（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic+pin二极管少子寿命的研究.pdf

摘要 摘要 s i c 材料的优越性能与p i n 结构的结合是现今开关二极管发展的研究热点。少 子寿命是p i n 二极管的重要参数，对二极管的正向导通电压，开关时间等都有着 重要影响。少子寿命控制技术可以有效减小4 h s i cp i n 二极管开关时间与反向峰 值电流，改善器件的开关特性。目前，有关电子辐照局部少子寿命控制技术对 4 h - s i cp i n 二极管影响的报道比较有限。本文就这方面的内容作了一些工作： 通过所建立的4 h s i cp i n 二极管的数值模型模拟了台面结构的4 h s i cp i n 二 极管的直流和开关特性。模拟数据与实验数据的比较，验证了模型的正确性。 模拟研究了4 h s i cp i n 二极管正向导通特性和开关特性随少子寿命变化的情 况。模拟结果表明：少子寿命越短，器件的正向导通电压越大，反向恢复时间越 短。 采用电子辐照可以缩短材料的少子寿命，提高器件的开关性能，但是会造成 器件正向特性的明显退化。通过在器件与辐照源之间放置掩膜版进行阻挡，可对 器件进行局部辐照，形成任意可控的复合中心浓度分布，达到局部少子寿命控制 的目的。本文对局部电子辐照后的4 h s i cp i n 二极管的正向导通特性与开关特性 进行了研究。结果表明：室温下，局部辐照后的器件由3 1 v 偏置转换到5 0 伏的 反向偏置的关断时间仅为5 0 n s ，反向时的峰值电流仅为3 5 1 0 4 a ，较辐照前的7 0 n s 与8 5 x 1 0 。4 a 有明显减小。相比非局部辐照后正向导通电压出现的明显增大，局 部辐照后的正向导通电压较辐照前只有微弱增加。即局部电子辐照通过降低i 区局 部载流子寿命从而实现少数载流子的不均匀分布，在低的正向压降与短的恢复时 间之间进行了很好的权衡，改善了器件特性。 关键词：碳化硅p i n 二极管电子辐照少子寿命 2 4 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 a b s t r a c t 3 a b s t r a c t m i n o r i t yc a r d e rl i f e t i m e i sc o n s i d e r e dt o p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp i nd i o d e s s u c ha st u r n o nv o l t a g ea n ds w i t c h i n gt i m e c o n t r o l t e c h n o l o g yo fm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h es w i t c h i n gt i m ea n dt h e p e a k r e v e r s ec u r r e n to f4 h - s i cp i nd i o d e ，a n di m p r o v es w i t c hc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e t h e r ea r cf e wr e p o r t sa b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h el o c a ll i f e t i m ec o n t r o lt e c h n i q u eu s i n g e l e c t r o ni r r a d i a t i o no n4 h s i cp i nd i o d e s t l l i st h e s i sp r e s e n t ss o m ew o r ko nt h o s e r e s u l t si nc o n c e r n n u m e r i c a lm o d e lh a sb e e ns e t u pw i t hr i g h tp a r a m e t e r sf o r4 h - s i cp i n 硼1 ed c i vc h a r a c t e r i s t i c sa n ds w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e da c c u r a t e l yb yi s e - t c a d t h ei n f l u e n c eo fm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m eo nf o r w a r dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e d w i t hs h o r t e rm i n o r i t yc a r d e rl i f e t i m e ，t h