（微电子学与固体电子学专业论文）面向frd寿命控制技术的纳米空腔汲取铂的试验研究.pdf

摘要 摘要 理论上轴向局域寿命控制技术是目前使快恢复二极管的各项性能达到折衷 优化的最佳技术，是目前寿命控制领域的研究热点问题。但是，已有h e + 注入感 生缺陷技术尚具有漏电流过大的严重缺陷，用此感生缺陷汲取铂形成局域铂掺杂 的技术漏电虽小，但因可获得铂浓度不够高，制成的快恢复二极管的反向恢复时 间t 丌最小只能达到2 0 0 多n s 。为解决这个轴向局域寿命控制技术的发展障碍， 进一步降低t 丌，本文提出利用高剂量h e + 注入形成的纳米空腔( v o i d s ) 的汲取 作用来提高局域铂掺杂浓度的构想，并进行了试验研究和分析。 试验采用的h e 注入剂量为2 1 0 ”c m 。，v o i d s 形成条件为7 0 0 。c 1 0 0 m i n ， 并分别在0 ( 不长大) 、8 0 0 、9 0 0 和1 0 0 0 0 c 等不同条件下长大，之后在不同温度 下( 8 0 0 一1 1 5 0 ) 进行铂汲取，然后制作成肖特基二极管。此后，对样品进 行d l t s 测试，结果表明各种条件下均会出现e c 一0 2 2 e v 这个与铂杂质对应的 陷阱能级，该能级对制造优良性能的f r d 来说是非常有意义的。同时，比较不 同条件下缺陷态浓度发现，利用纳米空腔汲取铂，最高电活性铂浓度可以达到 3 8 1 0 “c m 。3 ，而小剂量h e 注入感生缺陷汲取铂的最高浓度只有1 9 1 0 h c m 一。 纳米空腔汲取铂的浓度近乎是感生缺陷汲取铂浓度的2 0 倍，汲取效果提高了一 个数量级! 这将会大大的缩短器件的开关时间。在此基础上还进一步研究了不同 汲取条件对铂汲取效率的影响，初步发现了较佳的铂汲取条件。为将来制造出性 能优异的p i n 结构f r d 奠定了基础。此项新技术不但可以用于快恢复二极管的 制造，而且也适用于其它需要寿命控制的功率器件( 如：i g b t 、g t o 等) ，其应 用范围和潜力十分巨大。 关键词：功率快恢复二极管；轴向局域寿命控制；纳米空腔；铂汲取 l ，。，星耋三些尘耋耋耋箜互：茎尘耋垒二，。，。，。，一 a b s t r a c t l o c a ll i f e t i m ec o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yi st h em o s te 牖c t i v et e c h n i q u et o0 p t i m i z e t 1 1 ep e 商o m l a n c eo ff r d s nh a sb e e nt h eh o tt o p i ci nt h ef i e l do fc a r r i e rl i f e t i l n e c o n 仃0 1 h o w e v e r ，1 ee x i s t i n gt c c h n 0 1 0 9 yl l a ss o m es 嘶o u sd r a w b a c k s d e v i c e sw i t h c a r r i c rl i f c t i m ec o n t d 0 1 l e db ya i p h ap a n i c l ei 玎a d i a t i o ni n d u c e dd e f e c t sh a v eh i 曲 r e v e r s e1 e a k a g ec u r r e m a 1 t h o u 曲l o c a lp 1 a t i n u md o p i n gt e c l l l l i q u ep r o d u c e ss m a l l r e v e r s e1 e a i ( a g ec u r r e n t ，i t sg e t t e r e dp l a t i n mc o n c e n 仃a t i o ni sl o w e rt b a ne x p e c t e d t h er e v e r s er e c o v e r yt i m eo f 廿l ef r df a b r i c a t e dw i t ht h i st e c h n i q u ei sn om o r em a l l 2 0 0n s i no r d e rt or e d u c ekf h r t h e r ，、v ep r o p o s et ou t i l i z et l l eg e t t e r i n g 血n c t i o no f n a n o v o i d sf o m e db yh i 曲d o s eh e + i m p l a l l