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1、电子辐照对功率半导体器件电学参数的影260 确功獬最 / ' 上海微电子技术和应用 1994年第 4 期 电子辐照对功率半导体器件电学参数的影响许志祥 上海整流器总厂 , 摘要本文详细地介绍了一些有关复合中心 ,少子寿命等的基本概念 ,然 后叙述电子辐照对各种功率半导体器件电参数的影响 . 众多的功率半寻体器件本质上是利用少子运动的器件 .器件的各电学 参数与其少子寿命有着密切的关系 .器件性能的好坏 ,在很大程度上依赖于对少子寿命的 合理控制 .而电子辐 照的一个突出优点就是能精确控制少子寿命从而达到精确控制各半寻体器件电参数的目的 ,真正起到了对半寻体器件 ”辐射加工 ”的作用 .
2、为便于理解辐射对各半 寻体器件电学参数的影响 ,本文主要介绍少子寿命 ,复合中心及其辐照与它们的关系 .5些基本的物理概念1. 少手寿命 , 本文所讨论的半寻体器件包括二极管,三极管及晶闸管等 .而由一个PN 结构成的二极管是其它半寻体器件的基础 .由其导出的少子寿命概念适用于其它半 导体器件.当 PN 结上加正向偏压时 , 在 N 区产生了一定数目的多余的非平衡少 子(空穴)AP .当正向偏压去掉后 ,这些非平衡的少子逐渐减少 .非平衡少子浓度 P 在 单位时间单位体积内的减小率满足下式 :K.AP(1)当APN区的多子(电子)浓度少得多时,K为常数.设t=O时,AP(t)=AP(O) 积分
3、(1)式得 lAP(t)=AP(0)exp( 一 kt)(2)少子寿命就是非平衡少子的平均生存时间,因此订 ,T= AP(t)/d 邙(3).把(2)式代入式得3下=1/K,则武可写成3AP 二AP(o)exp( 刁(4)由此可见 ,少子寿命是一种统计平均值 ,它表示非平衡少子浓度由初始值AP(0)减少到P(O)/e的时间.2. 复合中心虫虫27一实验发现 ,一块纯度和晶体完整性非常好的半导体硅 ,非平衡少子寿命 往往长达几毫秒甚至几百毫秒 .在这种情况下 ,非平衡载流子是靠导带电子直接跃迁到 价带,与价带中的空穴发生复合才逐渐复合的 ,这种复合叫直接复合 .发生直接复合的条件 是,复合前后的
4、电子和空穴要同时满足动量和能量守僵 ,对半导体硅来说 ,这一条件是很难 同时满足的 .所以发生直接复合几率极少 ,因此少子寿命很长 .同样一扶半寻体硅 ,经电子 辐照后 ,少子寿命明显缩短 .这是因为辐照会在半寻体硅中产生缺陷 ,电子和空穴通过这些 缺陷会加速复合 ,这种复合叫间接复合 ,这些能促进电子和空穴复合的缺陷叫复合中心.该缺陷会在禁带中形成深能级.为简单起见,只讨论 N 型硅中只有一种深能级的 ,情况,此时复 合中心的复合过程可用Shockley-Read-Ha11(SRH模莫型来分析t该复合中心只能处于一种 状态,即带负电状态或呈中性状态 .因此可发生四种过程 :A:处于中性状态的
5、复合中心从寻带俘获电子而带负电荷.B:电子从复合中心发射到寻带，复合中心呈中性状态.C:中性状态的复合中心从价带俘获电子而带负电.D:带负电的复合中心俘获空穴而呈中性状态.对 N 型硅中的空穴浓度远比电子小的所谓小注入情况,通过复杂计算可得少子寿命为 :百-"(5)式中 dP,UP 分别表示复合中心对空穴的俘获截面和空穴的热运动速度.(5)式表示,Nt个复合中心基本上填满了电子 ,一旦空穴出现在复合中心的俘获截面内就被复合掉 .这就是说,上述四个过程，占主要的只有A,D-个过程.对 N 型硅来说 ,缺陷要起复合中心作用 ,先决条件是它先要填满电子 . 填满电子的复合中心对空穴 (少子
6、)产生静电吸引作用 ,从而加强了对少子的俘获能力 . 一旦复合中心俘获个空穴便变成中性状态 .由于 N 型硅中电子浓度很大 ,中性状态的复合 中心又会填满电子,这种过程不断重复进行 ,致使 N 型硅中的少子很快复合掉 . 缺陷能否起复合中心作用 ,首先与缺陷能级位置有关 ,其次与环境温度 缺陷对少子和多子的俘获截面等有关 .当半寻体器件的杂浓度一定后 ,在一定温度下 费米能级位置一定,如果缺陷能级位置越靠近禁带中央 ,这表明缺陷能级越处在费米能 级下方 ,因此缺陷能级上占有电子几率就越多 .然而费米能级位置 El=2.3(KT)I()+Et, 式中 EI 为本征能级位置(对硅 EI=0.55e
