電子輻照對(duì)功率半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)的影響

1、電子輻照對(duì)功率半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)的影響一0一260確功獬最/上海微電子技術(shù)和應(yīng)用1994年第4期電子輻照對(duì)功率半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)的影響許志祥上海整流器總廠,摘要本文詳細(xì)地介紹了一些有關(guān)復(fù)合中心,少子壽命等的基本概念,然后敘述電子輻照對(duì)各種功率半導(dǎo)體器件電參數(shù)的影響.眾多的功率半尋體器件本質(zhì)上是利用少子運(yùn)動(dòng)的器件.器件的各電學(xué)參數(shù)與其少子壽命有著密切的關(guān)系.器件性能的好壞,在很大程度上依賴于對(duì)少子壽命的合理控制.而電子輻照的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是能精確控制少子壽命從而達(dá)到精確控制各半尋體器件電參數(shù)的目的,真正起到了對(duì)半尋體器件”輻射加工”的作用.為便于理解輻射對(duì)各半尋體器件電學(xué)參數(shù)的影響,本文主要介紹

2、少子壽命,復(fù)合中心及其輻照與它們的關(guān)系.一,一些基本的物理概念1.少手壽命,本文所討論的半尋體器件包括二極管,三極管及晶閘管等.而由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的二極管是其它半尋體器件的基礎(chǔ).由其導(dǎo)出的少子壽命概念適用于其它半導(dǎo)體器件.當(dāng)PN結(jié)上加正向偏壓時(shí),在N區(qū)產(chǎn)生了一定數(shù)目的多余的非平衡少子(空穴)AP.當(dāng)正向偏壓去掉后,這些非平衡的少子逐漸減少.非平衡少子濃度P在單位時(shí)間單位體積內(nèi)的減小率滿足下式:=K.AP(1)當(dāng)PN區(qū)的多子(電子)濃度少得多時(shí),K為常數(shù).設(shè)t=O時(shí),AP(t)=AP(O)積分(1)式得lAP(t)=AP(0)exp(一kt)(2)少子壽命就是非平衡少子的平均生存時(shí)間,因此訂,T

3、=P(t)/dp(¨(3).把(2)式代入(3)式得3下=1/K,則(2)武可寫成3P=AP(o)exp(一÷)(4)由此可見,少子壽命是一種統(tǒng)計(jì)平均值,它表示非平衡少子濃度由初始值A(chǔ)P(0)減少到P(0)/e的時(shí)間.2.復(fù)合中心蠢27一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一塊純度和晶體完整性非常好的半導(dǎo)體硅,非平衡少子壽命往往長(zhǎng)達(dá)幾毫秒甚至幾百毫秒.在這種情況下,非平衡載流子是靠導(dǎo)帶電子直接躍遷到價(jià)帶,與價(jià)帶中的空穴發(fā)生復(fù)合才逐漸復(fù)合的,這種復(fù)合叫直接復(fù)合.發(fā)生直接復(fù)合的條件是,復(fù)合前后的電子和空穴要同時(shí)滿足動(dòng)量和能量守僵,對(duì)半導(dǎo)體硅來說,這一條件是很難同時(shí)滿足的.所以發(fā)生直接復(fù)合幾率極少,因此少

4、子壽命很長(zhǎng).同樣一扶半尋體硅,經(jīng)電子輻照后,少子壽命明顯縮短.這是因?yàn)檩椪諘?huì)在半尋體硅中產(chǎn)生缺陷,電子和空穴通過這些缺陷會(huì)加速復(fù)合,這種復(fù)合叫間接復(fù)合,這些能促進(jìn)電子和空穴復(fù)合的缺陷叫復(fù)合中心.該缺陷會(huì)在禁帶中形成深能級(jí).為簡(jiǎn)單起見,只討論N型硅中只有一種深能級(jí)的,情況,此時(shí)復(fù)合中心的復(fù)合過程可用Shockley-Read-Ha11(SRH)模型來分析t該復(fù)合中心只能處于一種狀態(tài),即帶負(fù)電狀態(tài)或呈中性狀態(tài).因此可發(fā)生四種過程:A:處于中性狀態(tài)的復(fù)合中心從尋帶俘獲電子而帶負(fù)電荷.B:電子從復(fù)合中心發(fā)射到尋帶,復(fù)合中心呈中性狀態(tài).C:中性狀態(tài)的復(fù)合中心從價(jià)帶俘獲電子而帶負(fù)電.D:帶負(fù)電的復(fù)合中心俘

