Российская Академия Наук

Сибирское отделение

Институт физики полупроводников

Реферат

к сдаче кандидатского экзамена

по специальности 01.04.10

“Физика полупроводников”

на тему:

“ Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии.

Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии.”

Чернявский Е. В. Научный руководитель:

к.ф-м. н. Попов В.П.

Новосибирск - 1999

Содержание:

Введение

1. Обзор литературы

2. Определение времени жизни по стандарту ASTM F28-91

3. Механизмы рекомбинации

4. Выводы

Введение

Для биполярных приборов, работа которых связана с инжекцией неосновных носителей, особенно для приборов, работающих в области высоких напряжений, врямя жизни носителей чрезвычайно важно для таких параметров как: падение напряжения в открытом состоянии , динамические характеристики, поткри при выключении. Обычно компромисс между этими конкурирующими параметрами достигается путём облучения электронами, протонами или легированием примесями , дающими глубокие уровни в кремнии. Также время жизни является важным параметром для характеризации высокоомного кремния , его структурного совершенства. В связи с этим измерения времени жизни, возможность его регулирования представляет большой практический интерес.

1. Обзор литературы.

Для многих приборов, таких как высоковольтные тиристоры, необходим

большой температурный диапазон работы, в пределах 40 С - 125 С. Поэтому изменение времени жизни носителей в зависимости от температуры может оказать существенное влияние на характеристики прибора.

В программах моделирования полупроводниковых приборов

( одномерных [1], двумерных [2]) решаются стандартные уравнения диффузионно – дрейфового приближения [3]. Обычно применяется модель рекомбинации Шокли – Холла - Рида [4] для одного уровня в запрещённой зоне. Время жизни для электронов и дырок в этой модели описывается как

_р=1 /_pV_thN_t _n=1 /_nV_thN_t (1.1)

где:

N_t – концентрация рекомбинационных центров.

V_th = (3kT/m)^1/2 10⁷ см/сек – тепловая скорость носителей

_p , _n – сечение захвата электронов и дырок соответственно.

В пренебрежении зависимостью _p , _n от температуры это позволяет предположить, что _n,р меняется с температурой как Т^-1/2. Многочисленные исследования [5], [6], [7], показывают, что температурная зависимость _n,р существенно сильнее. Согласно [7] температурная зависимость времени жизни определяется как:

_р T^2.8 _n T^2.2 (1.2)

Кроме того, при моделировании приборов необходимо учитывать зависимость времени жизни от концентрации акцепторной и донорной примеси. Такая зависимость рассмотрена в [8]. Она определяется формулой :

_n,p(x) = _n,p / (1+( {N_a(x)+N_d(x)}/3*10¹⁵ )^1/2 ) (1.3)

В работе [9] проводилось 2-х мерное моделирование зависимости тока управляющего электрода в GTO (Gate Turn Off thyristor) от температуры. В этой работе использовалась модель подвижности Даркеля и Летурка [8], в которой учитываются эффекты рассеяния носителей заряда на носителях, возникающие при высоких уровнях инжекции. Также была модифицирована температурная зависимость подвижности носителей. Были добавлены учет диссипации энергии при протекании тока и учет энергии рекомбинации. Дополнительно к сокращению времени жизни в высоколегированных областях ( по Шарфеттеру) n-эмиттера использовался коэффициент 0,8 учитывающий эффекты геттерирования и коэффициент 0,3 в высоколегированных слоях р-эмиттера , учитывающий вжигание аллюминиевой металлизации на анодном контакте. Рассчитанный по этой модели ток сравнивался с экспериментом. Полученная таким образом зависимость времени жизни приведена на рис. 1.1

Рис. 1.1. Температурная зависимость времени жизни по [9]

В температурном диапазоне 25 С - 125 С наблюдается линейный рост времени жизни в зависимости от температуры.

В сязи с массовым выпуском IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO встает вопрос о быстром и надежно тестировании времени жизни носителей непосредственно на кристалле прибора. В работах [10] , [11], [12] рассматривается вопрос о использовании для этой цели p-i-n диодов. В работе [13] приводится пример тестовой структуры , изготавливаемой непосредственно на кристалле IGBT, применяемой для контроля времени жизни. Приведены вольт – амперная характеристика и значения падения напряжения на диоде в зависимости от времени жизни в n^— базе. Максимальная плотность тока в диоде 100 А/см². Тестируемые значения времени жизни от 4 до 100 сек. Определенные времена жизни по падению напряжения проверялись по методу восстановления обратно смещенного диода.

