电子辐照对功率半导体器件电学参数的影响

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上海微电子技术和应用1994年第4期

电子辐照对功率半导体器件电学参数的影响

许志祥

上海整流器总厂,

摘要本文详细地介绍了一些有关复合中心,少子寿命等的基本概念,然后叙述电子

辐照对各种功率半导体器件电参数的影响.

众多的功率半寻体器件本质上是利用少子运动的器件.器件的各电学参数与其少子寿命

有着密切的关系.器件性能的好坏,在很大程度上依赖于对少子寿命的合理控制.而电子辐

照的一个突出优点就是能精确控制少子寿命从而达到精确控制各半

寻体器件电参数的目的,

真正起到了对半寻体器件”辐射加工”的作用.为便于理解辐射对各半寻体器件电学参数的

影响,本文主要介绍少子寿命,复合中心及其辐照与它们的关系.

一,一

些基本的物理概念

1.少手寿命,

本文所讨论的半寻体器件包括二极管,三极管及晶闸管等.而由一个PN结构成的二极

管是其它半寻体器件的基础.由其导出的少子寿命概念适用于其它半导体器件.

当PN结上加正向偏压时,在N区产生了一定数目的多余的非平衡少子(空穴)AP.当

正向偏压去掉后,这些非平衡的少子逐渐减少.非平衡少子浓度△P在单位时间单位体积内

的减小率满足下式:

=

K.AP(1)

当△PN区的多子(电子)浓度少得多时,K为常数.设t=O时,AP(t)=AP(O)积分

(1)式得l

AP(t)=AP(0)exp(一kt)(2)

少子寿命就是非平衡少子的平均生存时间,因此订,

T=△P(t)/d△p(¨(3).

把(2)式代入(3)式得3下=1/K,则(2)武可写成3

△P㈩=AP(o)exp(一÷)(4)

由此可见,少子寿命是一种统计平均值,它表示非平衡少子浓度由初始值AP(0)减少到

△P(0)/e的时间.

2.复合中心

蠢

27一

实验发现,一块纯度和晶体完整性非常好的半导体硅,非平衡少子寿命往往长达几毫秒

甚至几百毫秒.在这种情况下,非平衡载流子是靠导带电子直接跃迁到价带,与价带中的空

穴发生复合才逐渐复合的,这种复合叫直接复合.发生直接复合的条件是,复合前后的电子

和空穴要同时满足动量和能量守僵,对半导体硅来说,这一条件是很难同时满足的.所以发

生直接复合几率极少,因此少子寿命很长.同样一扶半寻体硅,经电子辐照后,少子寿命明

显缩短.这是因为辐照会在半寻体硅中产生缺陷,电子和空穴通过这些缺陷会加速复合,这

种复合叫间接复合,这些能促进电子和空穴复合的缺陷叫复合中心.该缺陷会在禁带中形成

深能级.为简单起见,只讨论N型硅中只有一种深能级的,情况,此时复合中心的复合过程可

用Shockley-Read-Ha11(SRH)模型来分析t该复合中心只能处于一种状态,即带负电状

态或呈中性状态.因此可发生四种过程:

A:处于中性状态的复合中心从寻带俘获电子而带负电荷.

B:电子从复合中心发射到寻带,复合中心呈中性状态.

C:中性状态的复合中心从价带俘获电子而带负电.

D:带负电的复合中心俘获空穴而呈中性状态.

对N型硅中的空穴浓度远比电子小的所谓小注入情况,通过复杂计算可得少子寿命为:

百-≈

.

(5)

式中dP,UP分别表示复合中心对空穴的俘获截面和空穴的热运动速度.(5)式表示,Nt个

复合中心基本上填满了电子,一旦空穴出现在复合中心的俘获截面内就被复合掉.这就是

说,上述四个过程,占主要的只有A,D-个过程.

对N型硅来说,缺陷要起复合中心作用,先决条件是它先要填满电子.填满电子的复合

中心对空穴(少子)产生静电吸引作用,从而加强了对少子的俘获能力.一旦复合中心俘获

一

个空穴便变成中性状态.由于N型硅中电子浓度很大,中性状态的复合中心又会填满电

子,这种过程不断重复进行,致使N型硅中的少子很快复合掉.

缺陷能否起复合中心作用,首先与缺陷能级位置有关,其次与环境温度,缺陷对少子和

多子的俘获截面等有关.当半寻体器件的杂浓度一定后,在一定温度下,费米能级位置一

定,如果缺陷能级位置越靠近禁带中央,这表明缺陷能级越处在费米能级下方,因此缺陷能级

上占有电子几率就越多.然而费米能级位置El=2.3(KT)I~()+Et,式中EI 为本征能

级位置(对硅EI=0.55ev),ND为多子浓度,Ni为本征载流子浓度.由于Nt随温度升高而

迅速增大,使lg().)随温度升高而大大减小.最终’使(KT)与)的乘积减小.所以随

温度升高,费米能级位置逐渐趋近禁带中央,缺陷能级与费米能级之间

的距离随着减小,缺

陷能级上占有电子几率也随着减少.另外俘获截面也随温度升高而下降.所有这些因素使得

随温度升高器件的少子寿命变长.

3.少子寿命与辐照注量关系

少子寿命与辐照注量(单位面积所接收的电子数)满足如下关系式{

一

上:K击(6)

t百O’

一

28一

式中T.,T分别为辐照前后的少子寿命,西为注量lK为辐照损伤系数,它与电子能量,辐照

温度,器件制造工艺及缺陷性质等都有关.如果辐照注量足够大,使K 西》÷,则÷≈’n’

K4,这表示辐照后的少子寿命主要取决于辐照注量而与辐照前器件的少子寿命无关.所以

只要精确控制辐照注量,就能精确控制与少子寿命有关的电学参数. =,电子辐照对半导体器件电学参数的影响

电子辐照在半寻体硅中产生的缺陷会使少子寿命缩短多子浓度减少,而且缺陷对载流子