7、v),ND 为多子浓度 ,Ni 为本征载流子浓度 .由于 Nt 随温度升高而迅速增大，使lg()J随温度升高而大大减小最终使(KT)与)的乘积减小. 所以随温度升高 ,费米能级位置逐渐趋近禁带中央 ,缺陷能级与费米能级之间的距离随着减小 ,缺陷能级上占有电子几率也随着减少 .另外俘获截面也随温度升高而下 降.所有这些因素使得随温度升高器件的少子寿命变长 .3. 少子寿命与辐照注量关系少子寿命与辐照注量 (单位面积所接收的电子数 )满足如下关系式 上 :K 击(6)t百O28一式中 T.,T 分别为辐照前后的少子寿命 ,西为注量 lK 为辐照损伤系数 , 它与电子能量 ,辐照温度 ,器件制造工艺
8、及缺陷性质等都有关 .如果辐照注量足够大 ,使 K 西p则+n'K4,这表示辐照后的少子寿命主要取决于辐照注量而与辐照前器件的 少子寿命无关 .所以只要精确控制辐照注量 ,就能精确控制与少子寿命有关的电学参数 . =,电子辐照对半导体器件电学参数的影响 电子辐照在半寻体硅中产生的缺陷会使少子寿命缩短多子浓度减少 , 而且缺陷对载流子要产生散射作用 ,从而使载流子的迁移率及电寻率减小 ,电子辐照对器 件电学性能的影响主要就是通过上述这些物理量的改变而引起的 '1.二极管(1) 反向恢复时间电子辐照会缩短少子寿命 ,由(4)式可见 ,的蒯,会明显加速少子的消失 速度,从而明显的缩短
9、二极管的反向恢复时间t.因此二极管经电子辐照后，工作频率可大大提高 .(2) 正向压降正向压降Vf-.式中A为结面积,w为基区宽度，1.为正向电流，由于基 区电寻率a与辐照注量西中满足关系:a=a.e-'其中a为常数,a.为初始电寻 率.经辐照a会下降.因此辐照会使正向压降略有增加 .(3) 反向漏电流反向漏电流I主要由空间电荷区的本征激发引起的:.式中,x为空间电荷区宽度,q为单位电荷量,Nt为本征载流子浓度，电子辐照使少子寿命 缩短,从而引起反 向漏电流增大 . '(4) 反向击穿电压 ,二极管的反向击穿电压的近似表达式为：VB5.3 X 10.(ND)首.通过辐照所产生的
10、复合中心浓度设为 N 由于复合中心基本上填满了多子，因此多子浓 度将由ND减少为(NDNI).与此相应,VB也略会增加有学者通过严密计算指出，电压增加只 能发生在约 lOs 时间内 ,如时间太长 ,则空间电荷区内被复合中心俘获的多子受强电 场的作用而逐渐被清除掉，复合中心也由带负电变为中性，因此载流子浓度仍恢复为 ND,反 向击穿电压 VB 也恢复原来值 .另外二极管经辐照后反向漏电流会增别为空穴和电子的扩 散长度.扩散长度 L 与扩散系数 D 的关系式为:K=x/DL,由于辐照使下降而使L减小，从而引起,r及B鬻减小，结果 使 0'减小 .当然共发射极电流放大系数 B 也减小. &#
11、39;(2) 正向饱和压降当三极管处在深饱和状态时，饱和压降VCES,-lmrs,式中Im是集电极 最大电流 ,r. 是集电极串联电阻 .辐照后由于多数载流子浓度 ND 减少,使 r 增加,因此VCES 会增加 .(3) 反向击穿电压三极管是由两个PN结构成的三端器件，因此其反向击穿电)-/BVCEO涂与单个 PN 结的 击穿电)J,BVCBO有关外，还与反映PN结相互作用强弱的电流放大 系数有关 :BVCEO=器.辐照后，三极管的电流放大倍数B及BVcB.都会减少,B下降使BVcEO 增加 ,而BVcBo下降使BVcEo下降.实验指出，一般来说BVcEo鄙略有增加.(4) 反向漏电流三极管的