Однако площадь тестовых элементов, расположенных на скрайбовой дорожке кристалла может оказаться мала для уверенного определения времени жизни. В лаб. 10 ИФП СО РАН разработан метод, позволяющий определять время жизни на рабочих структурах МСТ после дополнительных технологических обработок [14]. Применяемый метод – восстановление обратно смещенного диода. В качестве катода использовался Р-карман над которым расположен контакт к затвору тиристора. В процессе измерений сравнивались кристаллы МСТ, изготовленные по одному технологическому маршруту на двух предприятиях – АО “Ангстрем” и АО “Восток”. Средние значения времени жизни составили – 40,3 мкс (АО “Ангстрем”) и 11,6 мкс (АО “Восток”). Из сравнения времен жизни видно, насколько важна технологическая чистота процессов, используемых при изготовлении высоковольтных приборов. Недостатком метода является то, что этот метод – разрушающий.

Так как время жизни жизни в высокомной базе определяет такую важную характеристику прибора как , как потери энергии во время выключения прибора, то в литературе уделяется большое внимание регулированию этого параметра. В качестве одного из методов применяется облучение протонами эмиттерной (анодной) стороны прибора [15]. Эта технология позволяет уменьшить потери при выключении прибора путем введения большого числа рекомбинационных центров и уменьшения времени жизни носителей в базовой области , примыкающей к аноду. В работе [16] в качестве примера рассматривался IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) c напряжением блокирования 4,5 кВ. Для облучения применялись протоны с дозами 510¹¹ см^-2 и 710¹¹ см^-2. Об энергиях протонов в статье не сообщается, но по глубине залегания радиационных дефектов можно сказать, что она не менее 2 МэВ. Падения напряжения в открытом состоянии составили не менее 4,7 и 5,4 В соответственно при плотности тока 100 А/см². Потери энергии при выключении составили 35 mДж/см² и 25 mДж/см². Однако при повышении дозы облучения на ВАХ появлется участок с отрицательным динамическим сопротивлением, что приводит к осцилляциям тока и ухудшению характеристик прибора. В статье [16] указано на необходимость точного подбора дозы облучения.

Регулирование времени жизни представляет интерес не только с точки зрения его уменьшение. Падение напряжения в низколегированой области зависит от величины времени жизни. В процессе технологических обработок пластины загрязняются примесями, многие из которых представляют из себя рекомбинационные центры. Поэтому встаёт вопрос о геттерировании таких примесей в процессе технологических обработок с целью повышения времени жизни носителей. Вопросы геттерирования подробно рассмотрены в [17] .

2. Определение времени жизни по стандарту ASTM F28-91

Cтандарт ASTM F28-91 определяет порядок и условия определения обьемного времени жизни носителей в германии и в кремнии. Эта стандарт основан на измерении спада импульсного тока вызванного импульсной засветкой образца.

Другие стандарты измерения времени жизни:

1) DIN 50440/1 “Измерение времени жизни в монокристаллах кремния на основе спада фототока”

2) IEEE Standart 255 “Измерение времени жизни неосновных носителей в кремнии и германии на основе спада фототока ”.

Стандарт ASTM F28-91 определяет три типа образцов, применяемых при измерениях. Типы образцов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Размеры образцов, применяемых при измерениях.

Таблица 2.2 Максимально допустимые обьемные времена жизни неосновных носителей для разных полупроводников и образцов , сек.

Таблица 2.3. Темп поверхностной рекомбинации для разных полупроводников и типов образцов, Rs , S^-1.

После засветки образца импульсом света напряжение на образце меняется по закону:

V=V₀exp(-t/_f) (2.1)

где:

V – напряжение на образце

V₀ - максимальная амплитуда напряжения на образце

t - время

_f - измеренное время экспоненциального спада.

В силу нескольких причин экспоненциальная форма сигнала (2.1) может быть искажена. Это может быть обусловлено как поверхностной рекомбинацией , скорость которой много выше обьемной, так и наличия глубоких уровней, на которых могут захватыватся носители. Устранение влияния поверхностной рекомбинации достигается 2 методами:

1. Использованием длины волны излучения, возбуждающего носители

больше 1 мкм (для этого применяются фильтры см. рис. 2.1.)

1. Использование образца соответствующих размеров (см. Таблицу 2.3)

Для устранения прилипания носителей используются два метода:

1. Нагревание образца до 70 С

2. Фоновая постоянная подсветка образца.

Однако при использовании температурного метода необходимо иметь в виду, что время жизни сильно зависит от температуры образца ( ~ 1% на градус).

Поэтому при сравнении времен жизни на нескольких образцах необходимо следить, чтобы температурные условия измерений были одинаковы.

Кроме того необходимо удостоверится, что в проводимости учавствуют носители, воникшие в результате возбуждения импульсом света. Для этого напряжение смещения Vdc, поданное на измеряемый образец должно удовлетворять требованию:

Vdc  (10⁶LcL)/(500_f) (2.2)