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半导体器件中的载流子寿命及其辐照控制

半导体中的非平衡载流子寿命是半导体的一个基本特性参数,它的长短将直接影响到依靠少数载流子来工作的半导体器件的性能,这种器件有双极型器件和p-n结光电子器件等。但是,对于在结构上包含有p-n结的单极型器件(例如MOSFET)也会受到载流子寿命的影响。
非平衡载流子寿命主要是指非平衡少数载流子的寿命。影响少子寿命的主要因素是半导体能带结构和非平衡载流子的复合机理;对于Si 、Ge、GaP等间接禁带半导体,一般决定寿命的主要因素是半导体中的杂质和缺陷。
对于少子寿命有明显依赖关系的电子器件特性,主要有双极型器件的开关特性、导通特性和阻断特性;对于光电池、光电探测器等之类光电子器件,与少子寿命直接有关的特性主要有光生电流、光生电动势等。
(1)少子寿命对半导体器件性能的影响:
① 双极型器件的开关特性与少子寿命的关系:
双极型器件的开关特性在本质上可归结为p-n结的开关性能。
p-n结的开关时间主要是关断时间,而关断时间基本上就是导通时注入到扩散区中的少子电荷消失的过程时间(包括有存储时间和下降时间两个过程)。少子寿命越短,开关速度就越快。因此,为了提高器件的开关速度,就应该减短少子寿命。
② 器件的阻断特性与少子寿命的关系:
半导体器件在截止状态时的特性——阻断特性,实际上也就是p-n结在反向电压下反向漏电流大小的一种反映。因此,这里器件的阻断特性不单指双极型器件,而且也包括场效应器件在内。
p-n结的反向漏电流含有两个分量:一是两边扩散区的少子扩散电流,二是势垒区中复合中心的产生电流;这些电流都与少子寿命有关,载流子寿命越长,反向漏电流就越小,则器件的阻断特性也就越好。当载流子寿命减短到一定程度时,反向电流即大幅度地上升,就会产生反向电流不饱和的“软”的阻断特性。
一般,硅p-n结的反向漏电流主要是势垒区复合中心的产生电流,因此载流子的产生寿命将严重地影响到器件的阻断特性。所以注意工艺控制,减小杂质和缺陷的不良影响,对于提高器件的阻断特性至关重要。
总之,为了获得良好的器件阻断特性,要求器件应该具有较长的少数载流子寿命。为此,半导体的掺杂浓度不可太高,势垒区中的复合中心浓度要尽量减少。
③ 器件的导通特性与少子寿命的关系:
半导体器件导通特性的好坏可以用它的导通电阻或者导通压降来表征;导通压降越低,器件的大电流性能就越好,器件的功率处理能力也就越强。  对于双极型器件,从本质上来看,它的导通特性实际上可近似地归结为p-n结的正向导通特性;而对于双极型功率器件而言,其正向导通特性可归结为pin二极管的导通特性。
因为一般p-n结的正向电流主要是少子扩散电流,则少子寿命越短,少子的浓度梯度越大,正向电流就越大,于是在同样电流情况下的导通压降也就越低。所以少子寿命宜较短一些。
但是,对于pin结则有所不同,因为pin结处于正偏时,即有大量电子和空穴分别从两边注入到本征的i型层,则必为“大注入”;这时可以认为i型层中的电子浓度等于空穴浓度,并且均匀分布,即n=p=const。正是由于在i型层中存在大量的两种载流子,所以必然会产生电导调制效应,使得pin结的正向电压降低。
而pin结的正向导电是由载流子渡越i型层(势垒区)时的复合过程所造成的,则pin结的导通特性与i型层中载流子的复合寿命有很大的关系。在此考虑到大注入的强烈影响,因此决定载流子寿命的因素除了大注入下的寿命——双极复合寿命τa以外,还需要计入Auger复合的寿命τA,于是应该采用有效寿命τeff的概念。由于i层载流子的有效寿命越长,在大注入情况下该层的电导调制效应就越强,则器件的正向压降也就越低,因此pin结的正向压降与载流子有效寿命成反比。然而,有效寿命将随着正向电流密度的增大而减短,特别是在大电流密度时,有效寿命将显著变短,从而会导致正向压降很快增加。
(2)载流子寿命的控制原理:
如上所述,对于功率器件而言,它的开关特性要求载流子寿命越短越好,而它的阻断特性和导通特性却要求载流子寿命越长越好。因此,同一种半导体器件的不同特性,对于载流子寿命的要求不一定相同。这就产生了一个所谓寿命优化的问题,即如何综合考虑、恰当地选取载流子的寿命,以使得器件的特性能够最大限度地满足使用要求。
对于Si等半导体器件,影响载流子寿命的主要因素是缺陷和有害杂质构成的复合中心的浓度以及半导体的本底掺杂浓度。复合中心的重要特性参数是它的能级位置以及俘获截面。在复合中心的能级位置和半导体掺杂浓度适当时,复合中心将成为最有效的复合中心,则对载流子寿命的影响最大。
一般,复合中心能级越深(即越靠近本征Fermi能级)、半导体掺杂浓度越高(即Fermi能级越靠近能带边),复合中心就越有效。例如,位于导带底以下0.54eV的复合中心一般就满足该条件,为一个最有效的复合中心;而位于导带底以下0.3eV的复合中心则是无效复合中心。
实际上,最有效的复合中心也具有较小的对两种载流子的俘获截面之比(接近1)。总之,复合中心的能级越靠近禁带中央,而且其俘获截面比越接近1,则该复合中心就越有效,寿命也就越短。在小注入时,少子寿命与注入水平无关,而仅决定于复合中心的能级位置和俘获截面之比;在大注入时,任何复合中心决定的载流子寿命都将趋于双极寿命τa=τno+τpo(仅决定于复合中心的浓度和俘获截面之比)。
