二极管的局域寿命控制技术

  在最近几十年里，控制平行于pn结轴向方向上复合中心的空间分布成为一种非常具有吸引力的改善器件折衷性能的新技术。理论及实践均已经预示着能够找出一种最有利于折衷问题的载流子浓度分布，以PiN二极管为例，大量的研究和实验表明，在保持相同通态压降的条件下，向基区中阳极附近掺入浓度较高的局域缺陷，能够得到比经典寿命控制技术更短的关断时间、更小的反向过冲电流和更大的软度，这优化了器件的性能，即实现了更优的性能折衷，改变空间载流子浓度分布形状的有效方法之一是改变基区中少子寿命的空间分布形状，也就是说局域可控地引入复合中心。对于传统的寿命控制技术，深能级金属杂质具有很高的扩散系数，而电子辐照产生均匀分布的复合中心，均不能产生局域较窄的复合中心分布。如罘能够实现缺陷在轴向的分布可控，即局域寿命可控，就为器件性能折衷的优化提供了一个新的设计参数和更大的设计自由度，相对于传统的寿命控制技术在整个器件中大范围引入复合中心，这类新的寿命控制技术被称为局城寿命控制技术。
 
  轻离子照(一般是α粒子或质子)是目前唯一能够实现局域寿命可控的技术，在功率器件领域受到了广泛关注和深入研究。它可以在器件内部引入一个较窄区域的缺陷区，只是使该区域的少数载流子的寿命降低，来优化器件动态和静态参数的折衷。其原理同电子辐照是一样的，都是利用辐照感生缺陷作为复合中心来控制少数载流子的寿命，图1、2显示了由SRIM-98( the Stopping and Range of Ions in Matter)仿真得到的α粒子及质子注入到硅体内产生的初级空位缺陷的分布状况。

 
  但是轻离子的质量较电子大，离子注入的射程短，如果轻离子的射程小于器件轴向的尺寸，就会在轻离子的射程末端形成比其他位置高得多的缺陷密度，如图5、6所示，感生缺陷的空间分布由缺陷峰和缺陷拖尾两部分组成。缺陷峰的位置可以通过辐照的能量来控制。质子(即氢离子)和α粒子(即氮离子)这两种轻离子的射程可达几十至几百微米，与几十至几千伏功率器件的轴向尺寸属于同量级，符合设计的要求，例如:质子在1~5.5MeV的能量下或a粒子(即氢离子、质量大约是质子的4倍)，在4~22MeV的能量下注入硅体内的射程能够达到18~250µm，产生的缺陷峰值浓度在之间，而其它的离子的射程太短。辐照主要的感生缺陷是VO(-/0)(氧-空位对缺陷、Et=Ec-0.16eV)和V2(-/0)(双空位缺陷、Et=Ec-042eV)，前者影响大注入寿命τHL(见式1，该值是影响器件正向特性及关断特性的一个主要因素)，后者影响小注入时的载流子复合及耗尽区载流子的产生。研究发现处于施主状态的能级会改变半导体器件的动态电特性。
  上式中：cn、cp为电子、空穴俘获率
          NT复合中心的浓度
          Τn0、τp0为少数流子寿命
 
  尽管质子和a粒子感生缺陷的能级位置不佳，见图3，但由于它们是能够实现少数载流子寿命轴向可控的目前唯有的手段，所以国际上对局域寿命控制的研究也集中在这里。  
  低剂量a粒子辐照感生的点缺陷有双空位缺陷(V2)、氬-空位对缺陷(VO)(-/0)和碳-氧原子对缺陷(COV(-/0))。深能级能级位置见表1，图4、5给出了α粒子辐照器件DLTS测试的结果。    
  其中在复合中起主导作用的是氧-空位对和双空位，在图6中分别对应于少子俘获中心E1和E4。由于前者的能级位置是Ec0.16eV，后者的能级位置在Ec-0.42eV，靠近禁带中央，该能级决定了器件漏电流的大小，所以E4为高能He2+照在硅中产生的在主导能级。出于α粒子的质量较大，它产生的双空位缺陷多于质子辐照和电子辐照，而双空位是深能级缺陷，因此注氮器件的漏电流要大于注氢和电予辐照的器件，更会大于扩铂器件。高压功率器件往往轴向尺寸较大，要求注入的深度较深，利用目前的商用离子注入机进行α粒子辐照往往不能达到设计的射程要求，所以在现有情况下a粒子辐照还未广泛应用。但是，α粒子辐照的能量利用率高于质子辐照、射程末端的缺陷分布更集中，这有利于对载流子的寿命进行精确控制，对一些要求注入深度不深的器件很有效，见图1。
 
  低能量下的质子辐照会产生与a粒子辐照相似的缺陷，如氧-空位缺陷和双空位缺陷仍是主导复合缺陷，主要能级参数如表2所示，但不同于α粒子的是，质子感生的缺陷会相互作用产生与氢相关的缺陷( SHD-Shallow Hydrogen-related Donors)和浅热施主杂质( STD-Shallow Thermal Donors)，SHD对复合没有太大作用，可以忽略，但是STD在射程末端蜂处的含量最高，可以很大程度的改变原先的掺杂浓度分布，所以如果在耗尽区注入过多的质子感生缺陷会削弱器件的击穿特性，实验证明3MeV质子辐照可以得到一个比较理想的双空位和氧空位浓度之比。质子的质量小于a粒子，所以在相同能量下它的射程是a粒子注入的4倍。在现有商用离子注入机的能量下，可以注入几百微米深，能够达到高压功率器件的设计要求。  
  从上面的分析可以看出，质子、a粒子辐照在关断过程中起复合作用的主导能级都在导带下的0.42eV处，它的能级位置远不如扩铂形成的缺陷。因此轻离子辐照技术制成的器件的漏电流较大，限制了大剂量注入的应用，成为改善开关性能的障碍，严重的影响了其实用价值。


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