5、獲空穴而呈中性狀態(tài).對(duì)N型硅中的空穴濃度遠(yuǎn)比電子小的所謂小注入情況,通過復(fù)雜計(jì)算可得少子壽命為:百-.(5)式中dP,UP分別表示復(fù)合中心對(duì)空穴的俘獲截面和空穴的熱運(yùn)動(dòng)速度.(5)式表示,Nt個(gè)復(fù)合中心基本上填滿了電子,一旦空穴出現(xiàn)在復(fù)合中心的俘獲截面內(nèi)就被復(fù)合掉.這就是說,上述四個(gè)過程,占主要的只有A,D-個(gè)過程.對(duì)N型硅來說,缺陷要起復(fù)合中心作用,先決條件是它先要填滿電子.填滿電子的復(fù)合中心對(duì)空穴(少子)產(chǎn)生靜電吸引作用,從而加強(qiáng)了對(duì)少子的俘獲能力.一旦復(fù)合中心俘獲一個(gè)空穴便變成中性狀態(tài).由于N型硅中電子濃度很大,中性狀態(tài)的復(fù)合中心又會(huì)填滿電子,這種過程不斷重復(fù)進(jìn)行,致使N型硅中的少子很快

6、復(fù)合掉.缺陷能否起復(fù)合中心作用,首先與缺陷能級(jí)位置有關(guān),其次與環(huán)境溫度,缺陷對(duì)少子和多子的俘獲截面等有關(guān).當(dāng)半尋體器件的雜濃度一定后,在一定溫度下,費(fèi)米能級(jí)位置一定,如果缺陷能級(jí)位置越靠近禁帶中央,這表明缺陷能級(jí)越處在費(fèi)米能級(jí)下方,因此缺陷能級(jí)上占有電子幾率就越多.然而費(fèi)米能級(jí)位置El=2.3(KT)I()+Et,式中EI為本征能級(jí)位置(對(duì)硅EI=0.55ev),ND為多子濃度,Ni為本征載流子濃度.由于Nt隨溫度升高而迅速增大,使lg().)隨溫度升高而大大減小.最終使(KT)與)的乘積減小.所以隨溫度升高,費(fèi)米能級(jí)位置逐漸趨近禁帶中央,缺陷能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之間的距離隨著減小,缺陷能級(jí)上占有電

7、子幾率也隨著減少.另外俘獲截面也隨溫度升高而下降.所有這些因素使得隨溫度升高器件的少子壽命變長(zhǎng).3.少子壽命與輻照注量關(guān)系少子壽命與輻照注量(單位面積所接收的電子數(shù))滿足如下關(guān)系式一上:K擊(6)t百O一28一式中T.,T分別為輻照前后的少子壽命,西為注量lK為輻照損傷系數(shù),它與電子能量,輻照溫度,器件制造工藝及缺陷性質(zhì)等都有關(guān).如果輻照注量足夠大,使K西÷,則÷nK4,這表示輻照后的少子壽命主要取決于輻照注量而與輻照前器件的少子壽命無關(guān).所以只要精確控制輻照注量,就能精確控制與少子壽命有關(guān)的電學(xué)參數(shù).=,電子輻照對(duì)半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)的影響電子輻照在半尋體硅中產(chǎn)生的缺陷會(huì)使