et t l r n - o nv o l t a g e i n c r e a s e sw h i l et h es w i t c h i n gt i m ed e c r e a s e s e l e c t r o ni 1 1 r a d i m i o nc a nr e d u c em a t e r i a l s m i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ea n di m p r o v e s w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e s ，b u ti t a l s oc a u s et h ed e g r a d a t i o no ft h ef o r w a r d c h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h ec um a s kb e t w e e nt h ed e v i c ea n dt h ei r r a d i a t i o ns o u r c e ，w e c a nc o n t r o lt h ez 1 2 ( a n de h 6 7 ) c o n c e n t r a t i o nb yl o w - e n e r g ye l e c t r o ni r r a d i a t i o n s o m ew o r kh a sb e e n d o n eo l lt h ed ca n dr e v e r s er e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c so f4 h s i cp i n 、 d i o d e sa f t e r1 0 c a le l e c t r o ni r r a d i a t i o n a tr o o mt e m p e r a t u r e w h e nt h ed i o d ei ss w i t c h e d f r o mf o r w a r d - b i a s e da t3 1v o l t st oar e v e r s eb i a so f5 0v o l t s ，t h et u r n - o f ft i m ei so n l y 5 0n a n o s e c o n d sw h i l et h ep e a kr e v e r s ec u r r e n ti s3 5x10 q a m p e r , w h i c hs h o w s i g n i f i c a n t l yr e d u c ec o m p a r e d 嘶mt h ed a t ab e f o r el o c a li r r a d i a t i o n ，7 0n a n o s e c o n d s a n d8 5 x1 0 qa m p e r e u n l i k et h es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s eo ft h et u r n - o nv o l t a g ea f t e r n o n l o c a le l e c t r o ni r r a d i a t i o n ，t h et u r n o nv o l t a g ea f t e rl o c a le l e c t r o ni r r a d i a t i o no n l y s h o w ss l i g h ti n c r e a s e l o c a le l e c t r o ni r f a d i a t i o na i m i n go ni n t e n t i o n a ll o c a ll i f e t i m er e d u c t i o ni nd r i f t r e g i o ne n a b l e sc o n t r o lo f t h ec h a r g eg r a d i e n tp r o f i l e l o c a ll i f e t i m ec o n t r o la c h i e v e st h e t r a d e o f fb e t w e e nl o wf o r w a r dv o l t a g ea n ds h o r tr e c o v e r yt i m e ，a n di m p r o v e st h e d e v i c e s c h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ： s i l i c o nc a r b i d e p i nd i o d e se l e c t r o ni r r a d i a t i o n m i n o r i t y c a r r i e ri i f e t i m e 第一章绪论 第一章绪论 1 14 h s i cp i n 二极管的优势 随着微电子技术的不断发展，越来越多的领域如航空、航天、军事、石油勘 探、通讯、核能等，急切的需要能够在高温及强辐射环境下运行，同时能够提供 高功率及高频率特性的电子器件。