t a t i o nt oi m p r o v et h ec o n c e n t r a t i o no f l o c a l l yd o p e dp l a t i n u r n t h i si d e ah a sb e e nv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt 1 1 ee x p e r i m e n t s ，t h ed o s eo f 也ei m p l a l l t e dh e + w a s2 10 1 6 c m 2a n dv o i d sw e r e f o r n l e du 1 1 d e rm ec o n d i t i o no f7 0 0 。c l0 0 m i na 1 1 de v 0 1 v e da to ( n oe v o l u t i o n ) ，8 0 0 ， 9 0 0 ，a i l d1 0 0 0 0 c ，r e s p e c t i v e l yp 1 a t i n mg e t t e r i n gt e m p e r a t u r e sw e r ef r o m8 0 0 。ct o 1 15 0 。c f i n a l l y ，s c h o t t k yd i o d e sw e r ef 曲r i c a t e dt ob eu s e di nr e l e v a mm e a s u r e m e n t s t h cd l l 、sr c s u l t ss h o wt l l a tt l l el e v e lo fe c o 2 2 e vf i t st ot h ep l a t i n 哪l e v e l 印p e a r s u n d e re a c hc o n d i t i o n ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a l l t t oa c h i e v eg o o dp e r f b 蛐a n c eo f t b e f r d c o m p a r i n gt h ed e f e c t sc o n c e m r a t i o ni l l l d e rd i 岱：r e n tc o n d i t i o n s ，i th a sb e e n f o u n d 恤a tt h ep e a kc o n c e n 打a t i o no fa c t i v ep l a t i n u mg e t t e r e db yn a n o v o i d si s 3 8 x 1 0 1 4 c m _ 3 ，w h i c hi s 1o r d e ro fm a 印i t u d e ( n e a r l y2 0t i m e s ) 岫出e rn l a l lt h a t g e t t e r e db yv a c a i l c yd e f e c t sw h i c hi s1 9 1 0 3 c m 一1 m i sw i l lg r e a t l yr e d u c em e s w i t c h t i m ei fi “su s e dt of a b r i c a t ea nf r d 1 1 1 ei n f l u e n c eo fd i 舶r e n tg e t t e r i n gc o n d i t i o n s o nm ep l a t i r i 啪g e t t e r i n ge 伍c i e n c yh a sb e e na l s og t u d i e da n d 廿1 em o s tp o s s i b l e p l a t i n u i ng e t t e r i n g c o n d i t i o nh a sb e e nt e n t a t i v e l ys u m n l a r i z e d t h ea p p i i c a t i o n p o t e n t i a lo ft h i st e c h n o l o g yi sg r e a ta n d i tc a nb eu s e di nt h ef l b r i c a t i o no fp i nf r d s a n do m e rp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ( e g i g bt ，g t 0e t c ) t oo p t i m i z et h e i r o e r f o n n a n c e s k e yw o r d s ：p o w e rf b tr e c o v e r yd i o d e ；a x i a l l o c a ll i f e t i m ec o n t r o l ；n a n o 。