Реферат: Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии

Российская Академия Наук

Сибирское отделение

Институт физики полупроводников

Реферат

к сдаче кандидатского экзамена

по специальности 01.04.10

“Физика полупроводников”

на тему:

“ Определение времени жизни носителейв  высокоомном кремнии.

Влияние времени жизни на параметрывысоковольтных приборов на кремнии.”

Чернявский Е. В.                                                                  Научный руководитель:

к.ф-м. н. Попов В.П.

Новосибирск — 1999

Содержание:

Введение

1. Обзор литературы

2. Определение временижизни по стандарту ASTM F28-91

3. Механизмы рекомбинации

4. Выводы

Введение

Для биполярных приборов, работа которых связана с инжекциейнеосновных носителей, особенно для приборов, работающих в области высокихнапряжений,   врямя жизни носителей чрезвычайно важно для таких параметров как: падениенапряжения в открытом состоянии, динамические характеристики, поткри привыключении. Обычно компромисс между этими конкурирующими параметрамидостигается путём облучения электронами, протонами или легированием примесями,дающими глубокие уровни в кремнии. Также время жизни является важным параметромдля характеризации высокоомного кремния, его структурного совершенства. Всвязи с этим измерения времени жизни, возможность его регулирования представляет большой практический интерес.

1.    Обзор литературы.

Для многих приборов, таких как высоковольтные тиристоры,необходим

большой температурный диапазон работы, в пределах 40° С — 125° С. Поэтому изменение временижизни носителей в зависимости от температуры может оказать существенное влияниена характеристики прибора.

      В программах моделирования полупроводниковых приборов

( одномерных [1],  двумерных [2]) решаютсястандартные уравнения диффузионно – дрейфового приближения [3].  Обычноприменяется модель рекомбинации Шокли – Холла — Рида [4] для одногоуровня в запрещённой зоне. Время жизни для электронов и дырок в этой моделиописывается как

tр=1 /spVthNt             tn=1 /snVthNt                                     (1.1)

где:

 Nt– концентрация рекомбинационных центров.

            Vth =(3kT/m)1/2» 107 см/сек – тепловая скорость носителей

            sp, sn – сечение захвата электронов и дырок соответственно.

В пренебрежении зависимостью sp, sn  оттемпературы это позволяет предположить, что tn, р меняется с температурой как Т-1/2.Многочисленные исследования [5], [6], [7], показывают, что температурная зависимость tn, р существенносильнее. Согласно [7] температурная зависимость времени жизни определяется как:

tр ~T2.8                       tn ~T2.2                                   (1.2)

Кроме того, при моделировании приборов необходимо учитыватьзависимость времени жизни от концентрации акцепторной и донорной примеси. Такаязависимость рассмотрена в [8]. Она определяется формулой :

tn,p(x) = tn,p / (1+( {Na(x)+Nd(x)}/3*1015)1/2 )                       (1.3)

            В работе[9] проводилось 2-х мерное моделирование зависимости тока управляющегоэлектрода в GTO (Gate Turn Off thyristor) от температуры. В этой работеиспользовалась модель подвижности Даркеля и Летурка [8], в которойучитываются эффекты рассеяния носителей заряда на носителях, возникающие привысоких уровнях инжекции. Также была модифицирована  температурная зависимость подвижностиносителей. Были добавлены учет диссипации энергии при протекании тока и учетэнергии рекомбинации.  Дополнительно к сокращению времени жизни ввысоколегированных областях   ( по Шарфеттеру) n-эмиттераиспользовался коэффициент 0,8 учитывающий эффекты геттерирования и коэффициент0,3 в высоколегированных слоях р-эмиттера, учитывающий вжигание аллюминиевойметаллизации на анодном контакте. Рассчитанный по этой модели ток сравнивался сэкспериментом. Полученная таким образом зависимость времени жизни приведена нарис. 1.1

/>

Рис.1.1. Температурная зависимость времени жизни по [9]

В температурном диапазоне 25° С — 125° С наблюдается линейный рост времени жизни в зависимости оттемпературы.