由于p i n 二极管具有可控功率大、插入损耗小 以及可以获得近似短路和开路的良好特性，使得p i n 二极管广泛应用于移相器， 转换器，衰减器和r f 上的限制器，超高频和微波系统。例如，因为它们比较便宜， 更可靠，能够承受长时间较高速工作等优点，而成为了从民用和军事雷达到移动 电话基站发射和卫星通讯装置等众多领域的首选。因为他们工作在低直流偏置下 也能保持较高的微波功率水平，因此具有更好更高的效率。同时，p i n 二极管在给 定导通电阻的条件下具有相对比较低的静态电容，这使得他们具有很好的频率响 应。此外，较高的阻断电压使p i n 二极管具有比m e s f e t 更突出的优势，更适合 应用于高功率领域。 目前为止，大多数商用的微波p i n 二极管都是由s i 和g a a s 制成的。不过， 由于这些材料的自身物理性质的不足，使得其功率和开关速度受到限制。s i 基p i n 二极管作为微波调幅器使用时，开关时间可以从纳秒数量级调节到毫秒数量级， 开关功率可以从毫瓦数量级调节到千瓦数量级。但是，开关时间较短的调幅器不 能控制更高的微波功率，而且工作温度也超不过1 7 5 0 c t 。因此，为了提高微波功 率的控制能力，提高开关转化速度和工作温度，需要采用新的材料来制备p i n 二 极管。 比起传统的半导体材料，s i c 材料具有比较高的击穿电场、高热导率和高载流 子饱和速率等良好的性能。s i c 的热导率是s i 的五倍以上，工作温度至少是s i 的 四倍。因此，一个s i cp i n 二极管比一个s i 二极管更能充分耗散高热功率。在使 用s i 基p i n 器件时，脉冲工作模式下几个二极管必须联合控制超过几千瓦的功率。 这会导致复杂的窄带电路，并需要增加专门的制冷系统。但是如果用s i c ，只需要 一个或两个二极管来控制几千瓦的射频功率，因此用s i cp i n 二极管可以省去一些 必要的器件这使得宽带电路更简单，更容易制冷i l 】。而且，高击穿电场使得s i cp i n 二极管所能控制的高频信号功率是其相同漂移区厚度和相同少数载流子寿命的s i 基p i n 的1 0 0 倍。考虑到4 h s i c 的电子迁移率比s i 低两倍，少数载流子寿命约 几百纳秒，使得s i cp i n 二极管在相同的开关速率下可处理的功率级别是s i 器件 的2 0 倍【2 1 。因此，与传统的s i 基p i n 二极管相比，在相同的微波功率控制能力下， 2 4 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 s i cp i n 二极管具有更好的开关速度。而在相同的转换速度下，s i cp i n 二极管可 以提供更大的微波功率控制能力。 此外，p i n 二极管的高反向偏置临界击穿电压，是因为其中间的低掺杂层承 载了主要的电压降，但中间层的存在会在一定程度的提高整个器件的正向开态压 降以及器件关断瞬态过程中的恢复时间。而使用4 h s i c 材料制作的p i n 二极管， 就可以弥补这些不足。s i c 十倍于s i 的临界击穿电场，使得s i cp i n 二极管的i 区 掺杂可以比硅管高十倍，厚度能减d , n 硅管的十分之一，同时保持较高的击穿电 压，而s i c 中的高电子饱和漂移速度，使得4 h s i cp i n 二极管具有较好的关断瞬 态特性和直流伏安特性。 g a n 与s i c 在某些特性上存在很多相似的特性，很有潜力成为制造高功率微 波p i n 二极管的候选者，但它与s i c 不同，不适合制造在高功率条件下提供稳定 垂直输送的器件；而且对g a np 型重掺杂也比较困难，这使得其接触电阻比较高； 而且无法在g a n 器件边缘生长出高质量的钝化热氧化物；同时制造g a n 衬底必须 在外来平台上进行，如蓝宝石，这就会致使散热差和较高的器件电阻。 s i cp i n 二极管是在传统的p n 结二极管的p 型掺杂区和n 型掺杂区中间加上 一层较低掺杂的区域。其器件具有较高的击穿电压，较低的正向导通电阻和较短 的反向恢复时间。因此相对于s i 基p i n 二极管， s i cp i n 二极管的高频特性更 为优越，是微波系统中不可缺少的重要器件，这使得研制性能优良的s i cp i n 二极 管具有非常重要的意义。 目前，希腊研究技术基金会( f o r t h ) 的n i c o l a sc a m a r a 和k z e k e n t e s 已经在 4 h 衬底上制成s i cp i n 二极管【3 1 ，并且在宽带开关上进行了测试，其结果显示它 能在x - b a n d ( 8 1 2 g h z ) 范围以内工作。商业化的外延片和材料是通过升华方法制得 的，这里采用c v d 法生长4 h s i cp i n 二极管，因此其直流特性和开关特性表现 比较突出。