v o i d s ； p l a t i n u mg e t t e r i n g ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盎豆盘日期：! 塑6 ：6 ：f 羔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 鹤：鱼选剔隧各铆嗍础l b 1i 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 电力电子技术作为一门跨学科的综合技术其核心是箨种变换技术，而各种 变换技术则是基于各种电子控制的功率半导体开关器件。随着电力电子技术的不 断发展，功率半导体器件已经逐渐发展成为其中一个重要的独立分支。正是由于 功率半导体器件方面研究的不断深入，才使得电力电子技术得到迅速发展，朝着 大容量、高频化、高效节能、高可靠性和低成本的方向发展。 功率二极管是功率半导体器件的重要分支，其应用范围非常广泛。功率二极 管一个主要用途之一就是在电路中为开关器件如g t o 、i g c t 或者i g b t 等器件续 流，以保证带有感性负载的d c a c 转换系统正常地运行。随着新的工艺技术与 结构技术的小断提出，电力电子电路中的主开关器件一v d m o s 、t g r t 等新型功率 半导体器件的设计与制造取得了长足的进步，这就对与之配套使用的功率二极管 提出了更高的要求： ( 1 ) 反向恢复时间h 要短，以加快器件的开关速度，降低器件的开关损耗和提 高电力电子电路的工作频率； ( 2 ) 反向恢复电流峰值厶w 要小，以减少上位开关器件因通过过大电流而烧毁的 可能； ( 3 ) 软度因子s 要大。研究表明，s 越大的f r d 关断时的反向峰值电压一炸e 就 越小，造成电路中其它元器件过压过载的可能性就越小； ( 4 ) 通态压降咋要小，阻减小器件在导通状态下的损耗即通态损耗； ( 5 ) 反向漏电流最要小，以减小器件在关断状态下的损耗； 随着功率集成电路越来越多的应用到高频领域，电路中功率器件的丌关时间 参数显得尤为重要。反向恢复时州h 已经成为高频高压功率二极管的一项重要 指标。许多研究都集中在保证反向漏电流小、通态压降低的条件下尽量的缩短器 件的开关时间上。研究人员把这类二极管称作快恢复二极管。( f r d ) 反向恢复时间。是功率快恢复二极管( f r d ) 最关键的性能指标，它的大 小将直接影响到这个电路的工作频率。 现有的减小f r d 的“值的技术方法，都造成了器件其它性能参数变劣，即 不能同时取得o 、昨、，r 的最佳值。因此，需要在这几个参数之间进行折衷。用 不能同时取得o 、昨、，r 的最佳值。因此，需要在这几个参数之问进行折衷。用 北京工业大学工学硕士学位论文 同一种技术只能改变性能的折衷情况，而不能优化折衷。只有更新了技术，才能 优化折衷，即在相同反向恢复时间的情况下，可得到比原有技术更低的通态压降、 更低的通态损耗和更低的反向漏电流和关断损耗。不断追求新技术以实现更优的 性能折衷是几十年来功率快恢复二极管研究的中心“。 目前功率快恢复二极管研究中一个热点是轴向局域寿命控制( a ) ( i a ll o c a l 1 i f e t i m ec o n t r 0 1 ) 。它最有希望解决正向压降咋、反向恢复时间靠、反向电流恢 复软度s 和高压反向漏电流厶的性能折衷优化【4 5 】。但是，目前实现轴向局域寿 命控制的实际手段很少，只有氢和氦离子注入，利用在射程终点附近形成的高密 度晶格缺陷作为复合中心来实现轴向局域寿命控制。但是，这些晶格缺陷的能级 位置并不理想。低剂量离子注入形成的局部点缺陷的能级约为e c 一0 4 2 e v ，高 剂量离子注入形成的n a n o v o i d s 的能级为e c 一0 5 5 e v 。由于这些能级过深，使 高压快恢复二极管的反向漏电流十分大。欧洲一些公司( 如s e m i l a b ) 用此技术 制造的商品快恢复高压二极管的软度s 非常大( 比任何其他产品都好得多) ，但 其高压漏电流也十分大( 比其他任何产品都大得很多) 所以市场销路并不好。为 解决上述漏电大的问题而仍保持软度大的优点，可以利用缺陷对p t 的汲取，将 这些离子注入形成的缺陷转化为p t 掺杂，其能级将转变为e c o 2 3 e v 左右的铂 掺杂能级，对f r d 的性能这是非常理想的掺杂能级。低剂量注入缺陷汲取p t 已有人用实验证明是成功的。