8、少子壽命縮短多子濃度減少,而且缺陷對(duì)載流子要產(chǎn)生散射作用,從而使載流子的遷移率及電尋率減小,電子輻照對(duì)器件電學(xué)性能的影響主要就是通過上述這些物理量的改變而引起的1.二極管(1)反向恢復(fù)時(shí)間電子輻照會(huì)縮短少子壽命,由(4)式可見,的蒯,會(huì)明顯加速少子的消失速度,從而明顯的縮短二極管的反向恢復(fù)時(shí)間t.因此.二極管經(jīng)電子輻照后,工作頻率可大大提高.(2)正向壓降正向壓降Vf-.式中A為結(jié)面積,w為基區(qū)寬度,I.為正向電流,由于基區(qū)電尋率a與輻照注量西中滿足關(guān)系:a=a.e-,其中a為常數(shù),a.為初始電尋率.經(jīng)輻照a會(huì)下降.因此輻照會(huì)使正向壓降略有增加.(3)反向漏電流反向漏電流I主要由空間電荷區(qū)的本

9、征激發(fā)引起的.I:.式中,x為空間電荷區(qū)寬度,q為單位電荷量,Nt為本征載流子濃度,電子輻照使少子壽命縮短,從而引起反向漏電流增大.(4)反向擊穿電壓,二極管的反向擊穿電壓的近似表達(dá)式為:VB5.3×10.(ND)一首.通過輻照所產(chǎn)生的復(fù)合中心濃度設(shè)為N.,由于復(fù)合中心基本上填滿了多子,因此多子濃度將由ND減少為(NDNI).與此相應(yīng),VB也略會(huì)增加.有學(xué)者通過嚴(yán)密計(jì)算指出,電壓增加只能發(fā)生在約lOs時(shí)間內(nèi),如時(shí)間太長(zhǎng),則空間電荷區(qū)內(nèi)被復(fù)合中心俘獲的多子受強(qiáng)電場(chǎng)的作用而逐漸被清除掉,復(fù)合中心也由帶負(fù)電變?yōu)橹行?因此載流子濃度仍恢復(fù)為ND,反向擊穿電壓VB也恢復(fù)原來值.另外二極管經(jīng)輻照

10、后反向漏電流會(huì)增別為空穴和電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度.擴(kuò)散長(zhǎng)度L與擴(kuò)散系數(shù)D的關(guān)系式為:K=x/DL,由于輻照使下降而使L減小,從而引起,r及B鬻減小,結(jié)果使0減小.當(dāng)然共發(fā)射極電流放大系數(shù)B也減小.(2)正向飽和壓降當(dāng)三極管處在深飽和狀態(tài)時(shí),飽和壓降VCES,-Imrs,式中Im是集電極最大電流,r.是集電極串聯(lián)電阻.輻照后由于多數(shù)載流子濃度ND減少,使r增加,因此VCES會(huì)增加.(3)反向擊穿電壓三極管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的三端器件,因此其反向擊穿電)-/BVCEO涂與單個(gè)PN結(jié)的擊穿電)J,BVCBO有關(guān)外,還與反映PN結(jié)相互作用強(qiáng)弱的電流放大系數(shù)有關(guān):BVCEO=器.輻照后,三極管的電流放大倍數(shù)B及

11、BVcB.都會(huì)減少,B下降使BVcEO增加,而BVcBo下降使BVcEo下降.實(shí)驗(yàn)指出,一般來說BVcEo鄙略有增加.(4)反向漏電流三極管的反向漏電流ICEO=(1+I)ICBO.輻照后會(huì)使二極管的反向漏電流ICBO增大,但由于放大倍數(shù)B下降,因此輻照后反向漏電流的變化不大.(5)上升時(shí)間,下降時(shí)間及貯存時(shí)間輻照后,由于三極管的,B下降,少子壽命縮短及集電區(qū)的串聯(lián)電阻增J,最終使三極管的上升時(shí)間t.增加,下降時(shí)間t.ff貯存時(shí)問t.都縮短些.?(6)勢(shì)壘電容輻照后,多子濃度減少,發(fā)射結(jié)及集電結(jié)的空間電荷區(qū)寬度瞬時(shí)增大.因此發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容瞬時(shí)下降.3.晶閘管所謂晶閘管,它是由硅單晶制成