例如在1 0 0 m a 驱动电流下，漂移层电阻为1 6 x 1 0 4 d c m z 。这表明漂移 区可以进行有效的电导调制，并能将开关速度调节至1 0 n s 以下。而对直径大于1 5 0 祈的台面结构，在1 0 0 v 击穿电压时，其电容可以完全控制在0 5 p f 以下 4 1 ，使得 这种台面结构很有可能在高频下工作。通过在8 5 1 0 5 g h z 频率范围内测试，单刀 单掷开关( s p s t ) 的隔离度达到1 9 2 5 d b ，插入损耗小于2 d b t 5 1 ，这个损耗相当于工 作在几千兆赫兹下的商业用s i 基r f 开关，隔离度通常超过3 0 d b 。并且，通过对 开关进行热应力测试，证实其开关电学特性非常稳定。 而日本的y s u g a w a r a 等人采用j t e ( j u n c t i o nt e r m i n a t i o ne x t e n s i o n ) 技术所制 作的台面结构4 h s i cp i n 二极管【6 】，在小于6 k v 的反向电压下，其漏电流小于l 1 0 3 a c m 2 ；当正向电流密度在1 0 0 a c m 2 时，器件的开启电压可以降至6 5 v ； 并且在接近2 0 k v 的反向电压下才发生击穿；同时器件的开关特性也比较好，当关 断电压到6 k v 时，开关时间最小可以为t 仃= 3 4 n s ，小于同等级硅p i n 二极管开关时 第一章绪论 间的三十分之一。 同时，基于碳化硅材料的p i n 器件也具有良好的抗辐照能力。2 0 0 3 年， m w o l b o r s k i 等人的研究表明【7 】，在经过g a m m a 射线照射后4 h - s i cp i n 二极管的 直流正向伏安特性基本不受影响。反向漏电流在4 m r a dg a m m a 辐照后提高了二十 倍。之后将器件暴露在较低能量的紫外光( u vl i g h t ) 中，观察到反向漏电流下降到 器件受辐照之前的水平。这一结果与m w o l b o r s k i 在2 0 0 7 年的实验【8 】中得到的结 果类似。由此可以看出s i c 材料的p i n 器件具有良好的抗辐照能力。 1 24 h - s i cp i n 二极管少子寿命的相关研究及进展 少子，即少数载流子，是半导体物理的概念。它是相对于多子而言。在半导 体材料中有电子和空穴两种载流子。如果在半导体材料中某种载流子占少数，导 电中起到次要作用，则称它为少子。如，在n 型半导体中，空穴是少数载流子， 电子是多数载流子；在p 型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 少子寿命就是少子的平均生存时间。寿命标志着少子浓度减少到原值的1 e 所经历 的时间。少子寿命是半导体材料和器件的重要参数。它直接反映了材料的质量和 器件特性。对于p i n 二极管，i 区少子寿命是p i n 二极管的重要参数，对二极管 的正向压降，开关时间等特性都有着重要影响【9 】 性能良好的开关器件必须具备开关时间短、正向压降小、软恢复特性等优势， 而高的开关速度和低的功耗是其中最重要的2 个特性。为了改善4 h s i cp i n 二极 管的开关速度，减小开关时间t f r ，减少损耗，阻止瞬时开关二极管引发的失效， 通常采用以下2 种方法：降低正向注入漂移区的电荷浓度或者提高存储电荷q 。的 消失速度。通过改进器件结构【1 0 】【u 】，采用多层渐变掺杂结构有利于4 h s i cp i n 二极管开关特性的改善。但这会致使器件的工艺复杂，反向i - v 特性有所退化，造 成反向击穿电压减小。因此，通过载流子寿命控制技术来改善4 h s i cp i n 二极管 特性的方法已经屡见不鲜。目前主流的技术主要包括采用电子辐照和质子辐照的 方法来产生故意损伤和复合中心从而达到减少少子寿命的目的。研究【1 2 】f 1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】 表明，电离辐射、中性粒子辐射都会在s i c 中会形成各种缺陷，而这些缺陷在材 料的能带中表现为深浅不一的能级。这些能级可以作为电子、空穴陷阱俘获对应 的载流子，造成有效载流子浓度降低；也可以作为复合中心加速电子与空穴的复 合，从而降低少数载流子的寿命。但是辐照控制少子寿命这种方法也有缺陷，它 很容易破坏s i c 材料的晶格点阵结构，从而降低器件的性能造成器件静态特性的 退化，比如正向压降v f 的退化。因此，人们将目光集中向了局部少子寿命控制技 术【1 7 】【1 8 j 【1 9 1 。t s u n e n o b uk i m o t o 等人通过对低能电子辐照对4 h s i c 外延层中载流 4 4 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 子寿命的控制进行研究【1 6 1 发现，通过铜掩模板，可以对4 h s i c 外延层中的载流子 寿命达到均匀控制。因此，如何采用辐照技术，通过掩模板对4 h s i cp i n 二极管 i 区局部少子寿命进行控制，在改善开关特性的同时，降低辐照作用所引起的 4 h s i cp i n 二极管正向特性的退化，阻止顺时开关二极管引发的实效，就是我们 研究的重点。 