            В сязи с массовым выпуском IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO встает вопрос о быстром и надежно тестировании временижизни носителей непосредственно на кристалле прибора. В работах [10],[11], [12] рассматривается вопрос о использовании для этой цели p-i-nдиодов.В работе [13] приводится пример тестовой структуры, изготавливаемойнепосредственно на кристалле IGBT, применяемой для контроля времени жизни. Приведены вольт –амперная характеристика и значения падения напряжения  на диоде в зависимостиот времени жизни в n— базе. Максимальная плотность тока в диоде 100 А/см2. Тестируемыезначения времени жизни от 4 до 100 mсек. Определенные времена жизни по падению напряженияпроверялись по методу восстановления обратно смещенного диода.

Однако площадь тестовых элементов, расположенных наскрайбовой дорожке кристалла может оказаться мала для уверенного определениявремени жизни. В лаб. 10 ИФП СО РАН разработан метод, позволяющий определятьвремя жизни на рабочих структурах МСТ после дополнительных технологическихобработок [14]. Применяемый метод – восстановление обратно смещенногодиода. В качестве катода использовался Р-карман над которым расположен контактк затвору тиристора. 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 технологическаячистота процессов, используемых при изготовлении высоковольтных приборов. Недостаткомметода является то, что этот метод – разрушающий.

Так как время жизни  жизни в высокомной базе определяеттакую важную характеристику прибора как, как потери энергии во времявыключения прибора, то в литературе уделяется большое внимание регулированиюэтого параметра. В качестве одного из методов применяется облучение протонамиэмиттерной (анодной) стороны прибора [15]. Этатехнология позволяет уменьшить потери при выключении прибора путем введениябольшого числа рекомбинационных центров и уменьшения времени жизни носителей вбазовой области, примыкающей к аноду.  В работе [16] в качествепримера рассматривался IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) c напряжениемблокирования 4,5 кВ. Для облучения применялись протоны с дозами 5×1011см-2 и 7×1011см-2. Об энергиях протонов в статье не сообщается, но по глубинезалегания радиационных дефектов можно сказать, что она не менее 2 МэВ. Падениянапряжения в открытом состоянии составили не менее 4,7 и 5,4 В соответственнопри плотности тока 100 А/см2. Потери энергии при выключении составили 35 mДж/см2 и25 mДж/см2. Однако при повышении дозы облучения на ВАХпоявлется участок с отрицательным динамическим сопротивлением, что приводит косцилляциям тока и ухудшению характеристик прибора. В статье [16]указано на необходимость точного подбора дозы облучения.

Регулирование времени жизни представляет интерес не толькос точки зрения его уменьшение. Падение напряжения в низколегированой областизависит от величины времени жизни. В процессе технологических  обработокпластины загрязняются примесями, многие из которых представляют из себярекомбинационные центры. Поэтому встаёт вопрос о геттерировании таких примесейв 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 определяетпорядок и условия определения обьемного времени жизни носителей в германии и вкремнии.  Эта стандарт основан на измерении спада импульсного тока  вызванногоимпульсной засветкой образца.

Другие стандарты измерения времени жизни:

            1)DIN 50440/1 “Измерение времени жизни в монокристаллах кремния на основеспада фототока”

            2)IEEE Standart 255 “Измерение времени жизни неосновных носителей в кремнии игермании 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 Максимальнодопустимые обьемные времена жизни неосновных носителей для разныхполупроводников и образцов, mсек.

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. Темпповерхностной рекомбинации для разных полупроводников и типов образцов, Rs, mS-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 засветкиобразца импульсом света напряжение на образце меняется по закону:

DV=DV0exp(-t/tf)                                          (2.1)

            где:

            DV       – напряжение наобразце

DV0     — максимальнаяамплитуда напряжения на образце

t           — время

tf         — измеренное времяэкспоненциального спада.

            Всилу нескольких причин экспоненциальная форма сигнала  (2.1) может быть искажена.  Этоможет быть обусловлено как поверхностной рекомбинацией, скорость которой многовыше обьемной, так и наличия глубоких уровней, на которых могут захватыватсяносители.  Устранение влияния поверхностной рекомбинации достигается 2 методами:

1)    Использованием длины волны излучения, возбуждающегоносители

больше 1 мкм (для этогоприменяются фильтры см. рис. 2.1.)