我们实验室用这种方法制造快恢复二极管证明也是 成功的。但是，所能达到的p t 的最高掺杂浓度不够高，有浓度饱和现象，相应 的二极管的。最低只能低至2 0 0 多n s 。显然是不够快，现在的先进f r d 的。 都是5 0 n s 左右。为解决这个浓度不够高的问题，本研究提出用n a l l o v o i d s 对p t 的汲取作用以得到高浓度的p t 掺杂，进一步降低o 。这一工作前人没有研究过。 1 2 功率快恢复二极管的发展现状 目前商业化的功率二极管主要有p i n 功率二极管、肖特基势垒功率二极管和 同步整流器。p i n 功率二极管有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的 优点，但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制 了电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极 管有着极高的开关频率，但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2 5 次方的矛 盾关系，阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之肖特基势垒功率 二极管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二 极管通常只工作在2 0 0 伏以下的电压范围内。为了获取高压、高频、低损耗功率 二极管，研究人员正在两个方向进行探索。一是采用新材料研制肖特基势垒功率 二极管，二是沿用成熟的硅基器件工艺，通过新理论、新结构来改善高压二极管中 第l 苹绪论 导通损耗与开关频率间的矛盾关系【6 j 。 反向恢复时间。是功率快恢复二极管( f r d ) 最关键的性能指标，它的大 小将直接影响到这个电路的工作频率。在功率开关器件发展到高频时代的今天， 小的。值是对f r d 的最基本的要求。 现有的实现功率f r d 的。值减小的技术可归为三大类：控制阳极发射效率 技术、漂移区控制技术和寿命控制技术，在实际应用中往往是三种技术结合使用。 控制阳极发射效率技术是通过控制p n 结发射效率来控制注入到n 。区中少数载流 予浓度，以实现反向恢复时间靠的减小。但是，o 越小则电导调制效应的作用 被削弱得就越大，即利用这种技术在减小。的同时，会造成器件通态压降和通 态损耗的增大【7 _ 9 】；寿命控制技术则通过向n 一区引入复合中心( 往往是各种形式 和种类的点缺陷，例如，铂替位原子缺陷、电子辐照感生缺陷或者氦离子辐照感 生缺陷) 来控制过剩载流子寿命，即通过控制n 。区中少数载流子寿命及其在关 断过程中的消失速度来实现反向恢复时间的减小。同样，利用这种技术减小，r 的同时，也会降低电导调制的作用，造成通态压降和通态损耗的增大。不仅如此， 随着引入复合中心的增多还会增加器件的反向漏电流和器件关断状态下的损耗。 寿命控制技术是现有的最有效也是最常用的减小f r ，、实现器件性能优化的技 术方法。上世纪6 0 年代，人们开始在晶闸管内部引入金原子作为复合中心以加 快少子复合速度和器件的关断速度，由此产生了寿命控制技术。数十年来，这种 技术不断得到发展，不断推动着器件性能折衷的更优化。它大体可以以1 9 8 0 年 左右为界分为前后两大阶段。两阶段研究出的技术各有自己的优点，同时也各有 自己的不足。 七十年代及以前寿命工程研究主要集中于复合中心的性质( 能级位置、俘获 截面等) 对器件性能折衷的影响。这一时期的研究成果是至今仍在工业生产中应 用的两类寿命工程技术：p t 和a u 的高温扩散和高能粒子流照射( 以电子照射应 用较广) 。它们的性能折衷情况的比较是【1 0 。1 1 】：扩散a u 的f r d 的吩最小，但 因其厶特别大现在已经很少在生产中采用；扩p t 的f r d 的厶特别小，虽然吩 不是最小，但总的性能折衷最好，而且器件性能长期高度稳定，适合于高质量高 性能产品制造：电子照射的f i t d 性能折衷居于扩p t 和扩a u 之间。此外由于照 射感生缺陷的缓慢恢复，使这类器件性能长期稳定性远不如扩p t 器件。但因其 性能也能满足要求不高的大量用途的需要，以及此技术具有简便、可控性好和成 本低的优点，目前应用还比较广。这一时期的理论研究成果至今仍有指导意义， 也是本论文的理论依据之一l i ”。理论研究指出：o 、厶和吩分别取决于小注入 寿命讥、空间电荷区产生寿命砬和大注入寿命舰。若要得到靠小同时矗也小 北京工业大学工学硕士学位论文 的良好折衷，必须比值( 砬忆) 大。在n 型硅中，( 耽忆) 值主要取决于复 合中心能级位置日，最越接近于禁带的边缘e c 或e v ，其值越大。