快恢復(fù)二極管的短載流子壽命控制技術(shù)

  在很多情況下特別是對那些需要工作在較高類率的器件而言，縮短載流子壽命，進(jìn)而對恢復(fù)電荷、關(guān)斷時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制是十分重要的。具體對于快恢復(fù)二極管應(yīng)用載流子壽命控制技術(shù)要求盡量減小存儲電荷Q_rr、加速Q(mào)_rr的消失過程以及設(shè)法使Q_rr的消失過程變緩。
 
  在功率器件制造工藝中，可以通過金、鉑等金屬雜質(zhì)的擴(kuò)散來引入有效復(fù)合中心，從而降低載流子的有效壽命，也可以在器件制作的最后進(jìn)行高能電子輻照等對載流子壽命進(jìn)行控制。金屬雜質(zhì)的濃度分布通常呈U形，在硅晶片的兩側(cè)表面濃度較高，在中間部分分布較為平緩；電子輻照產(chǎn)生的缺陷濃度為軸向均勻分布，兩類技術(shù)產(chǎn)生的缺陷濃度分布如圖1所示。

 
  金屬中銅的擴(kuò)散系數(shù)最高，但往往會在高位錯(cuò)密度區(qū)形成團(tuán)簇，從而使器件的擊穿特性變壞，金和鉑是最常用的有效復(fù)合中心，它們可以在800~1000℃溫度范圍內(nèi)向硅體內(nèi)擴(kuò)散直至飽和。盡管向硅中擴(kuò)散貴金屬用以降低載流子壽命的雜質(zhì)的方法十分簡單易行，不需要進(jìn)行精確的控制，但往往會導(dǎo)致載流子壽命分布的不均勻以及熱斑的形成。因?yàn)樵摬僮魇窃诮饘倩郧斑M(jìn)行的，不能像輻照技術(shù)那樣可以前后對器件的特性進(jìn)行檢測、修正。
 
  在輻照技術(shù)中，高能粒子可以穿入半導(dǎo)體，與晶格原子的相互作用失掉能量并使晶格的正常位置成為可替位的各種缺陷，主要包括空位、雙空位、雜質(zhì)-空位對、間隙原子以及雜質(zhì)-空位-間隙原子復(fù)合體等復(fù)雜空位，所有這些缺陷均會在硅內(nèi)形成復(fù)合中心。不同的情況下可能會是不同的空位占主導(dǎo)地位，比如在重?fù)诫s磷的硅中磷空位缺陷占主導(dǎo)地位，在用于制造功率器件的高阻材料(無論N型還是P型)雙空位均占主導(dǎo)地位。甚至在較低的溫度下這些空位在硅體內(nèi)也具有較高的遷移率。輻照技術(shù)可以利用電子，中子、質(zhì)子、a( alpha)粒子和y(gama)射線對硅進(jìn)行輻照，對應(yīng)某一給定的能量，透射深度近似與粒子的質(zhì)量成反比，除了電子照感生缺陷為均勻分布以外大部分的輻照損傷往往會集中在粒子射程末端，如圖2所示。圖中X_max為缺陷峰的位置，和離子的能量以及荷質(zhì)比有關(guān)，N_T為感生缺陷濃度。  
  γ輻照的入射深度很大，可以對金屬化后及封裝好的器件的載流子壽命進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，它會損傷p-n結(jié)表面終端結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使器件擊穿特性變壞。一般應(yīng)用較多的是電子輻照，在金屬化后、器件封裝前，利用能量為幾MeV的電子射線對器件進(jìn)行輻照。電子的入射深度一般為幾毫米(例如，能量為3MeV的電子的入射深度大于6mm)，且形成的缺陷可以在器件內(nèi)均勻分布。深能級的濃度與輻照劑量成正比，而深能級的濃度又可決定載流子壽命τ，見式1。   其中，τ₀為輻照前載流子壽命，K為隨電子能量微小變化的常數(shù)，Φ為輻照劑量，通常以C/m²為單位。電子輻照可以對劑量進(jìn)行精確的監(jiān)控，而且可重復(fù)操作性較強(qiáng)。
 
  中子輻照的入射深度比電子照淺。根據(jù)輻照粒子能量的不同，入射深度可以在幾微米到數(shù)百微米間變化。利用粒子射程末端輻照損傷的增加，可以通過控制輻照能量在器件表面下不同深度處形成所霱的低壽命區(qū)域，從而可以優(yōu)化雙極型功率器件靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)之間的折衷。中子輻照陷阱能級主要來源于空位復(fù)合體及注入的氫相關(guān)能級。
 
  利用α粒子，即He²⁺離子，對硅進(jìn)行輻照可以得到與中子輻照類似的效果。因?yàn)閍粒子具有較大的質(zhì)量，需要較高的能量(典型值約為10MeV)才能入射到與其它粒子同樣的深度。中子和a粒子輻照都需要在真空中進(jìn)行，所需設(shè)備成本較高。
 
  輻射造成的某些損傷是不穩(wěn)定的，需要在器件工作溫度左右(比如250~300℃)對其進(jìn)行幾個(gè)小時(shí)的退火處理，以去除這些缺陷。但即使這樣處理也很難確保器件工作的長期穩(wěn)定性。
 
  另外，通過改變器件的結(jié)構(gòu)也可以達(dá)到少數(shù)載流子控制的目的，比如:改變材料的電阻率、雜質(zhì)分布以及革區(qū)的厚度等。



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