Abstract:This article reviews the lifetime control techniques for high-voltage power devices.Especially, an empha-sized analysis and prospect are focused on high-energy H+and He2+irradiation,the axial lifetime control techniques aremost possible to promote great improvement and progress of power devices.
Key words:semiconductor; semiconductor device/lifetime control technique; light ion irradiation
摘要:对应用于高压功率器件的寿命控制技术进行了述评。着重分析了高能H+辐照、He2+辐照等局域控制工程论文寿命控制技术,利用这种技术有可能实现高压功率器件突破性的进展。
关键词:半导体;半导体元器件/寿命控制技术;轻离子辐照
1 引 言
高压功率半导体器件用于高压功率电路可实现电能的高效率传输、转换及其过程控制,因此广泛应用在工业、商用、民用、航空和军事等方面。其发展可分为以下里程:在20世纪60年代,广泛使用的高压功率器件是双极晶体管和晶闸管;70年代,由于精细线条加工工艺的发展使制造GTO成为可能,这种器件于80年代早期已被广泛应用,同时,功率MOSFET也取得了很大的发展;80年代中期,IGBT研制成功,它具有单极MOSFET工作频率高和双极晶体管通态压降低的优点,对推动了功率电子技术的发展,起到了变革性的作用;90年代早期,智能功率模块(IPM)研制成功,它将驱动电路和电流、电压传感电路等集成在一块功率芯片上,是今后研究的热点,具有很大的市场潜力。
目前,电流处理能力可达数千安,耐压可达数千伏乃至近万伏的高压功率分立器件有IGBT功率模块、GTO和晶闸管。在实际使用中,这些器件都必须并联快恢复二极管(高压领域采用P-i-N二极管),用以续流或抑制过压。在应用时器件自身的功耗是最重要的参数。器件的功耗分为:①导通状态下的通态功耗;②开关过渡过程中的开关功耗。前者由通态压降决定,是低频工作时的主要功耗;后者由开关时间决定,是高频工作时的主要功耗。导通状态下,由于基区高度电导调制,因而器件的通态功耗很低,可达到很高的额定电流和额定功率。然而在反向关断时必须全部抽出及复合导通时积累的大量少数载流子,由于复合过程较长,使得器件不能迅速关断。总的来说,注入的少数载流子的浓度越高,器件的通态压降、通态损耗越小,但开关时间、开关损耗越大,因此二者之间存在着折衷。
实现半导体功率器件通态性能与开关性能折衷的技术可归为两大类:阳极发射效率控制技术和寿命控制技术,在器件的制造中往往两者结合使用。以下着重论述寿命控制技术。
2 寿命控制技术
寿命控制技术的原理是向器件内部引入空间分布适当的复合中心,以有效减小少子寿命,提高器件开关速度。对复合中心的研究主要集中在复合中心的能级位置ET,电子俘获系数Cn,空穴俘获系数Cp,退火温度等方面。现有用于高压功率器件的寿命控制技术分为传统寿命控制技术(扩金、扩铂、电子辐照)和局域寿命控制技术(H+,He2+等轻离子辐照)。引入的复合中心能级位置如表1所示。
Baliga利用Shockley-Read-Hall复合模型推导得出复合中心能级位置与不同注入电平下少子寿命之比关系的一组公式[2]。利用这组公式,可得到计算结果:二极管的漏电流随复合中心能级趋近于禁带中央而急剧增大,因此主复合中心能级位置靠近禁带中央的硅器件在高温(>100℃)时的漏电流会很大。如扩铂制成的器件在高达170℃下仍能稳定工作(其主复合中心能级位置在Ec-0.23 eV,远离禁带中央),而扩金器件的漏电流在100℃时会比扩铂器件大一个数量级左右,高温时已不能稳定工作(其主复合中心能级位置在Ec-0.55 eV,处于禁带中央)。要求功率器件能在很宽的温度范围内稳定工作就必须在复合中心能级位置远离禁带中央的条件下对通态功耗与开关功耗等性能进行折衷。
3 传统寿命控制技术
传统寿命控制技术主要有扩散贵金属(扩金和扩铂)和电子辐照两种。这两种技术都是在整个器件中大范围地引入复合中心,通过控制引入复合中心的浓度来调节器件通态功耗与开关功耗的折衷。
3.1 贵金属掺杂
