“ Время жизни носителей в высокоомном кремнии.
Влияние времени жизни носителей на основные параметры высоковольтных приборов, основанных на кремнии.”
Содержание:
Введение
1. Обзор литературы
2. Определение времени жизни по стандарту ASTM F28-91
3. Механизмы рекомбинации
4. Выводы
Введение
Рассмотрим биполярные приборы. Их работа связана с инжекцией неосновных носителей, особенно для приборов, которые работают в области высоких напряжений, чрезвычайную важность имеет время жизни носителей для таких параметров как: падение напряжения в открытом состоянии , динамические характеристики, поткри при выключении. Обычно путём облучения электронами, протонами или легированием примесями , дающими глубокие уровни в кремнии достигается компромисс между этими конкурирующими параметрами. Для характеризации высокоомного кремния , его структурного совершенства время жизни также является важным параметром. Поэтому большой практический интерес представляет измерение времени жизни, возможность его регулирования.
Изменение времени жизни носителей может оказать существенное влияние на характеристики прибора в зависимости от температуры. Например, для многих приборов, таких как высоковольтные транзисторы, необходим
большой температурный диапазон работы, в пределах 40 ° С - 125 ° С.
Для этого решаются стандартные уравнения диффузионно – дрейфового приближения в программах моделирования полупроводниковых приборов
одномерных и двумерных. Чаще всего здесь используется модель рекомбинации Шокли – Холла - Рида для одного уровня в запрещённой зоне. С помощью уравнения можно описать время жизни для электронов и дырок в этой модели
t р =1 / s p V th N t t n =1 / s n V th N t (1.1)
где:
N t – концентрация рекомбинационных центров.
V th = (3kT/m) 1/2 » 10 7 см/сек – тепловая скорость носителей
s p , s n – сечение захвата электронов и дырок соответственно.
Можно предположить, что t n,р меняется с температурой как Т -1/2 В, если пренебречь зависимостью s p , s n от температуры. Однако, многочисленные опыты показывают, что эта зависимость t n,р гораздо сильнее. Температурную зависимость времени жизни можно определить:
t р ~ T 2.8 t n ~ T 2.2 (1.2)
Также необходимо учитывать при моделировании приборов зависимость времени жизни от концентрации акцепторной и донорной примеси. Такая зависимость определяется формулой :
t n,p (x) = t n,p / (1+( {N a (x)+N d (x)}/3*10 15 ) 1/2 ) (1.3)
Было проводено 2-х мерное моделирование зависимости тока управляющего электрода в GTO (Gate Turn Off thyristor) от температуры. Для этого использовалась модель подвижности Даркеля и Летурка, учитывающая эффекты рассеяния носителей заряда на носителях, которые возникают при достаточно высоких уровнях инжекции, также были внесены изменения температурной зависимости подвижности носителей. Здесь также учли диссипацию энергии при протекании тока и энергию рекомбинации. К сокращению времени жизни дополнительно в высоколегированных областях ( по Шарфеттеру) n-эмиттера использовался коэффициент 0,8, который учитывает эффекты геттерирования и еще коэффициент 0,3 в высоколегированных слоях р-эмиттера , учитывающий вжигание аллюминиевой металлизации на анодном контакте. Ток, рассчитанный по этой модели ставился в сравнение с экспериментальным. В результате можно получить зависимость времени жизни (рис. 1.1)
Рис. 1.1. Температурная зависимость времени жизни
Рассмотри график, приведенный выше, при температурах от 25 ° С до 125 ° С линейно возрастает время жизни в зависимости от температуры.
Постепенно из-за массового выпуска IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), появляется вопрос о качественном тестировании времени жизни носителей прямо на кристалле прибора. Начинает рассматриваться вопрос о использовании для этой цели p-i-n диодов. Разрабатываются различные структуры, например тестовая структура, изготавливаемая непосредственно на кристалле IGBT и применяемая непосредственно для контроля времени жизни. Где приводятся вольт – амперная характеристика и значения падения напряжения на диоде в зависимости от времени жизни в n — базе. Максимальная плотность тока в диоде 100 А/см 2 . Тестируемые значения времени жизни от 4 до 100 m сек. По методу восстановления обратно смещенного диода поверялись определенные времена жизни по падению напряжения.
