??二極管的局域壽命控制技術(shù)
在最近幾十年里，控制平行于pn結(jié)軸向方向上復(fù)合中心的空間分布成為一種非常具有吸引力的改善器件折衷性能的新技術(shù)。理論及實(shí)踐均已經(jīng)預(yù)示著能夠找出一種最有利于折衷問(wèn)題的載流子濃度分布，以PiN二極管為例，大量的研究和實(shí)驗(yàn)表明，在保持相同通態(tài)壓降的條件下，向基區(qū)中陽(yáng)極附近摻入濃度較高的局域缺陷，能夠得到比經(jīng)典壽命控制技術(shù)更短的關(guān)斷時(shí)間、更小的反向過(guò)沖電流和更大的軟度，這優(yōu)化了器件的性能，即實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的性能折衷，改變空間載流子濃度分布形狀的有效方法之一是改變基區(qū)中少子壽命的空間分布形狀，也就是說(shuō)局域可控地引入復(fù)合中心。對(duì)于傳統(tǒng)的壽命控制技術(shù)，深能級(jí)金屬雜質(zhì)具有很高的擴(kuò)散系數(shù)，而電子輻照產(chǎn)生均勻分布的復(fù)合中心，均不能產(chǎn)生局域較窄的復(fù)合中心分布。如罘能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷在軸向的分布可控，即局域壽命可控，就為器件性能折衷的優(yōu)化提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)參數(shù)和更大的設(shè)計(jì)自由度，相對(duì)于傳統(tǒng)的壽命控制技術(shù)在整個(gè)器件中大范圍引入復(fù)合中心，這類新的壽命控制技術(shù)被稱為局城壽命控制技術(shù)。
輕離子照(一般是α粒子或質(zhì)子)是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)局域壽命可控的技術(shù)，在功率器件領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注和深入研究。它可以在器件內(nèi)部引入一個(gè)較窄區(qū)域的缺陷區(qū)，只是使該區(qū)域的少數(shù)載流子的壽命降低，來(lái)優(yōu)化器件動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數(shù)的折衷。其原理同電子輻照是一樣的，都是利用輻照感生缺陷作為復(fù)合中心來(lái)控制少數(shù)載流子的壽命，圖1、2顯示了由SRIM-98( the Stopping and Range of Ions in Matter)仿真得到的α粒子及質(zhì)子注入到硅體內(nèi)產(chǎn)生的初級(jí)空位缺陷的分布狀況。
但是輕離子的質(zhì)量較電子大，離子注入的射程短，如果輕離子的射程小于器件軸向的尺寸，就會(huì)在輕離子的射程末端形成比其他位置高得多的缺陷密度，如圖5、6所示，感生缺陷的空間分布由缺陷峰和缺陷拖尾兩部分組成。缺陷峰的位置可以通過(guò)輻照的能量來(lái)控制。質(zhì)子(即氫離子)和α粒子(即氮離子)這兩種輕離子的射程可達(dá)幾十至幾百微米，與幾十至幾千伏功率器件的軸向尺寸屬于同量級(jí)，符合設(shè)計(jì)的要求，例如:質(zhì)子在1~5.5MeV的能量下或a粒子(即氫離子、質(zhì)量大約是質(zhì)子的4倍)，在4~22MeV的能量下注入硅體內(nèi)的射程能夠達(dá)到18~250µm，產(chǎn)生的缺陷峰值濃度在