虽然针对4 h s i cp i n 二极管的抗辐照能力研究的文章有很多，以辐照作为控 制少子寿命的报道也很丰富，然而基于辐照技术，通过对4 h s i cp i n 二极管i 层 少子寿命的局部控制，加速漂移区少子的复合从而减小漂移区存储电荷q 。，从而 改善4 h s i cp i n 二极管的开关速度，减小开关时间t 仃这方面的相关报道比较有限。 1 3 本文的主要工作 本文围绕4 h s i cp i n 二极管在辐照控制其i 区少子寿命的条件下，对其直流 特性和开关特性而展开工作，主要做了以下几方面的内容： 1 详细介绍了了p i n 二极管的工作机理，分析了其导电机理以及正向伏安特 性和反向击穿特性。探讨了开关过程中不同时刻的4 h s i cp i n 二极管器件内部载 流子运动变化情况和开关特性的一些重要参数。分析了i 区少子寿命对p i n 二极管 正向压降，开关时间的影响。 2 基于i s e t c a d 器件模拟软件，提出了4 h s i cp i n 二极管器件模拟所需 的数值模型，选取平面结构的4 h s i cp i n 二极管作为模拟对象，对其直流i v 特 性和开关特性进行了模拟，并与实验结果进行对比，验证模型的正确性。同时分 析了4 h s i cp i n 二极管的正向导通压降v f 、反向击穿电压以及反向恢复时间t f r 与少子寿命的关系。 3 研究分析了辐照在s i c 器件中作为陷阱和复合产生中心的机理。利用辐 照在4 h s i c 中引入的缺陷能级的数据，通过i s e 软件验证了4 h s i cp i n 二极管的 抗辐照特性，并且根据模拟结果提出了在4 h s i cp i n 二极管中间层( i 区) 通过掩 模板进行局部少子寿命的控制，力求在不增加正向压降的前提下达到改善开关速 度，减小开关时间。 第二章4 h s i cp i n 二极管特性与少子寿命的关系 第二章4 h s i cp i n 二极管特性与少子寿命的关系 顾名思义，p i n 二极管就是由两边掺杂浓度很高的p 型结和n 型结中间夹杂了 一层本征半导体材料所构成的。因为在现实情况中不可能存在完全没有杂质的纯 净半导体，所以现实应用中的p i n 管的i 层或多或少都会掺杂有少量的p 型或n 型材料，习惯上称为兀型或丫型层，把i 区由p 构成的称为p 兀n 二极管，i 区由 n - 构成的称为p 丫n 二极管。即人们常用的p i n 管是p 7 州管或聊n 管，两者并没 有本质区别，只不过是根由于i 区的杂质类型的不同，从而在本征区中形成的p n 结的实际位置不同而己。以下讨论均以p 州管为例，统一将p 型高掺杂区、n 型 高掺杂区和n 型低掺杂区称为p + 区、n + 区和i 区。 2 1 少子寿命的测量和控制 2 1 1 少子寿命的测量技术 少子寿命是p i n 二极管的重要参数。对二极管的正向导通压降和开关时间有一 重要影响。因此，能够准确的得到这个少子寿命，对于半导体器件制造具有重要 意义。少子寿命测试的理论并不复杂，但是在实际测量中却经常出现错误。对于 同一种材料或同一个器件不同的测量方法可以给出不同的结果。并且在大多数情 况下这些测量上的差别并非是测量过程或是设备的问题。 在实际测量过程中，半导体材料或是器件的表面复合、杂质陷阱以及环境温 度等各个因素都会影响测试结果。表面复合的影响主要是指在使用光电导衰减法 测量当中，测量仪器射出的光生少子向体内扩散，一方面被体内的复合中心复合， 另一方面扩散到非光照面，被该表面的复合中心复合。因此我们实际测量得到是 一个受表面复合与体复合共同作用的少子寿命，而真正对我们有用的是体复合得 到的体少子寿命。杂质陷阱的影响主要是指在材料内部，非故意掺杂或辐照等因 素所引入的杂质能级会起到复合中心的作用，加速了载流子的复合作用，减小了 少子寿命。坏境温度的影响是因为，随着温度的升高，载流子寿命会先增大后减 小。同时，在器件工作时，注入水平1 1 很小时，对少子体复合贡献最大的复合机 制是s r h 复合，俄歇和辐射复合影响较小可近似忽略；而当1 1 处于大注入时，俄 歇复合和辐射复合随着1 1 增大，对体复合的贡献也逐渐增加。因此，对于每一种 测试方法都必须了解它的测试原理、适用范围、测试精度等，结合自己实验的具 体条件，选取最适合的测量方法，并尝试在使用过程中进行修正和优化。 6 4 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 目前测量p i n 二极管的少子寿命的方法基本上是利用p i n 二极管的开关特性 或是频率特性来提取寿命的【2 0 1 。 a 基于开关特性的测量方法： 1 ) 阶跃恢复法：阶跃恢复法的基本过程是首先给p i n 二极管加正向导通电压 v f ，使它达到稳定状态，然后使电压突变为- v r 在这一过程中电流时间关系如图 2 1 所示。 图2 1 阶跃恢复法 从图中可以看出，当二极管外加电压突变后，反向电流首先在一段时间内保 持不变，然后才逐渐下降达到反向饱和电流。反向电流保持恒定的时间称为存储 时间t s ，电流下降到0 1 1i ，的时间称为下降时间t r ，t o a - = t s + t r 即为反向恢复时间。 