在n 型硅中， p t 、电子照射感生缺陷和a u 的能级位置分别在e c 之下0 2 3 e v 、o 4 2 e v 和0 5 6 e v ， 它们的( 耽死) 值依序减小，所以相同。时而应依序增大，实验结果与理论 是一致的，其厶达到数量级的差别【1 3 】。在这一阶段中，对复合中心性质的理论 和实验研究得到如下结论：电子照射方法具有简便易行、成本低、可控性好等优 点，但其f r d 的性能折衷不如掺p t 好，并且由于照射感生缺陷的缓慢恢复使得 f r d 性能长期稳定性欠佳。掺p t 的f r d 性能折衷更佳，尤其反向漏电流小，对 高压器件尤为重要。同时p t 杂质是一种实际的重金属掺杂( 不是原子位移形成 的缺陷) ，性质十分稳定。因此，要制造高性能并且长期稳定可靠的f r d 产品 非掺p t 技术莫属。例如：美国功率开关器件的军品定点生产企业_ a p t 公司的 各种器件( f r d 、i g b t 、) 的寿命控制全用扩p t 技术，电视机、显示器中高 压硅堆等高质量产品用的也是扩p t 技术。 八十年代至今的约二十年，寿命工程的研究进入了一个新阶段，其中心集中 在复合中心浓度的空间分布，即轴向( 垂直于p n 结结面方向) 局域寿命控制方 面。前述的电子、中子等辐照产生的缺陷是轴向均匀分布的，扩p t 和扩a u 形成 的浓度分布是由k i c k - o u t 扩散机理决定的表面高中间低的u 形分布。这两种技 术都不能实现只在器件内部某个很小的轴向区域内引入局域复合中心。然而，研 究发现f r d 的各项性能参数( o 、厶、和s 等) 所敏感的低寿命区的轴向位 置是不同的，这就提供了一个进一步改善f r d 性能折衷的新的自由度一轴向局 域引入复合中心，即轴向局域寿命控制技术【1 4 - 1 6 】。有研究指出，如果在f r d 的 p n n + 结构中的n 。区引入局域复合中心的位置距p 氐。结的距离由远渐近，获得 最大改善的性能是o ，然后是s ，继而是吩【1 7 - 1 9 】。而测量电压下耗尽层中任何 位置的复合中心对厶贡献大致相同，因而局域掺杂应比均匀掺杂厶小得多。当 然这个问题十分复杂，仍是目前的研究热点。截至目前，国际上采用的形成局域 复合中心的技术只有h + 和h e ”注入，在其射程末端形成高度集中的高密度缺陷， 构成局域复合中心。该局部区域的轴向位置由注入能量控制；缺陷密度由注入剂 量控制；缺陷区宽度由相对平均偏离决定，但可通过不同能量多次注入的联合或 者通过加入散射挡板或背板来增加宽度1 2 0 _ 2 2 1 。h + 、h e 2 + 在不同能量时注入硅中的 深度范围为几微米至几百微米以上，适于各种耐压f r d 的局域寿命控制，而其 他离子注入的深度太浅，不切实用。实际注入中常采用两种方法：低剂量h + 、 h e ”注入和高剂量( 1 0 ”c m 。量级) h e ”注入。前者在射程末端形成的缺陷是点 缺陷，主复合中心能级为e t = e c o 4 2 e v 【2 3 _ 2 4 ；后者形成的缺陷是纳米空腔，主 复合中心能级是e t e c 一0 5 5 e v l 2 ”。目前国际上研究工作仍多数集中在局域复合 中心的位置、宽度、密度等对性能折衷的影响以及如何降低制造成本( 减少注入 次数) 等方面【2 6 2 引。但是，根据7 0 年代前述的研究结论，h + 、h e ”离子注入形 成的复合中心的能级过于远离e c 和e v ，必然造成f r d 的厶很大。文献【2 9 】报导， 低剂量h + 注入形成的局域缺陷层宽度不足1 0 u m ，而造成反向漏电流增大1 个数 量级；文献【3 0 】、 3 1 】报导，高剂量h e 2 + 注入形成的纳米空腔层宽度不足1 “m ， 竟然使厶增大5 个数量级；文献【1 8 】报导，低剂量h e ”注入形成的缺陷层宽度仅 仅1 2 m ，在注入剂量仅为1 0 ”1 0 ”c m 。时就使反向漏电流增大到击穿电压难 以维持，从而使追求更好f ，r 吩和更好f ，r s 的努力受到限制。特别是最新出版的 文献 3 2 】、 3 3 ，对电子照射、h 十、h e ”注入的f r d 进行了系统的实验对比，结论 是：由于旷、h e 2 + 注入技术引起的反向漏电流大而限制了可使用的最高注入剂 量，导致用h + 、h e ”注入局域寿命控制技术所得的f r d 的开关速度并不比电子 照射这种均匀寿命控制有显著改善，只是软度得到改善。正如该文所得结论指出， 反向漏电流过大是限制现有局域寿命控制技术的关键问题，它使得通过局域寿命 控制追求更高开关速度和其他性能折衷的努力受到了严重限制，不能取得显著优 于均匀寿命控制的f r d 性能，从而成为现有局域寿命控制技术发展的一道屏障。 