Но для уверенного определения времени жизни, площадь тестовых элементов, имеющихся на скрайбовой дорожке кристалла может быть мала. ИФП СО РАН был разработан метод, который позволяет определить время жизни на рабочих структурах МСТ после соответствующих технологических обработок. Такой метод характеризуется, как восстановление обратно смещенного диода, где в качестве катода применялся Р-карман над которым находился контакт к затвору транзистора. В процессе измерений сравнивались кристаллы МСТ, изготовленные по одному технологическому маршруту на двух предприятиях – АО “Ангстрем” и АО “Восток”. Средние значения времени жизни составили – 40,3 мкс (АО “Ангстрем”) и 11,6 мкс (АО “Восток”). Из сравнения времен жизни видно, насколько важна технологическая чистота процессов, используемых при изготовлении высоковольтных приборов. Недостатком метода является то, что этот метод – разрушающий.
Так как время жизни жизни в высокомной базе определяет такую важную характеристику прибора как , как потери энергии во время выключения прибора, то в литературе уделяется большое внимание регулированию этого параметра. В качестве одного из методов применяется облучение протонами эмиттерной (анодной) стороны прибора [15]. Эта технология позволяет уменьшить потери при выключении прибора путем введения большого числа рекомбинационных центров и уменьшения времени жизни носителей в базовой области , примыкающей к аноду. В работе [16] в качестве примера рассматривался IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) c напряжением блокирования 4,5 кВ. Для облучения применялись протоны с дозами 5 × 10 11 см -2 и 7 × 10 11 см -2 . Об энергиях протонов в статье не сообщается, но по глубине залегания радиационных дефектов можно сказать, что она не менее 2 МэВ. Падения напряжения в открытом состоянии составили не менее 4,7 и 5,4 В соответственно при плотности тока 100 А/см 2 . Потери энергии при выключении составили 35 mДж/см 2 и 25 mДж/см 2 . Однако при повышении дозы облучения на ВАХ появлется участок с отрицательным динамическим сопротивлением, что приводит к осцилляциям тока и ухудшению характеристик прибора. В статье [16] указано на необходимость точного подбора дозы облучения.
Регулирование времени жизни представляет интерес не только с точки зрения его уменьшение. Падение напряжения в низколегированой области зависит от величины времени жизни. В процессе технологических обработок пластины загрязняются примесями, многие из которых представляют из себя рекомбинационные центры. Поэтому встаёт вопрос о геттерировании таких примесей в процессе технологических обработок с целью повышения времени жизни носителей. Вопросы геттерирования подробно рассмотрены в [17] .
2. Определение времени жизни по стандарту ASTM F28-91
Cтандарт ASTM F28-91 определяет порядок и условия определения обьемного времени жизни носителей в германии и в кремнии. Эта стандарт основан на измерении спада импульсного тока вызванного импульсной засветкой образца.
Другие стандарты измерения времени жизни:
1) DIN 50440/1 “Измерение времени жизни в монокристаллах кремния на основе спада фототока”
2) IEEE Standart 255 “Измерение времени жизни неосновных носителей в кремнии и германии на основе спада фототока ”.
Стандарт ASTM F28-91 определяет три типа образцов, применяемых при измерениях. Типы образцов приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Размеры образцов, применяемых при измерениях.
|
Тип образца |
Длина, мм |
Ширина, мм |
Высота, мм |
|
A |
15,0 |
2,5 |
2,5 |
|
B |
25,0 |
5,0 |
5,0 |
|
C |
25,0 |
10,0 |
10,0 |
Таблица 2.2 Максимально допустимые обьемные времена жизни неосновных носителей для разных полупроводников и образцов , m сек.
|
Материал |
Тип А |
Тип B |
Тип C |
|
p-тип германий |
32 |
125 |
460 |
|
n-тип германий |
64 |
250 |
950 |
|
n-тип кремний |
90 |
350 |
1300 |
|
р-тип кремний |
240 |
1000 |
3800 |
Таблица 2.3. Темп поверхностной рекомбинации для разных полупроводников и типов образцов, Rs , m S -1 .
|
Материал |
Тип А |
Тип B |
Тип C |
|
p-тип германий |
0,03230 |
0.00813 |
0.00215 |
|
n-тип германий |
0.01575 |
0.00396 |
0,00105 |
|
n-тип кремний |
0,01120 |
0,00282 |
0,00075 |
|
р-тип кремний |
0,00420 |
0,00105 |
0,00028 |
После засветки образца импульсом света напряжение на образце меняется по закону:
D V= D V 0 exp(-t/ t f ) (2.1)
где:
D V – напряжение на образце
D V 0 - максимальная амплитуда напряжения на образце
t - время
t
f
- измеренное время экспоненциального спада.