m o l l 2 1 】和k u n o 2 2 最早提出了用这种方法来决定少子寿命。他们的方法都存在着一 定的局限性，主要是在边界条件的选取上。同时这种方法的表达式都比较复杂， 只能用数值分析得到解，适于通过比较来判断近似处理的精确程度。 2 ) 储存电荷法：储存电荷法基于阶跃反向恢复法，在外加电压突变后，忽略 复合项，则可以看作积累电荷全部由电流吸出。但是这种方法忽略了复合项，造 成了误差，所以在测试时，应尽量提高反向电流值，使储存电荷的减少大部分由 电流吸出从而减少误差。但是，如果反向电压过大，可以导致过驱动( o v e r d r i v e n ) 现 象，使反向波形变坏，这又限制了储存电荷法的精度。 3 ) 线性恢复法：线性恢复法是目前研究比较多的一种方法。通常采用在电路 中串联一个电感，从而得到如图2 2 的反向恢复波形。 第二章4 h - s i cp i n 二极管特性与少子寿命的关系 7 图2 2 线性恢复法 其中t o 是电流下降到o 的时间，t i 是反向电流达到峰值的时间，t 2 是积累电 荷耗尽时的时间，通常取反向电流达到0 1 li ，的时间。t a _ t t t 0 ， t b = t 2 t l ，k = t a + t b 。d h a d w a l 给出了分析化简结果【2 3 】： 瓦= ip 矿以( o 1 ) | 1 3 5 ( 2 一1 ) 简化要求t o ( 或t 1 ) 1 ，这个条件在实际中是可以保证的，因为通过调整电路 中电感和反向电压的大小，就可以变化反向恢复电流的斜率，从而满足t l 执这个条 件。这也是线性恢复的最大优势。 4 ) 开路电压衰减法，用开路电压衰减法测p i n 二极管的少子寿命基本原理 是在二极管达到正向稳定后，使外加电压开路，从二极管两端电压的衰减过程来 提取少子寿命。图2 3 为此过程示意图： v o 图2 3 开路电压衰减法 此方法比较精确，而且这种方法不需要特殊的设备，所以在实际中得到了较 84 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 广泛的应用。但是在这种方法的推导过程中，忽略了结电容的影响。从图中我们 可以看出，曲线的斜率逐渐变小，这正是因为结电容的作用。另外，由于在复合 开始阶段，高掺杂区积累少子的影响使得在开始阶段曲线斜率很大，所以在测量 中我们要取初始阶段后的第二阶段的斜率，即图中m n 段，以减小误差。正因为 如此，o c v d 法对于短寿命的p i n 二极管测量并不适合。 b 射频法： 前面谈到的方法都是基于二极管的开关特性，但是对于p i n 二极管则有一种 比较特殊的方法：射频法。它是通过p i n 二极管的频率特性提取寿命。这种方法 适合于测量短寿命二极管，前面已经提到用o c v d 法不适于测量短寿命少子，这 时就可以使用射频法。但是这种方法也有不足之处，当w l 2 时( w 是i 区宽 度) ，i 区的电感效应将变得显著从而影响测试结果，所以应使二极管的w l 值 小于1 5 ，这也限制了它的测试范围。 2 1 2 少子寿命的控制技术 由于少子寿命的变化影响着开关管许多电参数的变化。因此少子寿命的控制 技术就处于十分重要的位置。 少子寿命控制技术按其特点可分为三种类型【2 4 j ： a 常规性：其中常规型又可分为以下3 种： 1 ) 减小材料电阻率；利用材料电阻率和少子寿命的内在联系，在保证击穿电 压的前提下，尽量选取较低电阻率的原始碳化硅片。 2 ) 减薄高阻区厚度；这种方法既可以减小贮存，又可以使衬底复合的影响加 大，有利于存贮时间的减小。对于制造电压在3 0 0 - 5 0 0 伏范围内，开关速度满足 1 0 - - 1 5 k h z 作频率的开关管还是行之有效的。 然而，上述两种方法的共同缺点是随着开关管耐压指示和开关速度的进一步 提高而受到较大限制。可供选择的范围不是很大，尤其是对于耐压指标要求大于 8 0 0 伏的高压大功率开关管，上述两种控制方法是不可取的。 3 ) 衬底双扩散技术；这种方法是改变三重扩散工艺衬底扩散技术，将一次衬 底扩散改为二次衬底扩散。高阻集电区制作成类似多层外延的阶梯结构( n wn 什) 。 此方法不仅有效地缩短了存贮时间，而且制成的开关饱和压降极小，大电流特性 非常好，由于阶梯结构避免了电场集中，从而有效地提高了反偏二次击穿耐量。 而且很好地协凋少子寿命与诸电参数的矛盾。但是其不足之处是效率低，周期长。 b 重金属掺杂型：金，铂，钯等重金属元素掺入n 型高阻区，能起到复合中 心的作用。但是掺杂温度较高，控制不精确等问题依然成为瓶颈。 c 辐照型：电离辐射、中性粒子辐射都会在s i c 中会形成各种缺陷，而这些 第二章4 h s i cp i n 二极管特性与少子寿命的关系 9 缺陷在材料的能带中表现为深浅不一的能级。这些能级可以作为电子、空穴陷阱 俘获对应的载流子，造成有效载流子浓度降低；也可以作为复合中心加速电子与 空穴的复合，从而降低少数载流子的寿命。电子辐照和质子辐照能够精确的控制 少子寿命，辐照过程容易控制，且可在管芯完成后离线进行，一致性和重复性很 好。 