综上所述，1 9 8 0 年前关于复合中心性质的研究得到结论：硅中扩p t 形成的 杂质能级最有利于f r d 各性能全面折衷，且掺p t 器件性能长期稳定可靠。但因 不能实现局域可控掺杂，性能折衷显然未达最优；1 9 8 0 年以后关于局域寿命控 制研究得到结论，用h + 、h e 2 + 离子注入可实现高度可控局域寿命控制，理论上 可使f r d 性能折衷优于均匀寿命控制，但h + 、h e ”注入感生的缺陷能级位置远 不如p t 能级好，造成反向漏电流过大，限制了局域寿命控制在改善性能折衷方 面潜力的发挥，除软度因子s 明显增大外，其他性能折衷未显出明显优势。并且 低剂量注入感生的缺陷( 高剂量形成的纳米空腔除外) 也会缓慢恢复，造成器件 性能长期稳定性欠佳。 1 3 本论文研究的内容及意义 前面已经提到，本实验室利用新型局域铂掺杂技术成功的制造出了快恢复二 极管。但是，所能达到的p t 的最高掺杂浓度不够高，有浓度饱和现象，相应的 二极管的。最低只能低至2 0 0 多n s 。显然是不够快，现在的先进f r d 的。都是 5 0 n s 左右。为解决这个浓度不够高的问题，本研究提出用n a i l o v o i d s 对p t 的汲 取作用以得到高浓度的p t 掺杂，迸一步降低肿。这一工作前人没有研究过。 本论文研究的内容主要包括： ( 1 ) 对大剂量h e 注入经退火后的样品中纳米空腔的形成及演变过程的研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 制作纳米空腔汲取铂的试验样品。 ( 3 ) 各种样品的正反向特性分析，d l t s 测试分析，c v 测试分析。 ( 4 ) 通过对杂质能级的分析，探询纳米空腔汲取铂的理论。 ( 5 ) 找出不同的v o i d s 长大温度下，汲取铂的最佳条件。 ( 6 ) 找出铂注入后不同退火温度下，铂汲取的最佳条件。 本论文研究的意义： 由于此项工作前人并没有研究过，因此具有一定的风险性。但是利用纳米空 腔汲取铂的试验如果获得成功，那么不仅能够在保证样管软度因子大，高温漏电 小的同时大大降低功率器件的开关时间，而且更是一种局域寿命控制理论的创 新! 这种寿命控制理论不仅能应用于功率快恢复二极管，而且也完全可以应用于 其他功率半导体器件。因此，本论文的研究对促进功率半导体器件技术进步和经 济发展意义重大1 1 4 本章小结 本章介绍了论文的研究背景以及功率快恢复二极管的研究现状。阐述了论文 研究的主要内容及意义。 第2 章深能级杂质对功率二极管性能的影响及其测量 第2 章深能级杂质对功率二极管性能的影响及其测量 我们知道半导体中若存在某些杂质或缺陷，则可能在禁带中出现一些能级， 那些离开导带底和价带顶较远的能级( 一般兰l l o e g ) 称为深能级( d e e pl e v e l ) 。 深能级的存在对半导体的电学、光学、热学性质都有深刻的影响，对半导体器件 的特性如：对二极管、晶体管的开关特性和击穿特性，对晶体管的放大特性，对 发光二极管的发光效率，对电耦合器件的电荷转移效率等方面都有重要的甚至是 决定性的影响，因此从实用的角度研究深能级杂质和缺陷具有十分重要的意义。 2 1深能级复合中心对二极管性能参数的影响 深能级杂质的存在能构成有效的复合中心，促使导带非平衡电子与价带非平 衡空穴的复合几率大大增加。半导体中的自由电子和空穴在运动中会有一定的几 率相遇而复合，使一对电子和空穴同时消失，这一过程称之为载流子的复合。从 微观机构讲，复合过程大致可以分为两种：直接复合一电子在导带和价带之间 的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合：间接复合一电子和空穴通过禁带中 的深能级( 复合中心) 进行复合。间接复合是硅中载流予复合的重要方式。 f h 、 图2 1 间接复合的四个过程 i 一俘获电子：i i 一发射电子；i i i 一俘获空穴；一发射空穴 ( a ) 复合前；( b ) 复合后。 f i g 2 1t h ef o u rp r o c e s s e so f t h ei n d i r e c tr e c o m b i n a t i o n i _ c a p t u r i n ge l e c t m n ；i i - e m i t t i n ge l e c 仃o n ；i i i 正印t l l r i n gh 0 1 e ；一e m i t t j n gh o l e ( a ) b e f o r er e c o m b i n a t i o n ；( b ) a f t e rr e c o m b i n a t i o n 禁带中有了深能级杂质作为复合中心的能级，就好像多了一个台阶，电子一 空穴的复合可分为两步走：第一步，导带中的电子落入复合中心能级；第二步， 这个电子再落入价带与空穴复合。