之間，而其它的離子的射程太短。輻照主要的感生缺陷是VO(-/0)(氧-空位對(duì)缺陷、Et=Ec-0.16eV)和V2(-/0)(雙空位缺陷、Et=Ec-042eV)，前者影響大注入壽命τHL(見(jiàn)式1，該值是影響器件正向特性及關(guān)斷特性的一個(gè)主要因素)，后者影響小注入時(shí)的載流子復(fù)合及耗盡區(qū)載流子的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)處于施主狀態(tài)的能級(jí)會(huì)改變半導(dǎo)體器件的動(dòng)態(tài)電特性。
(1)NT復(fù)合中心的濃度
Τn0、τp0為少數(shù)流子壽命
盡管質(zhì)子和a粒子感生缺陷的能級(jí)位置不佳，見(jiàn)圖3，但由于它們是能夠?qū)崿F(xiàn)少數(shù)載流子壽命軸向可控的目前唯有的手段，所以國(guó)際上對(duì)局域壽命控制的研究也集中在這里。
低劑量a粒子輻照感生的點(diǎn)缺陷有雙空位缺陷(V2)、氬-空位對(duì)缺陷(VO)(-/0)和碳-氧原子對(duì)缺陷(COV(-/0))。深能級(jí)能級(jí)位置見(jiàn)表1，圖4、5給出了α粒子輻照器件DLTS測(cè)試的結(jié)果。
其中在復(fù)合中起主導(dǎo)作用的是氧-空位對(duì)和雙空位，在圖6中分別對(duì)應(yīng)于少子俘獲中心E1和E4。由于前者的能級(jí)位置是Ec0.16eV，后者的能級(jí)位置在Ec-0.42eV，靠近禁帶中央，該能級(jí)決定了器件漏電流的大小，所以E4為高能He2+照在硅中產(chǎn)生的在主導(dǎo)能級(jí)。出于α粒子的質(zhì)量較大，它產(chǎn)生的雙空位缺陷多于質(zhì)子輻照和電子輻照，而雙空位是深能級(jí)缺陷，因此注氮器件的漏電流要大于注氫和電予輻照的器件，更會(huì)大于擴(kuò)鉑器件。高壓功率器件往往軸向尺寸較大，要求注入的深度較深，利用目前的商用離子注入機(jī)進(jìn)行α粒子輻照往往不能達(dá)到設(shè)計(jì)的射程要求，所以在現(xiàn)有情況下a粒子輻照還未廣泛應(yīng)用。但是，α粒子輻照的能量利用率高于質(zhì)子輻照、射程末端的缺陷分布更集中，這有利于對(duì)載流子的壽命進(jìn)行精確控制，對(duì)一些要求注入深度不深的器件很有效，見(jiàn)圖1。
低能量下的質(zhì)子輻照會(huì)產(chǎn)生與a粒子輻照相似的缺陷，如氧-空位缺陷和雙空位缺陷仍是主導(dǎo)復(fù)合缺陷，主要能級(jí)參數(shù)如表2所示，但不同于α粒子的是，質(zhì)子感生的缺陷會(huì)相互作用產(chǎn)生與氫相關(guān)的缺陷( SHD-Shallow Hydrogen-related Donors)和淺熱施主雜質(zhì)( STD-Shallow Thermal Donors)，SHD對(duì)復(fù)合沒(méi)有太大作用，可以忽略，但是STD在射程末端蜂處的含量最高，可以很大程度的改變?cè)鹊膿诫s濃度分布，所以如果在耗盡區(qū)注入過(guò)多的質(zhì)子感生缺陷會(huì)削弱器件的擊穿特性，實(shí)驗(yàn)證明3MeV質(zhì)子輻照可以得到一個(gè)比較理想的雙空位和氧空位濃度之比。質(zhì)子的質(zhì)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。在現(xiàn)有商用離子注入機(jī)的能量下，可以注入幾百微米深，能夠達(dá)到高壓功率器件的設(shè)計(jì)要求。
從上面的分析可以看出，質(zhì)子、a粒子輻照在關(guān)斷過(guò)程中起復(fù)合作用的主導(dǎo)能級(jí)都在導(dǎo)帶下的0.42eV處，它的能級(jí)位置遠(yuǎn)不如擴(kuò)鉑形成的缺陷。因此輕離子輻照技術(shù)制成的器件的漏電流較大，限制了大劑量注入的應(yīng)用，成為改善開(kāi)關(guān)性能的障礙，嚴(yán)重的影響了其實(shí)用價(jià)值。
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