贵金属原子通过硅表面向器件内部扩散形成点缺陷,缺陷的形式有:间隙原子缺陷和替位原子缺陷。这里着重介绍替位原子缺陷。替位原子缺陷是贵金属原子将硅原子“踢出”(Kick out)并取代其位置,这种缺陷是电活性的,是有效的复合中心。贵金属原子通过Kick Out扩散机制在硅中引入复合中心的过程是:扩散之初,金属原子以间隙原子的形式快速进入半导体中,随后金属间隙原子会踢出并替位硅原子,形成贵金属替位原子和硅间隙原子。这种金属原子与硅原子换位过程是可逆的,只有被踢出的硅间隙原子去除后才能形成稳定的贵金属替位原子,这样才能在整个器件内部引入适当浓度的有效复合中心。如图1所示,金、铂原子浓度分布为U型槽结构,这是因为表面区的硅间隙原子因高温外扩散而从硅片中消除掉。金、铂在硅中的扩散有许多复杂的行为特性,很难精确地控制整个扩散过程和由此形成的缺陷浓度。此外,因扩散是在电极制作前进行的,对性能不合格的产品不能再次扩散。
但是,扩铂形成的替位原子是稳定的原子缺陷,因此器件的高温稳定性好。同时铂在硅中具有远离禁带中央的理想的能级位置,所以扩铂器件的漏电流非常低,且扩铂对器件的击穿电压影响较小。基于这些优点,与扩金、电子辐照和轻离子辐照相比,铂形成的缺陷是较理想的复合中心[3]。
3.2 电子辐照
电子辐照寿命控制技术是利用电子辐照在半导体内部感生缺陷作为复合中心,达到控制少子寿命的目的。辐照进入半导体的电子与硅原子碰撞并产生间隙缺陷(硅)和空穴等基本缺陷。基本缺陷与硅原子或缺陷之间会相互作用,产生次级缺陷。这些缺陷都极不稳定,通过200~350℃退火即会陆续完全消失。电子辐照感生的主要电活性缺陷是VO(-/0)(氧-空位对缺陷)和V2(-/0)(双空位缺陷),见表1(c)。前者能级位置在Ec-0.16 eV,靠近导带,因此它决定了大注入时的少子寿命,而后者能级位置在Ec-0.42 eV,靠近禁带中央。决定了小注入时少子寿命和耗尽区内的载流子产生寿命。这两种缺陷的浓度主要取决于半导体材料、辐照剂量和能量、退火温度及时间等条件。因电子的质量很小,故产生的VO(-/0)缺陷很多,而V2(-/0)缺陷很少。目前电子辐照能量选择在0.5~15 MeV之间,此能量范围内的电子可完全贯穿器件,在整个器件内部形成分布均匀的感生缺陷,其分布如图1所示。
电子辐照的优点在于:通过控制电子辐照的剂量能精确地控制感生缺陷的浓度;电子辐照感生的深能级缺陷V2(-/0)较少,因此与H+,He2+辐照相比,电子辐照制成的器件漏电流较小;辐照感生缺陷的退火温度不高,可以在器件封装后进行辐照,若在辐照过程中剂量未掌握好,可对器件进行低温退火消除感生缺陷,重新辐照,以有效地降低废品率[3]。
电子辐照的缺点是:电子辐照感生的缺陷不稳定,在较低温度下就会退火消失,因此电子辐照制成的器件长期稳定性不好;耗尽区内的载流子寿命由深能级缺陷V2(-/0)决定,所以,与扩铂器件相比,电子辐照制成的器件漏电流偏大[3]。
4 局域寿命控制技术[4]
4.1 轻离子辐照局域寿命控制技术的原理
轻离子辐照作为目前唯一能够实现局域寿命可控的技术而受到广泛关注和深入研究。它与电子辐照相似,都是利用辐照感生的缺陷作为复合中心来控制少子的寿命。轻离子的质量较电子大,所以注入的射程较短。如图1所示,若轻离子的射程小于器件的轴向尺寸,就会在射程末端形成缺陷浓度比其他位置高得多的缺陷峰(即高浓度复合中心区),辐照表面与缺陷峰之间的缺陷密度只是缺陷峰处的10%~20%,称为缺陷拖尾。缺陷峰的位置可通过辐照的能量来控制。在现有可利用的离子注入能量下,只有H+,He2+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,符合使用要求。
与传统寿命控制技术相比,轻离子辐照形成的缺陷峰的位置为器件性能的优化提供了新的设计自由度。除了辐照能量以外,辐照工艺的设计还包括准确地选定辐照剂量。然而,对器件仅进行一次轻离子辐照只能得到宽度固定的缺陷峰,因而不能形成任意的复合中心浓度分布。为了获得更大的设计自由度,可对器件进行多次辐照以形成任意的复合中心浓度分布。实验证明,多次轻离子辐照或轻离子与电子结合辐照均能得到比单次轻离子辐照更优的器件性能折衷[4]。但是,多次辐照结合使用的成本很高,大大限制了其应用。为了低成本地实现复合中心浓度分布的任意可控,可以在器件与辐照源之间放置掩膜板。掩膜板厚度大的地方轻离子穿过后的能量低,注入的深度就浅,反之注入深度就深,因此能够实现任意的复合中心分布。
除了轴向寿命控制以外,通过控制复合中心横向(pn结结面)浓度分布,可进一步优化器件性能折衷。如果将轴向寿命控制与横向寿命控制结合使用,就能得到一种三维寿命控制技术[5]。
4.2 H+,He2+辐照感生缺陷的特性
低剂量H+,He2+辐照感生的缺陷有:双空位缺陷、氧-空位对缺陷和H+,He2+-空位对缺陷。在复合中起主导作用的是氧-空位