2)    Использование образца соответствующих размеров (см. Таблицу2.3)

Для устранения прилипания носителей используются дваметода:

1)    Нагревание образца до 70 °С

2)    Фоновая постоянная подсветка  образца.

Однако при использовании температурного метода необходимоиметь в  виду, что время жизни сильно зависит от температуры образца ( ~ 1% на градус).

Поэтому при сравнении времен жизни на нескольких образцахнеобходимо следить, чтобы температурные условия измерений были одинаковы.

            Кроме того необходимо удостоверится, что впроводимости учавствуют носители, воникшие в результате возбуждения импульсомсвета. Для этого напряжение смещения Vdc, поданное на измеряемый образец должно удовлетворять требованию:

Vdc£ (106×Lc×L)/(500×m×tf)                                      (2.2)

Где :

Lc       – растояние от края области засветки образца до областиконтакта, мм

L         –длина  образца, мм

tf         — измеренноевремя экспоненциального спада, mS.

m —       — подвижность неосновных носителей, см2/В×сек

Экспоненциальный спад тока фотопроводимости соответствуетвремени жизни в  случае, если уровень инжекции фототока мал в сравнении суровнем инжекции тока, протекающего под действием потенциала смещения.  Этотребование удовлетворено в случае выполнения соотношения:

DV0/Vdc £ 0.01                                              (2.3)

Если это условие не выполнено, то следует внести поправку вэкспоненциальныйспад тока фотопроводимости по формуле:

tf = tf изм×[ 1- (DV0/Vdc)]                             (2.4)

Где:

            tf изм    — экспоненциальныйспад тока фотопроводимости

            tf            — экспоненциальныйспад тока фотопроводимости после внесения поправки

После внесения этой поправки объемное время жизнинеосновных носителей вычисляется по формуле :

t0= (tf-1 – Rs)-1                                                               (2.5)

            ГдеRs определяется из таблицы 2.3.

 

 

Стандартом ASTM F28 – 91 при выполнении вышеперечиленых условий устанавливаетсяпогрешность ±50% дляизмерений на германиевых образцах и ±135% для измерений на кремниевых образцах.

 

/>

Рис. 2.1. Блок схема установки поизмерению времени жизни фотоэлектирическим методом.

3. Механизмырекомбинации

По виду передачи энергиирекомбинирующих частиц различают три основных типа рекомбинации.

1.    Рекомбинация называетсяизлучательной, или фотонной, если энергия рекомбинирующих частиц выделяется ввиде энергии фотона.

2.    Если энергия частицы передаётсярешетке (фононам), то рекомбинация называется безизлучательной, или фононной.

3.    Одним из видов безизлучательнойрекомбинации является ударнaя ионизация ( процессы Оже ),когда энергия рекомбинирующих частиц передается третьей частице, котораяблагодаря этому становиться “горячей”.“Горячая” частица в результате нескольких столкновений передает свою энергиюфононам.

Помимо этих трехосновных механизмов, энергия рекомбинирующих частиц может передаватьсяэлектронному газу ( плазменная рекомбинация ). Если электрон и дырка образуют вкачестве промежуточного состояния экситон, то такая рекомбинация носит названиеэкситонной.

Фотонная, фононная ирекомбинация Оже могут протекать по разному в зависимости от механизма переходаэлектрона из зоны проводимости в валентную зону. Если частицы рекомбинируют врезультате непосредственной встречи электрона и дырки, то такая рекомбинацияназывается прямой, или межзонной. Прямая рекомбинация играет роль вполупроводниках с малой шириной запрещенной зоны порядка 0,2 – 0,3 эВ и меньше.

Если шириназапрещенной зоны больше 0,5 эВ, то рекомбинация происходит черезлокализованные состояния, лежащие в запрещенной зоне. Эти сосстояния обычноназываются рекомбинационными ловушками. 

Предположим, что в полупроводнике имеются дефекты уровни энергии которых лежат в запрещенной зоне, а уровень энергии Et незанят электроном (дыркой). Возможен целый ряд процессов, схематическиизображенных на

Рис. 3.1. 