12、,包括三個(gè)或更多PN結(jié),能從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài),或由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)的雙-穩(wěn)態(tài)半尋體器件的總稱.自從1957年美國通用電氣公司制造出第一只可控硅以來,至今已派生出許多新型器件,這些器件,這些器件形成了一個(gè)大家族晶閘管.目前可控硅(或稱普通晶閘管)僅是晶閘管的一個(gè)組成部分.(1)快速晶閘管A,關(guān)斷時(shí)間晶閘管的關(guān)斷時(shí)間toll=ln(,式中IF,IH分別為晶閘管的通態(tài)電流及維持電流.輻照使少子壽命下降,IH增加,所以輻照使關(guān)斷時(shí)間明顯縮短,從而使晶閘管的工作頻率大大提高.B,正向壓降結(jié)構(gòu)一定的晶閘管,正向壓降Vl與,/的倒數(shù)成正比,輻照后,由于下降,因此-一30?-一Vl會(huì)增加.C,反向轉(zhuǎn)折電壓反向轉(zhuǎn)折電壓

13、(擊穿電壓)VBRVB(10【.)彳,它與單個(gè)PN結(jié)的雪崩擊穿電壓VB及反映各PN結(jié)相互作用強(qiáng)弱的電流放大系數(shù)0【t有關(guān).輻照使Ve及0【t都下降.實(shí)驗(yàn)指出,輻照后一般使VBR略有增加.】=l,反向漏電流反向漏電流I,=,Ico-個(gè)PN結(jié)的反向漏電流,輻照使Ic0及0【t都減小.實(shí)驗(yàn)指出,輻照后一般I,略有增加.E,維持電流晶閘管的維持電流I是少子壽命的靈敏函數(shù),輻照后使百下降,從而使IH明顯增大.F,門極電流及門極電壓輻照使電流放大系數(shù)0【減少,因此輻照后晶閘管的門極電流及門極電壓都增大,(2)雙向晶閘管雙向晶閘管換向能力的限制是實(shí)際使用中的一個(gè)突出問題,為了提高器件的換向能力,就要防止二個(gè)

14、反并聯(lián)晶閘管的載流子的擴(kuò)散.為此必須使雙向晶閘管隔離區(qū)中的少子壽命大大縮短.把一定厚度的重金屬,例如鉭,鎢等按隔離區(qū)的形狀開槽,輻照時(shí)只有開槽的地方電子才能通過,其它地方電子被重金屬阻擋住.通過輻照可使隔離區(qū)的少子壽命降低幾個(gè)數(shù)量級(jí),因而提高器件的換向能力.也就提高了器件的等級(jí)合格率.(3)可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管國外是八十年初才有商品出售,國內(nèi)尚處于批量試制階段.與普通晶閘管不同,可關(guān)斷晶閘管的門極加負(fù)脈沖可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,關(guān)斷條件是關(guān)斷增益B.Ot:/(0【l+0【21),式中0【l及0【2是二個(gè)等效電流放大系數(shù).為了便于關(guān)斷,必須使可關(guān)斷晶閘管處于臨界尋通狀態(tài).導(dǎo)通時(shí)晶閘管的飽和程度愈臨界,其積累的載流子愈少,愈有利關(guān)斷.輻照能精確控制可關(guān)斷晶管的電流放大系數(shù)0t及0【,如果輻照后使(0【.+0【.)÷1,便滿足關(guān)斷條件.4.特種器件對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)器件,MOS器件,集成電路等,常用電子輻照來改變器件的各電學(xué)參數(shù).電子輻照可用于MOS器件,CMOS,CCD一電荷耦合器件,PIN硅光電二極管的核輻射加固研究.電子輻照在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生缺陷,這些缺陷可能有助于消除器件的噪聲,因此輻照可作噪聲研究.EffectsofelectronirradiationOilelectricalparametersofpowersemiconductord