2 24 h - s i cp i n 二极管的直流特性与少子寿命的关系 p i n 二极管的简化结构如图2 4 ，可以看出，由于p i n 二极管是在两个高掺杂 区插入一个n _ 的高阻区，所以在i 区两边形成了两个p n 结。也因此在空间电荷 区中会形成由p + 区指向i 区以及由广区指向n + 区的内建电场，此时载流子的漂移 运动和扩散运动保持平衡。而在4 h s i cp i n 二极管中，虽然i 区相比n + 区的界面 处的掺杂浓度与p + 区的掺杂浓度相比i 区的掺杂浓度高出的数量级差不多，但由于 n + 区与i 区均为n 型掺杂，因此界面处的能带弯曲程度相比另一端稍弱。如图2 5 表示的就是p i n 二极管的能带图。 阳 极 p + 蓁鋈 1 1 1 外延层 霾鋈 n + ：季 p + n - 结 n n + 结 图2 44 h s i cp i n 二极管的简化结构 阴 极 1 04 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 o 仍 o 刁 c 弼 0510 15 d i s t a n c e ( u m ) 图2 54 h s i cp i n 二极管的能带图 一般的p n 结的导电主要是靠少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行 扩散所形成的，这里的所说扩散区是不存在电场的电中性区。也就是假设载流子 渡越势垒区的速度非常快，忽略了强电场的阻挡作用。这样的处理只能在势垒区 比较薄，即其厚度远小于载流子的平均自由程时才可以。但是对于p i n 结，虽然 它的空间电荷区是在i 区两边很薄的区域，但是其势垒区却是整个的i 区，所以它 的势垒区厚度远远大于载流子的平均自由程，所以这个时候的载流子在渡越i 区过 程中的产生复合作用就不能忽略了。而少子寿命直接影响到载流子的产生一复合作 用，因此二极管的基本特性与少子寿命有着密不可分的关系。 2 2 14 h s i cp i n 二极管的正向导通特性与少子寿命的关系 半导体器件导通特性的好坏可以用它的导通电阻或者导通压降来表征；导通 压降越低，器件的大电流性能就越好，器件的功率处理能力也就越强。 因为一般p - n 结的正向电流主要是少子扩散电流，则少子寿命越短，少子的浓 度梯度越大，正向电流就越大，于是在同样电流情况下的导通压降也就越低。所 以少子寿命宜较短一些。但是，对于p i n 结则有所不同，因为p i n 结处于正偏时， 即有大量电子和空穴分别从两边注入到本征的i 区，则必为“大注入”。这时可以 认为i 区中的电子浓度等于空穴浓度，并且均匀分布，即郴o n s t 并且均匀分布， 如图2 6 所示。 505050505050505332211000112233 - - - - - - - 第二章4 h s i cp i n 二极管特性与少子寿命的关系 i i p p 卜 n p a n n p 、一p n 1 卜w 叫 正是由于在i 区中存在大量的两种载流子，所以必然会产生电导调制效应，使 得p i n 结的正向电压降低。即当n p n i 2 ，大量的少数载流子注入到i 区。此时为 了保持电中性，在i 区会产生相应浓度的多数载流子，即非平衡载流子。这些多出 来的非平衡载流子会提高i 区的电导，降低电阻。这一现象就称为电导调制。并且 当注入到i 区的载流子扩散长度为i 区宽度的一半时，电导调制效率达到最高伫列。 而p i n 结的正向导电是由载流子渡越i 区( 势垒区) 时的复合过程所造成的， 则p i n 结的导通特性与i 型层中载流子的复合寿命有很大的关系。由于i 层载流子 的有效寿命越长，在大注入情况下该层的电导调制效应就越强，则器件的正向压一，、 降也就越低，因此p i n 结的正向压降与载流子有效寿命成反比。然而，有效寿命将 随着正向电流密度的增大而减短，特别是在大电流密度时，有效寿命将显著变短， 从而会导致正向压降很快增加。因此，为了尽可能使器件的正向开启电压减小， 在4 h - s i cp i n 二极管的外延层中实现较长的载流子寿命从而增强电导调制，就显 得非常重要了。 p i n 二极管的正向压降v f 可以表示为： v f 2 v p + c o n 鲥+ v k + v p + 。一+ 圪矿+ ( 2 - 2 ) 式中v + c 。撕是p + 区的欧姆接触压降，v - m 是i 区的压降，v + n - 与圪1 + 分别是 p i n 二极管两端的p + n 节与n o 节上的压降，而则是衬底上的压降。 i 区压降与电导调制的程度有关，而电导调制的效果受i 区少数载流子寿命影 响很大，因此近似可得i 区压降与载流子寿命的关系【2 6 】： v m 2 等c 丢) 2 眺2 l a ( 2 - 3 ) 1 2 4 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 v m = 等e 叠w 2 l 。 ( 2 q 式中k 为波尔兹曼常数，t 是绝对温度，w 是i 区的宽度。而l a 为双极扩散 长度，计算公式为 l 。= 扣五 ( 2 5 ) 珀l 即为大注入时的载流子寿命，d 。