a)兼顾高阻断特性和高开关速度特性的优选复合中心:
为了提高器件的开关速度,应该少子的小注入寿命尽可能短,即要求复合中心能级靠近禁带中央和俘获截面比接近1;但是,为了提高器件的阻断能力,应该少子的产生寿命尽可能长,即要求复合中心能级远离禁带中央和俘获截面比大于1。这种对载流子寿命的矛盾要求,也就意味着少子的产生寿命τs与少子的复合寿命τp之比(τs/τp)应该取极大值。
分析表明:①τs/τp比值的大小与复合中心的性质(能级位置和俘获截面比)无关,但只有在适当的能级位置、俘获截面比和温度情况下才能达到最高值;②复合中心能级靠近能带边(Ec或者Ev)时,τs/τp比值最大;③最大的τs/τp比值与掺杂浓度和俘获截面比有关,并且掺杂浓度越低、俘获截面比越大,则不同复合中心能级位置不影响τs/τp取最大值的范围就越大,同时温度越高、该范围也越大(但最大τs/τp比值与本征载流子浓度有关)。
总之,兼顾器件的高阻断特性和高开关速度特性的优化复合中心,其能级应该位于能带边附近处;并且在轻掺杂半导体中,比较容易选择这种优化复合中心;在同样掺杂浓度时,对于俘获截面比较大的复合中心,它的能级位置受到的限制较小。
b)兼顾高导通特性和高开关速度特性的优选复合中心:
为了降低功率器件在大电流时的导通压降,应该增长有效载流子寿命,也就是要求大注入时的载流子寿命(τH=τa)足够长,以加强少子的电导调制作用。但是,为了提高开关速度,则希望少子在小注入时的寿命(τL)足够短。因此,要使得一种复合中心能够兼顾大电流和高速度的需要,就必须选取τH/τL比值取极大值的那种复合中心。
分析表明:①能够使τH/τL比值取极大值的复合中心,正好是其τs/τp比值取极小值,因此高速大电流的器件,就难以顾及到高的阻断电压,反之亦然;②较高的τH/τL比值,要求复合中心能级位于禁带中央处,这正好也与高τs/τp比值的要求恰恰相反;③τH/τL比值与半导体掺杂浓度有关,并且变化幅度还与复合中心能级的位置有关。
可见,从载流子寿命的优选方面来看,器件的高速大电流性能与高速高耐压性能一般较难以同时兼顾。不过,如果选取某种复合中心,若它的少子寿命对注入水平具有很高的敏感性的话,使得大注入时τH最大,小注入时τL最小,则既可以得到大电流下的较好导通特性,也可以得到小电流时的较好阻断特性,那么高速大电流性能与高速高耐压性能之间的矛盾即可适当地缓解。
此外,在优选复合中心时还需要考虑其它一些方面的问题,例如: ① 复合中心对载流子的补偿问题:
例如n型Si中的Au,是一种复合中心杂质,它有一个能级位于导带底以下0.54eV处,起着受主作用;当Au浓度接近于施主浓度时,将会使平衡电子浓度显著下降,这就是Au的补偿效应。
复合中心的这种补偿效应,显然将会使半导体电阻率升高,并因而影响到器件的导通压降和阻断电压。因此,为了降低复合中心的这种补偿作用,应该选取对少子具有很大俘获截面的那种复合中心杂质;这样既可以保持所需要的寿命,而且又可以降低起补偿作用的复合中心的浓度,以减弱对载流子浓度(半导体电阻率)的影响。
② 复合中心对多种掺杂浓度的适应性问题:
为了器件制作工艺的方便,对于不同的半导体器件最好能够统一采用一种寿命控制的方法,即掺入一种复合中心杂质;这就要求在控制寿命的同时,半导体电阻率不要发生变化。因此,应该选取寿命或者两种寿命的比值对掺杂浓度不敏感的那些复合中心杂质。不过,这对于高阻半导体而言往往是一件很困难的事情。  
(3)控制少子寿命的主要方法: 一般,有两个方面需要考虑:
一是注意在工艺过程中控制好载流子寿命,使得不发生变化。这里主要是要注意清洁度和操作过程的控制,以避免有害杂质的引入和减少工艺诱生的二次缺陷。
二是通过有意掺入一些深能级杂质,或者造成一些晶体缺陷来加以控制,因为许多深能级杂质和晶体缺陷都将构成复合中心。在Si器件中,常用作为复合中心的深能级杂质是Au和Pt,常用来引入晶体缺陷的措施是电子辐照。Au和Pt以及电子辐照,这三种复合中心的引入方法各有千秋。一般,可以见到:
①对于高掺杂(低电阻)半导体材料,掺Au和掺Pt的τH/τL比值都较大;但对于低掺杂(高电阻)半导体材料,
只有掺Au的τH/τL比值才较大。因此,从既降低导通压降、又提高开关频率的角度来考虑时,还是掺Au的效果比较好。
②从少子产生寿命与大注入寿命之比(τs/τH)来看,掺Pt和电子辐照的比值较大,因此,在保持导通压降相同的情况下,掺Pt和电子辐照都可以维持器件的反向漏电流较小。
③对于掺Pt的Si,τH/τL比值随掺杂浓度的变化很大,因此Pt作为功率器件的复合中心不太理想;
④对于电子辐照的Si,τH/τL比值基本上不随掺杂浓度而变化,因此,电子辐照能够对功率器件提供比较理想的复合中心;
⑤对于掺Au的Si,τH/τL比值完全不随掺杂浓度而变化,因此,Au也是功率器件的一种理想的复合中心。
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