/>

Рис. 3.1. Схемы рекомбинации носителей. Ес–дно зоны проводимости, Et– уровень в серединезапрещённой зоны, Еv – уровень валентной зоны.

а)-  нейтральныйдефект захватывает свободную дырку

б)- отрицательнозаряженый дефект отдает электрон в зону проводимости. Таким образом, электрон,побыв некоторое время  

на уровне дефекта, вновьстановится свободным. Если дефект с уровнем энергии Et  осуществляет захватсвободных электронов с последующим их освобождением, то он называется ловушкойзахвата электрона;

            в)- нейтральныйдефект захватывает свободную дырку ( отдает электрон валентной зоне);

г)- положительно заряженый дефектзахватывает электрон из валентной зоны;такой дефект называется ловушкой захвата дырки;

д)- захватив электрон из зоныпроводимости, отрицательно заряженый дефект захватывает свободную дырку –отдаёт захваченый электрон в валентную зону. Происходит процесс рекомбинациипары электрон — дырка;

е)-  захватив свободную дырку,положительно заряженый дефект захватывает свободный электрон,  превращаясь внейтральный дефект. Происходит процесс рекомбинации свободной пары электрон –дырка.

Захват носителей заряда не влияетна стационарное время жизни,

нооказывает влияние на мгновенное время жизни. Освобождение захваченногоносителя заряда может быть вызвано тепловым перебросом.

В некоторых случаях этопроисходит в результате подсветки.

4. Выводы

            В связи с бурнымразвитием силовой электроники в последнее время проявляется повышенный интереск высокоомному кремнию. Высокоомный кремний является материалом для такихприборов как IGBT, GTO, IGCT, MCT.Поэтому контроль времени жизни в кремнии, возможность его регулирования взаданных пределах предсталяет большой практический интерес.

Литература:

1. W.L. Engl, R. Laur andK. Dirks, IEEE, CAD-1,85, 1982

2. Technology ModelingAssociates. Inc.Palo Alto,California. USA, MEDICI user’s manual. March 1992

3. W. Van Robosbroek, BellSystem Technical Journal, 29, 560, 1950

4. W. Shokley and T.W. Read, PhysicalReview 87, pp. 835-842, 1952; R. N. Hall, Physical Review 87, 387, 1952.

5. M. S. Tiyagi, R. VanOberstaen, Minority carrier recombination in in heavily doped silicon. SolidState Elrctronics, Vol. 26, No. 6, pp. 577-597, 1983

6. A.G. Milnes, DeepImpurities in Semiconductors, Wiley, New York, 1973.

7. I.V. Grekhov, N.NKorotkov 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 6th Internat. Symposium on Power

Semiconductor Devices& IC’s, Davos, Switzerland, May 31 – June2, pp. 271 –274 ,1994

10. Ichiro Omura and AkioNakagava, 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 andReinhard Helbig, IEEE Transactions on Electron Devices Vol. 37, No. 9 Sept., pp.2076-2079, 1990.

13. Shinji Aono, TetsuoTakahashi, Katsumi Nakamura, Hideki Nakamura, Akio Uenishi, Masana Harada. Asimple and effective lifetime evaluation method with diode test structures inIGBT. // IEEE Trans. On Electron. Dev. n.2,  pp. 117-120, 1997.

14. Годовой отчет поинтеграционному проекту. ИФП СО РАН, 1997.

15. M. W. Huppi, Protonirradiation of silicon: Complete electrical characterization of the inducedrecombination centers, Jour. Applied Physics, vol. 68, pp 2708-2707, 1990.

16. Simon Eicher, Tsuneo Okura,Koichi Sugoyama, Hideki Ninomiya, Hiromichi Ohashi, Advanced Lifetime Controlfor reducing turn-off swithing losses of 4.5 kV IEGT devices, Proc. Of 1998International Symposium on Power Srmiconductor Devices & IC’s, Kyoto, 1998.

17. Яновская С.Г., Реферат “ Формирование и геттерирующие свойства нитридныхпреципитатов в слоях Si, имплантированных ионами азота.”,  ИФП СО РАН, 1997.