= 心竺为双极扩散系数，其中为双极 载流子迁移率，可以由i 区中的电子迁移率和空穴迁移率脚表示。 2 2 24 h s i cp i n 二极管的阻断特性与少子寿命的关系 当p n 节的外加反向偏压l v d i 超过某一数值v b d 时，反向电流会突然猛增，而 p n 节两端的电压几乎不变，此时就称p n 结处于反向击穿状态，且v b d 就称为反向 击穿电压。图2 7 所示的p n 结就是反向击穿特性曲线。 v 。 v b d _ ， r r j 图2 7p n 结反向击穿特性曲线 反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿又包括雪崩击穿和齐纳击穿。s i c 材料 具有很高的热导率，散热快，因此一般情况下不会发生热击穿。电击穿包括两个 击穿机制，一个是隧穿机制，一个是雪崩击穿机制。图2 8 表示了p n 结击穿特性 与掺杂浓度的关系 2 7 1 。 第二章4 h s i cp i n 二极管特性与少子寿命的关系 1 3 1 0 0 0 0 1 0 0 0 一 1 0 0 1 0 l 图2 84 h - s i cp - n 结击穿电压与掺杂浓度的关系 从图2 8 我们可以看出，在掺杂浓度比较低的时候( 排斥作用的俘获截面。位移效应指的是通过辐射粒 子与晶体原子之间的相互作用，原子获得足够的能量厚离开晶格的原有位置，产 生位移，形成缺陷。这些缺陷如同复合中心一样，使基区少数载流子寿命减小。 第三章4 h s i cp i n 二极管特性的模拟 2 i 去5 志+ k 。妒( 3 - 9 ) f ( ) r ( 0 ) 2 式中表示辐照剂量，k 为少子寿命损伤常数，t ( o ) 为辐射前半导体材料中的 少子寿命，西) 为辐射后半导体材料的少数载流子寿命。可见半导体的少数载流子 寿命对辐射反应非常灵敏。因此导致了在以少数载流子为导电机理的半导体器件 和双极集成电路中，少子寿命在辐射下的退化成为了其性能退化的主要原因。电 离效应是指电离辐射导致半导体内产生过剩的电子空穴对，从而使半导体电导率 增加。表面效应指电离辐射在半导体表面的氧化层内产生电离，结果使氧化层内 建立正电荷并引入界面态。 从辐射对半导体产生损伤的机理我们知道，电离辐射、中性粒子辐射以及离 子注入都会在s i c 中会形成各种缺陷，而这些缺陷在材料的能带中表现为深浅不 一的能级。这些能级可以作为电子、空穴陷阱俘获对应的载流子，造成有效载流 子浓度降低；也可以作为复合中心加速电子与空穴的复合，从而降低少数载流子 的寿命。因此，我们可以通过在d e s s i s 模型中加入缺陷能级来模拟4 h s i cp i n 二极管被辐射之后的情况。辐射产生的缺陷在d e s s i s 中可以用陷阱( t r a p s ) 来描 述。 d e s s i s 中可以定义四种陷阱分布：能级型( 1 e v e l ) 、常量型( c o n s t a n t ) 、指数型 ( e x p o n e n t i a l ) 、高斯分布型( g a u s s i a n ) 。陷阱既可以定义为体陷阱( b u l k ) 也可以为表 面陷阱( s u r f a c e ) 。 。 在d e s s i s 中，陷阱可以定义成四种类型：d o n o r 、a c c e p t o r 、n e u t r a le l e c t r o n 以及n e u t r a lh o l e 。其中受主能级与施主能级各有两种状态 3 4 1 ：受主能级可以呈中 性或者带负电，施主能级可以呈中性或者带正电。可能发生四个过程有：呈中性 受主俘获电子，受主由中性变为带负电，对应n e u t r a le l e c t r o n 类型；带负电受主俘 获空穴，受主由带负电变为中性，对应a c c e p t o r 类型；呈中性施主俘获空穴，受主 由中性变为带正电，对应n e u t r a lh o l e ；带正电受主俘获电子，受主由正电变为中 性，对应d o n o r 型。 加入陷阱后，泊松方程和连续性方程都需要进行修改： a 首先，我们假定n d t 为施主陷阱浓度，n a l 为受主陷阱浓度，n e 。为中性电子陷 阱浓度，n h t 为中性空穴陷阱浓度，n d t 为施主陷阱能级中的电子浓度，p a t 为受主 陷阱能级中的空穴浓度，1 1 t 为中性电子陷阱能级中的电子浓度，p t 为中性空穴陷阱 能级中的空穴浓度。则电子和空穴占据陷阱的几率厶和s 可以用电子和空穴的占 据几率表如下： l r t x = n 阻 nn d t = n 吼l ( 3 一l o ) 4 h s i cp i n 二极管少子寿命的研究 p l = n l f p p t = nm f pq - 1 1 ) 由于轳1 - 矗，因此在复合中可以只考虑电子陷阱。因此加入陷阱修改后的泊松方 程可以写为： v 押妒= 一g lp 一以+ d m + ( 一) 一( 心一以) + b 一吩i ( 3 - 1 2 ) l 耳丘乓 乓 j b 对于连续性万程，由十俘获界囱的引八则主要修改的是兵复合系效r 。加入陷 阱能级后，取电子和空穴的酽鄂= l ，则有： ：一塾竺塑l ( 3 - 1 3 ) ，= = - - 二- - - 一