复合中心恢复了原来空着的状态，又可以再去 完成下一次的复合过程。显然，还一定存在上述两个过程的逆过程。所以，间接 复合是一个统计性的过程。相对于复合中心e t 而言，共有四个微观过程，如图 北京工业大学，t 学硕士学位论文 2 1 所示。 i ：俘获电子过程。复合中心能级e t 从导带俘获电子 i i ：发射电子过程。复合中心能级e t 上的电子被激发到导带( i 的逆过程) ； i i i ：俘获空穴过程。电子由复合中心能级e l 落入价带与空穴复合。也可看 成复合中心能级从价带俘获了一个空穴； ：发射空穴过程。价带电子被激发到复合中心能级e 。上。也可以看成是 复合中心能级e 。从价带发射了一个空穴( i i i 的逆过程) s h o c k l e y - r e a d h a l l 统计方法【3 4 1 对这四个基本的跃迁过程做出了确切定量的 描述，由此可以推导出少数载流子通过间接复合的复合速率和少子的寿命。 间接复合的复合速率为： 睢丽毒焉筹 d f 口o ( 门o + 翻+ 玎1 ) + f 。o ( p o + 印+ p 1 ) 、。 式中， = j v ce x p ( ( e 一艮) ，)( 2 - 2 ) n = me x p ( ( b e ) 后r )( 2 3 ) 因为在耗尽区中，空穴与电子的变化速率相同，即6 n = 6 p ，所以载流子的寿 命可以定义为： r = 軎唰等等等h c 等等篡， a ， 在n 型硅中，因为p o 1 ) 的载流子寿命t h l 为： r m2 0 0 + 毛o ( 2 7 ) 第2 章深能级杂质对功率_ 二极管性能的影响及其测量 大注入时的载流子寿命讹越大，电导调制效应越明显，器件的正向压降就 越小。因此，我们希望珊，越大越好。 而在小注入时( h l s ，即可满足此条件。 把t = i 0 。+ ) 及坼( o ) 。兰，代入( 2 2 0 ) 式，则( 2 2 0 ) 式简化为： 吼卜 孑+ 毫i e x p ( 铷坼 弘z 。的 完全相似的分析，对于朋+ 样品p 型观察窗，有： 吼卜高+ 南e 蚓卜 p z 哟 ( 2 2 9 a ) 和( 2 2 9 b ) 是研究瞬态发射的一组基本关系式。 22 1 3 d l t s 的瞬态电容 p n 结电容和一个平行板电容相类似，若p n 结加上适当的反向偏置矿。，在轻 掺杂边产生了宽度为w 的耗尽层，则相应的结的微分电容为： c ：等 ( 2 - 3 0 ) 、 其中a 是结面积，s 为s ，的介电常数。它与金属平行板电容的最主要区别是它的 w 是随所加偏压的变化而变化的，这样c 不是常数，而是v 的函数。如果耗尽区 内深能级上聆，( r ) 发生变化，( 深能级上的电子发射到导带一部分流出结外形成瞬 态电流，一部分留在w 处成为感生电荷。) 将引起空间电荷区宽度z o ，) 一工眈) ， 即观察窗宽度的变化( 见图2 5 ) ，从而相应的引起c 的变化，产生瞬态电容讯号 c o ) ，这就是结电容技术的基础。由耗尽区电荷的变化引起的电容变化的瞬态 分析法。 对于p + 一n 结，当反偏时，耗尽层内产生载流予的耗尽，其反偏的瞬态电荷 的方程为： 警一警+ 警= 导警 p ， d td td tad l 、。 式中c 为样品的总电容，a 为电容结面积。 施主姆；= 叫。出，受主坦j = 州。出 深能级蟛= 胁，一唧o 瓜，一) = 一g g ，一协，o ) + g ( ，一唧o ) k ， 。 一尘筌些墼墼丝塑些塑些墼型坠一 式中符号_ = ( 一1 = x o ，) ( 2 3 1 ) 式说明当加上一个交变电压时，对p + 一 结可以认为p + 区一边不动，而 在n 型区的边界处的宽度有一个变化，前两项说明当边界处的宽度变出，时，引 起的电荷的变化( 浅能级) ，而第三项说明整个深能级上电子的变化情况。 在整个的测量过程中矿，保持不变，即d 一= o ，方程( 2 3 1 ) 为： 出。 x ，一xd n d na 斗n t n t ( 2 - 3 2 ) 之所以d = o ，而出，o ，主要是深能级荷电态的影响。在o 斗t 范围内积 分，可得瞬态发射过程中耗尽层宽度_ ( ，) 的变化关系。( 注意为常数) h 糍叫n 等笨拦箍 陋，s ， xr 婶1 一xd n d n 七n t n t 婶) e 设_ o ) = - ( o ) 一缸，o ) ，则( 2 3 2 ) 式为： 一箍h ，+ 高 以及箍小 ，+ 矗瀚 - 】 势垒区电容 c 舻错q = 器 ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) 其中为自由空间介电常数，= 8 8 5 1 0 “4 法拉厘米f 为半导体介电常 数，f ，= 1 1 7 x ：兰型 c 。