Электронно-лучевое модифицирование полупроводниковых материалов и приборов | 2017 ИФХЭ РАН

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРИБОРОВ

Одним из основных направлений деятельности ЗАО «ВЗПП-Микрон» является разработка мощных силовых приборов, таких как: ультабыстрые диоды, IGBT транзисторы, тиристоры. Одними из основных параметров всех силовых приборов являются динамические характеристики силовых приборов, которые определяют предельную частоту на которой могут работать данные приборы в конечных устройствах преобразования электроэнергии. Предельная частота, на которой могут работать мощные полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы и тиристоры – ограничивается, как правило, мощностью потерь, выделяемых в приборах при прохождении через них тока в

проводящем состоянии (статические потери) и при включении и выключении (динамические потери), причем потери при выключении, как правило, значительно больше потерь при включении. Уменьшение всех этих потерь является одной из ключевых проблем при разработке и усовершенствовании всех мощных полупроводниковых приборов. В любом мощном полупроводниковом приборе с p+Nn+-переходами имеется широкая слаболегированная N-область (база), обычно n-типа проводимости, заключенная между двумя сильнолегированными p+- и n+-областями дырочного и электронного типа проводимости, соответственно. При приложении внешнего напряжения (плюс на p+-слое) через p+Nn+-структуру протекает ток, сопровождающийся инжекцией в N-базу электронов и дырок и образованием в ней квазинейтральной электронно-дырочной плазмы с высокой проводимостью. При перемене полярности внешнего напряжения (минус на p+-слое) протекание обратного тока сопровождается выносом из плазмы электронов и дырок; когда концентрация плазмы у p+N-перехода уменьшается практически до нуля, переход смещается в запорном направлении, и около него формируется область объемного заряда (ООЗ), граница которой движется в сторону n+N-перехода. Сопротивление p+Nn+-перехода при этом быстро возрастает, а обратный ток уменьшается. В дальнейшем величина обратного тока определяется процессом диффузии дырок из плазмы, остающейся в нейтральной части N-базы, к границе ООЗ и спадает, в основном, по мере рекомбинации этой плазмы. Процесс рекомбинации определяется концентрацией и электрофизическими параметрами рекомбинационных центров в N-базе, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника, и описывается уравнением , где n – текущее значение концентрации носителей, n0 – начальное значение концентрации, t – время, τ – так называемое время жизни носителей, равное времени уменьшения исходной концентрации в e раз. Время жизни τ обратно пропорционально концентрации рекомбинационных центров. Таким образом, обратный ток при переключении диодной p+Nn+-структуры из прямого смещения на обратное сначала резко нарастает до тех пор, пока концентрация плазмы у p+N-перехода не

уменьшится до нуля, а затем более плавно спадает вплоть до очень малой величины, определяемой током утечки обратно смещенного p+N-перехода. Поскольку часть этого процесса протекает в условиях, когда к прибору приложено значительное напряжение и при этом протекает большой ток, т.е. выделяется большая тепловая энергия, именно этот процесс, в основном, определяет предельную рабочую частоту мощных полупроводниковых приборов. Величину и длительность протекания обратного тока можно уменьшить, уменьшив концентрацию плазмы в N-базе путем увеличения концентрации рекомбинационных центров, т.е. уменьшением τ. Однако понижение концентрации хорошо проводящей плазмы в N-базе приводит к возрастанию остаточного напряжения на p+Nn+-структуре при прохождении прямого тока, т.е. к росту потерь на этой стадии процесса. Поэтому при изготовлении мощных полупроводниковых приборов необходимо создавать строго определенную концентрацию рекомбинационных центров в N-базе приборов, обеспечивающую минимальные потери.

Silicon wafers

Рис. 1. Кремниевые полупроводниковые пластины с заготовками приборов после электронно-лучевой обработки

Для создания рекомбинационных центров на ЗАО «ВЗПП-Микрон» наряду с традиционными методами создания рекомбинационных центров таких как диффузия Au и Pt в последние годы широко используется метод создания рекомбинационных центров электронным облучением, что позволило создавать строго определенную концентрацию рекомбинационных центров в N-базе приборов и получать динамические параметры приборов в узком диапазоне значений. Этот метод применяется при производстве ультрабыстрых диодов как самостоятельный метод формирования рекомбинационных центров, так и вместе с диффузией Pt для получения значений времени обратного восстановления в узком диапазоне.

В таблице 2 приведены значения времени обратного восстановления до и после электронного облучения, при формировании центров рекомбинации только электронным облучением для 600В ультрабыстрых диодов.

В таблице 3 приведены значения времени обратного восстановления до и после электронного облучения, при формировании центров рекомбинации диффузией Pt и электронным облучением для 600В ультрабыстрых диодов.

В таблице 4 представлены значения параметра инверсного коэффициента усиления n-p-n транзистора βinv до и после проведения процесса электронно-лучевой обработки пластин изделий при дозе D=105 кГр.

Электронно-лучевое воздействия на полупроводниковую структуру интегральных схем применяют для улучшение динамических параметров приборов (времени включения, выключения и т.д.). Полученные по диффузионной технологии или с помощью ионной имплантации биполярные кремниевые полупроводниковые приборы обладают значительной инерционностью. Это снижает их быстродействие. В основе эффекта инерционности (низкого быстродействия) лежит физический процесс накопления и рассасывания заряда неравновесных носителей в базе структуры при прохождении электрического тока. После радиационной обработки резко понижаются такие параметры как коэффициенты усиления по току как прямой, так и инверсный, для восстановления требуется отжиг в течение определенного времени. При длительном отжиге структура возвращается в исходное состояние.

semiconductors

Рис. 2. Полупроводниковые приборы изготовленные из радиационно-модифицированных полупроводниковых пластин

Радиационные дефекты, образующиеся при радиационной обработке, влияют на электрические свойства кремния подобно центрам рекомбинации, что позволяет улучшить динамические параметры прибора. Однородное распределение концентрации рекомбинационных центров и, следовательно, времени жизни носителей τ вдоль оси прибора во многих случаях не является оптимальным, и при разработке современных силовых приборов в настоящее время используются методы радиационного облучения позволяющие получать профильное распределение центров рекомбинации. Это облучение протонами и облучение электронами с различной энергией в одном процессе. Перспективные направления разработок: создать инновационные полупроводниковые материалы и приборы на их основе с использованием новых методик электронно-лучевой обработки и специальных режимов отжига. Образующиеся при этом радиационные дефекты изменяют электрические свойства кремния подобно центрам рекомбинации, что позволяет улучшить динамические параметры полупроводниковых приборов.

 
 
shadow shadow
Яндекс.Метрика