В силу нескольких причин экспоненциальная форма сигнала (2.1) может быть искажена. Это может быть обусловлено как поверхностной рекомбинацией , скорость которой много выше обьемной, так и наличия глубоких уровней, на которых могут захватыватся носители. Устранение влияния поверхностной рекомбинации достигается 2 методами:
больше 1 мкм (для этого применяются фильтры см. рис. 2.1.)
Для устранения прилипания носителей используются два метода:
Однако при использовании температурного метода необходимо иметь в виду, что время жизни сильно зависит от температуры образца ( ~ 1% на градус).
Поэтому при сравнении времен жизни на нескольких образцах необходимо следить, чтобы температурные условия измерений были одинаковы.
Кроме того необходимо удостоверится, что в проводимости учавствуют носители, воникшие в результате возбуждения импульсом света. Для этого напряжение смещения Vdc, поданное на измеряемый образец должно удовлетворять требованию:
Vdc £ (10 6 × Lc × L)/(500 × m × t f ) (2.2)
Где :
Lc – растояние от края области засветки образца до области контакта , мм
L – длина образца , мм
t f - измеренное время экспоненциального спада, m S.
m - - подвижность неосновных носителей, см 2 /В × сек
Экспоненциальный спад тока фотопроводимости соответствует времени жизни в случае , если уровень инжекции фототока мал в сравнении с уровнем инжекции тока, протекающего под действием потенциала смещения. Это требование удовлетворено в случае выполнения соотношения:
D V 0 /Vdc £ 0.01 (2.3)
Если это условие не выполнено, то следует внести поправку в экспоненциальный спад тока фотопроводимости по формуле:
t f = t f изм × [ 1- ( D V 0 /Vdc) ] (2.4)
Где:
t f изм - экспоненциальный спад тока фотопроводимости
t f - экспоненциальный спад тока фотопроводимости после внесения поправки
После внесения этой поправки объемное время жизни неосновных носителей вычисляется по формуле :
t 0 = ( t f -1 – R s ) -1 (2.5)
Где R s определяется из таблицы 2.3.
Стандартом ASTM F28 – 91 при выполнении вышеперечиленых условий устанавливается погрешность ± 50% для измерений на германиевых образцах и ± 135% для измерений на кремниевых образцах.
3. Механизмы рекомбинации
По виду передачи энергии рекомбинирующих частиц различают три основных типа рекомбинации.
Помимо этих трех основных механизмов, энергия рекомбинирующих частиц может передаваться электронному газу ( плазменная рекомбинация ). Если электрон и дырка образуют в качестве промежуточного состояния экситон, то такая рекомбинация носит название экситонной.
Фотонная, фононная и рекомбинация Оже могут протекать по разному в зависимости от механизма перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону. Если частицы рекомбинируют в результате непосредственной встречи электрона и дырки, то такая рекомбинация называется прямой, или межзонной. Прямая рекомбинация играет роль в полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны порядка 0,2 – 0,3 эВ и меньше.
Если ширина запрещенной зоны больше 0,5 эВ , то рекомбинация происходит через локализованные состояния , лежащие в запрещенной зоне. Эти сосстояния обычно называются рекомбинационными ловушками.