12、反向漏电流 ICEO=(1+I)ICBO. 辐照后会使二极管的反向漏 电流 ICBO 增大,但由于放大倍数 B 下降,因此辐照后反向漏电流的变化不大 .(5) 上升时间 ,下降时间及贮存时间辐照后，由于三极管的,B下降，少子寿命缩短及集电区的串联电阻增 JH，最终使三极管的上升时间t.增加，下降时间t.ff贮存时问t.都缩短些.?(6) 势垒电容辐照后 ,多子浓度减少 ,发射结及集电结的空间电荷区宽度瞬时增大 . 因此发射结和集电结势垒电容瞬时下降 .3. 晶闸管所谓晶闸管 ,它是由硅单晶制成 ,包括三个或更多 PN 结,能从断态转入 通态,或由通态转入断态的双 -稳态半寻体器件的总称 .自从
13、 1957 年美国通用电气公司制造出第一只可控硅 以来 ,至今已派生出许多新型器件 ,这些器件 ,这些器件形成了一个大 家族晶闸管 .目前可控硅 （或称普通晶闸管 ）仅是晶闸管的一个组成部分 .（1）快速晶闸管A,关断时间晶闸管的关断时间 toll=ln（, 式中 IF,IH 分别为晶闸管的通态电流及维 持电流.辐照使少子寿命下降 ,IH 增加,所以辐照使关断时间明显缩短 ,从而 使晶闸管的工作 频率大大提高 .B ,正向压降结构一定的晶闸管 ,正向压降 Vl 与,/的倒数成正比 ,辐照后,由于下降 , 因此30?-一Vl 会增加 .C,反向转折电压反向转折电压（击穿电压）VB2VB（1 0【
14、.）彳，它与单个PN结的雪崩 击穿电压 VB及反映各PN结相互作用强弱的电流放大系数 0【t有关辐照使Ve及0【t都下降实验指出，辐照后一般使 VBR 略有增加 .】 =l, 反向漏电流反向漏电流l,=,lco-个PN结的反向漏电流，辐照使IcO及0【t都减小. 实验指出,辐照后一般 I ,略有增加 .E, 维持电流晶闸管的维持电流 I 是少子寿命的灵敏函数 ,辐照后使百下降 ,从而使 IH 明显增大 .F, 门极电流及门极电压辐照使电流放大系数 0【减少,因此辐照后晶闸管的门极电流及门极电 压都增大，(2) 双向晶闸管 双向晶闸管换向能力的限制是实际使用中的一个突出问题,为了提高器件的换向能
15、力 ,就要防止二个反并联晶闸管的载流子的扩散 .为此必须使双向晶闸管隔 离区中的少子寿命大大缩短.把一定厚度的重金属 ,例如钽 ,钨等按隔离区的形状开槽 ,辐照时 只有开槽的地方电子才能通过 ,其它地方电子被重金属阻挡住 .通过辐照可使隔离区的少 子寿命降低几个数量级,因而提高器件的换向能力 .也就提高了器件的等级合格率 .（3）可关断晶闸管可关断晶闸管国外是八十年初才有商品出售,国内尚处于批量试制阶段.与普通晶闸管不同 ,可关断晶闸管的门极加负脉冲可使导通的晶闸管关断,关断条件是关断增益B. <Ot:/（0【1+0【21），式中0【I及0【2是二个等效电流放大系数.为了 便于关断 ,
16、必须使可关断晶闸管处于临界寻通状态 .导通时晶闸管的饱和程度愈临界 ,其积累的载 流子愈少 ,愈有利关断辐照能精确控制可关断晶管的电流放大系数0'及0【，如果辐照后使（0【.+0【.）七便满足关断条件 .4. 特种器件对结型场效应器件 ,MOS 器件,集成电路等 ,常用电子辐照来改变器件 的各电学参数 .电子辐照可用于MOS器件,CMOS,CCD 电荷耦合器件，PIN硅光电 二极管的核辐射加固研究 .电子辐照在半导体器件中产生缺陷 ,这些缺陷可能有 助于消除器件的噪声,因此辐照可作噪声研究 .EffectsofeIectronirradiationOiIeIectricaIparameters ofpowersemiconductordevices xuzhixiang(ShanghaiGeneralRectifierPlant)AbstractThisarticieintroducesindetail?ThebasicthoryOnrecombinati.nceatreaadmia oritycerrierlife.Them,effectofelectronirradiationOnelectricalparametersofpoworsemicol ductordevicesaredecr.1bed.