：型 “9 c 。 c 0 是t = o 时的瞬态初始电容，后面的巴表示t ”f 。时的电容 妒( 击一书，爿 由( 2 2 9 ) 式，可得( 2 3 5 ) 式中的 舶卜小抓h x p ) 把( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 式代入( 2 3 5 ) 式 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 北京工业大学t 学硕士学位论文 f c l1 一 c o ) = 1 一jl 一 ，灿+ b ) 1 】 ， i 一( 1 + b ) 一1 】 其中c o ) = c o ) 一c 。 对( 2 - 3 9 ) 式直接化简得 础，= 等：譬： ，1 若r “。一j v ，t “l ，则b ( t ) “1 ，c 。 c 。， 一级近似为： 嘶) = c o ( ，一弘 ”，( 0 ) = ，且把b 的表达式( 如下) 及 l f 1 鱼 lc 9 c o 愕弘 1 + 望 c 。 “+ b ( 2 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) b 2 f 激 删。叫n e d ) c ( f ) = c ：d ( ，一钏芒万忙n 一( ) = c o 1 _ e 坤( 肛a z ， 蜘_ c 0 】2 嵫 ，一导 志心n e x 积) 即c ”c o = c ：。旧j 志忙 啦 c o ) = c o e x p ( j ( 2 4 3 ( 2 _ 4 3 ) 式就是由于深能级的存在，当加到p n 结上一个脉冲信号所引起的瞬态电 容变化的表达式，它是随时间的一种指数变化，这种电容的瞬态变化构成了d l t s - 1 8 、li叶“i_ 一 ， h q 到 ” 得 燃 p 掉略忽量小级 二 为 口 q q 技术的基础 2 2 1 4 d l t s 的测试原理 前面我们分析了由于深能级的存在，当加上脉冲信号时所引起的电容变化的 情况，它构成了d l t s 测量的基础。这种测量是通过深能级瞬态谱仪实现的。 图2 6 深能级瞬态谱仪的工作原理 f i g 2 6t h ep r i n c i p l eo f m e a s u r ef o rd l l s 对于c ( f ) 这样快而微弱的信号，要真接测出来是非常困难的，我们是把瞬态 电容仪测量到它的驰豫电容信号加到一个成为“率窗”的装置中，也就是说通过 “率窗”把高频的瞬态信号加工成了变化缓慢又能提供所需信息的一种谱s ，以 便观察和记录。为抑止噪声，率窗常用“锁相放大器”，b o x c a r 双门信号平均器 等装置p 。在一次测量中“率窗”被调整到某一个发射率上，则这时仅当输入瞬 态电容信号的衰减时间常数f 为一固定值才能通过率窗。样品二极管作温度扫 描，从液氮温度( 7 7 k ) 逐渐升温，深能级上电子的热发射率e 。仃) 是温度的函数， 随t 升高呈指数形式增长，因为电容讯号的衰减时间常数r = 8 。1 ( 丁) ， 后面将 要证明 ，此温度改变到使电子热发射率口。( r ) 正好等于“率窗”的固定发射率值 时，“率窗”输出为极大值，用x y 记录仪x 轴表示温度t ，y 轴表示“率窗” 输出，就得到了表示深能级的谱叫做深能级瞬态谱( d l t s 谱) 。 试验所用仪器使用的是b o x c a r 平均器执行率窗的功能，取样时间间隔 和 之差构成了d l t s 的窗口时间( 即率窗) ，其中， = 0 5 。比值适当取大一点， 对减小误差是有利的，但这减小了c 。：讯号。c l ，= c o ：) 一c o ，) 。我们假定 对样品进行温度上升扫描，测量n 型样品中的电子陷阱即多子陷阱，设每次电压 波形以k 突变到矿：的瞬间记作t o ，然后在和f ，作两次测量，测得c ( f ) 和 c ( f ：) 。在温度太低时，由于衰减太慢，c ( ) 和c ( f ，) 几乎没有变化，因而c “，) 一 c “) 很小；在温度太高时，由于衰减太快，同样c ( f ：) c ( f 1 ) 很小，若瞬态信号 的衰减时间常数与率窗时间相等，率窗输出达极大值，连续改变样品温度，则率 北京工业大学工学硕士学位论文 窗输出端会分别呈现出与各个陷阱相对应的信号峰。如图3 所示。 v c 【 a _ 卜 兮、一 p、 - 。1 ，一 j j i 图2 7d l t s 谱峰原理示意图 f i g 2 7p r i n c i p l ep i c t u r ef o rt h ep e a l ( o f d l t ss p e c t m m 对于同一个窗口，每一个峰对应一个能级，而对于同一个深能级，改变率窗 则其峰值就会发生移动。