Предположим, что в полупроводнике имеются дефекты уровни энергии которых лежат в запрещенной зоне , а уровень энергии Et не занят электроном (дыркой). Возможен целый ряд процессов, схематически изображенных на
а)- нейтральный дефект захватывает свободную дырку
б)- электрон отдается в зону проводимости отрицательно заряженым дефектом, т. о., электрон , некоторое время будет на уровне дефекта, а потом снова станет свободным. Если осуществляет захват свободных электронов с последующим их освобождением дефектом с уровнем энергии Et, то такой метод носит название ловушки захвата электрона;
в)- нейтральный дефект захватывает свободную дырку, т. е. отдает электрон валентной зоне;
г)- если же положительно заряженый дефект захватывает электрон из валентной зоны, то такой дефект – это ловушка захвата дырки;
д)- отрицательно заряженый дефект после захвата электрона из зоны проводимости, захватывает свободную дырку и отдаёт захваченный электрон в валентную зону. Идет рекомбинация электонов и дырок;
е)- положительно заряженый дефект, захватив свободную дырку, захватывает свободный электрон, превращаясь в нейтральный дефект. Также идет рекомбинация свободной пары электрон – дырка.
Огромное влияние на мгновенное время жизни оказывает захват носителей заряда , но онне влияет на стационарное время жизни носителей. Освободиться захваченный заряд носителя может в результате теплового переброса. Иногда это случается в результате подсветки.
4. Выводы
В последнее время в связи с бурным развитием силовой электроники проявляется повышенный интерес к высокоомному кремнию. Высокоомный кремний стал материалом для таких приборов как IGBT, GTO, IGCT, MCT. Поэтому большой практический интерес представляет контроль времени жизни в кремнии, возможность его регулирования в заданных пределах.
Литература:
1. W.L. Engl, R. Laur and K. Dirks, IEEE, CAD-1,85, 1982
2. Technology Modeling Associates. Inc.Palo Alto,California. USA, MEDICI user’s manual. March 1992
3. W. Van Robosbroek, Bell System Technical Journal, 29 , 560 , 1950
4. W. Shokley and T.W. Read, Physical Review 87, pp. 835-842, 1952 ; R. N. Hall, Physical Review 87, 387, 1952.
5. M. S. Tiyagi, R. Van Oberstaen, Minority carrier recombination in in heavily doped silicon. Solid State Elrctronics, Vol. 26, No. 6, pp. 577-597, 1983
6. A.G. Milnes, Deep Impurities in Semiconductors, Wiley, New York, 1973.
7. I.V. Grekhov, N.N Korotkov and A.E. Otbelsk, Soviet Physics Semicond., 12, 184 , 1977.
8. J. M. Dorkel, Ph. Lecturcq, Solid – State Electronics, Vol. 24, pp. 821 –825, 1981.
9. Y.G. Gerstenmaier, Proc. Of the 6 th Internat. Symposium on Power
Semiconductor Devices & IC’s, Davos, Switzerland, May 31 – June2, pp. 271 –274 ,1994
10. Ichiro Omura and Akio Nakagava, Proc. Of 1995 ISPSD, pp. 422-426, 1995, Yokohama.
11. Olof Tornblad et al, Proc. Of 1995 ISPSD, pp. 380-384, 1995, Yokohama.
12. Thomas Flohr and Reinhard Helbig, IEEE Transactions on Electron Devices Vol. 37, No. 9 Sept., pp. 2076-2079, 1990.
13. Shinji Aono, Tetsuo Takahashi, Katsumi Nakamura, Hideki Nakamura, Akio Uenishi, Masana Harada. A simple and effective lifetime evaluation method with diode test structures in IGBT. // IEEE Trans. On Electron. Dev. n.2, pp. 117-120, 1997.
14. Годовой отчет по интеграционному проекту. ИФП СО РАН, 1997.
15. M. W. Huppi, Proton irradiation of silicon : Complete electrical characterization of the induced recombination centers, Jour. Applied Physics, vol. 68, pp 2708-2707, 1990.
16. Simon Eicher, Tsuneo Okura, Koichi Sugoyama, Hideki Ninomiya, Hiromichi Ohashi, Advanced Lifetime Control for reducing turn-off swithing losses of 4.5 kV IEGT devices, Proc. Of 1998 International Symposium on Power Srmiconductor Devices & IC’s, Kyoto, 1998 .
17. Яновская С.Г., Реферат “ Формирование и геттерирующие свойства нитридных преципитатов в слоях Si, имплантированных ионами азота.”, ИФП СО РАН, 1997.