)濃度為5×1015cm-3、基區(qū)厚度為18 μm、柱形器件的半徑為560 μm 作為高壓SiC DSRD 的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)（如圖3）。

1.3 高壓SiC DSRD 器件仿真擊穿測(cè)試

利用外接電阻法對(duì)高壓SiC DSRD 器件的反向擊穿特性進(jìn)行分析（如圖4。當(dāng)高壓SiC DSRD 的漏電流大于1 μA 時(shí)，其擊穿電壓約為1 910 V，此時(shí)器件內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)在pn 結(jié)處達(dá)到最大（約2 MV/cm），與其理論臨界場(chǎng)強(qiáng)相近。此器件結(jié)構(gòu)可以作為亞納秒高壓脈沖功率源的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，達(dá)到現(xiàn)有近2 kV 高壓脈沖的擊穿特性要求［20］。

2 DSRD 脈沖電路優(yōu)化

2.1 器件等效模型搭建

實(shí)驗(yàn)利用Pspice 進(jìn)行電路仿真，采用2 個(gè)串聯(lián)的1N4007 二極管與寄生電容CS 并聯(lián)，其整體再與寄生電感LS 和熱阻RS 串聯(lián)的方式等效高壓DSRD，其等效模型如圖5。

利用圖5 所示的等效模型對(duì)高壓SiC DSRD 的工作電路［2］進(jìn)行仿真。仿真實(shí)驗(yàn)采用DSRD 脈沖源電路，如圖6，其中V1、V2為直流電壓源，V3為脈沖電壓源，利用MOS 管102N21A 作為DSRD 正向泵浦電路的初級(jí)壓縮開關(guān)，其開關(guān)速度可以達(dá)到ns 量級(jí)。

2.2 器件脈沖電路參數(shù)對(duì)負(fù)載脈沖的影響

為了負(fù)載端能夠輸出所期望的脈沖，需要對(duì)影響該脈沖源電路工作性能的元件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。MOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V3對(duì)于負(fù)載輸出脈沖有很大的影響，應(yīng)該對(duì)MOS 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開啟時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。

在工分的稀釋化中，隊(duì)干的補(bǔ)貼工也起到了重要作用。所以有學(xué)者[注]李嶼洪：《人民公社時(shí)期農(nóng)村的“特殊”工分——以河北省侯家營(yíng)村為個(gè)案》，《中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)》2013年第1期。 認(rèn)為，正是各級(jí)干部的補(bǔ)貼工過(guò)高，致使工分值被拉低，嚴(yán)重影響了社員的積極性，從而導(dǎo)致集體勞動(dòng)效率的低下。

圖7 為不同MOS 管開啟時(shí)長(zhǎng)對(duì)負(fù)載端輸出脈沖電壓峰值和上升時(shí)間的影響。隨著MOS 管開啟時(shí)長(zhǎng)的增加，負(fù)載端輸出脈沖的峰值電壓不斷增加直至平穩(wěn)，其原因可能是50 ns 的開啟時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)使電感L2的儲(chǔ)能達(dá)到最大值。隨著MOS 管開啟時(shí)長(zhǎng)的增加，輸出脈沖的上升時(shí)間呈先降后升的趨勢(shì)，在35 ns 處達(dá)到最小。綜上，MOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)開啟時(shí)長(zhǎng)應(yīng)在30～40 ns 范圍，輸出脈沖同時(shí)具有高的峰值電壓和快的開關(guān)速度。

限壓電容C1可以在MOS 管快速關(guān)斷后產(chǎn)生過(guò)沖電壓時(shí)對(duì)MOS 管起到保護(hù)作用，因此要對(duì)C1的電容值進(jìn)行探究。

圖8 為電容C1的容值對(duì)MOS 管和負(fù)載端輸出脈沖的影響，隨著C1電容值的增加，MOS 管兩端的峰值電壓不斷下降，而且當(dāng)C1取值為0.1 nF 時(shí)，負(fù)載端的輸出脈沖獲得最短的上升時(shí)間（＜500 ps），脈沖峰值電壓為1 960 V。隨著C1電容值的增大，負(fù)載端的脈沖峰值卻逐漸減小，這是因?yàn)榕cMOS 管并聯(lián)的C1過(guò)大，引起MOS 管處的總電容增大，增加了正向泵浦回路的時(shí)間常數(shù)，DSRD 將提前關(guān)斷，從而使脈沖峰值降低。

圖9 是直流電壓源V1對(duì)負(fù)載端輸出脈沖的影響，其中直流電壓源V2為60 V 保持不變。隨著V1、V2電壓差的增大，輸出脈沖的峰值由大變小，當(dāng)V1為105 V 時(shí)可以同時(shí)保證輸出脈沖峰值和脈沖上升時(shí)間達(dá)到需求。

通過(guò)對(duì)影響DSRD 新型脈沖源電路輸出特性的元件參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)SiC DSRD 器件的工作原理等效其器件模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)其工作電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以在負(fù)載端獲得符合要求的輸出脈沖。輸出脈沖峰值功率為8.8 kW、開關(guān)時(shí)間500 ps 的高壓（2.2 kV）脈沖（如圖10），在開關(guān)時(shí)間性能方面有了很大提升。

3 結(jié)論

本文圍繞SiC 漂移階躍恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作電路設(shè)計(jì)，建立了相應(yīng)的物理模型，仿真設(shè)計(jì)了單片耐壓超1 800 V、開關(guān)時(shí)間約500 ps 的高壓SiC DSRD。SiC DSRD 的基本結(jié)構(gòu)為p+-p-n+，其基區(qū)濃度為5×1015cm-3、基區(qū)厚度為18 μm。通過(guò)外接電阻法仿真可知高壓SiC DSRD 器件的擊穿電壓約為1 910 V。根據(jù)SiC DSRD 工作原理，考慮外接電路及熱損耗，利用已有元件等效高壓DSRD 器件并對(duì)其工作電路進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。在初級(jí)開關(guān)驅(qū)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)30～40 ns、V1為105 V、V2為60 V、限壓電容C1為0.1 nF 的條件下，負(fù)載端輸出脈沖可實(shí)現(xiàn)峰值功率8.8 kW、開關(guān)時(shí)間約500 ps 的高壓（2.2 kV）脈沖。