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引入表面復合中心對晶閘管高溫漏電流的影響

2017-04-20 22:27薛志亮
科技創(chuàng)新導報 2016年35期
關鍵詞:晶閘管

薛志亮

摘 要:該文對晶閘管的高溫漏電流做了簡要介紹,列舉了減小高溫漏電的常規(guī)方法,詳盡敘述了引入表面復合中對減小高溫漏電的作用,并從機理上進行了探討,給出相應結(jié)論。改進散熱條件可以使溫度和漏電保持在某一臨界值以下,然而盡可能降低高溫漏電流,是設計制造器件核心內(nèi)容之一。

關鍵詞:晶閘管 復合中心 高溫漏電流

中圖分類號:TB332 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)12(b)-0036-02

1 引言

晶閘管在開通、關斷和通態(tài)時,有一個能使器件溫度增高的功耗值,導致管芯始終處于高溫狀態(tài),高溫阻斷下的漏電流必須控制在一定范圍,否則會引起器件失效。改進散熱條件可以使溫度和漏電保持在某一臨界值以下,然而盡可能降低高溫漏電流,是設計制造器件核心內(nèi)容之一。

1.1 晶閘管的高溫漏電流

晶閘管的漏電流包括三個部分。

(1)體內(nèi)少數(shù)載流子擴散到空間電荷區(qū)后被電場拉過去所形成的擴散漏電流:JS(擴散漏電流)=q(DPpn/Lp+Dnnp/Ln)。

pn、np為N區(qū)空穴濃度和P區(qū)電子濃度;

Lp、Ln為N區(qū)空穴擴散長度和P區(qū)電子擴散長度。

根據(jù)公式,溫度愈高,少數(shù)載流子平衡濃度愈高,擴散長度愈短,濃度梯度就愈大,擴散漏電流也就愈大。

(2)空間電荷區(qū)內(nèi)載流子產(chǎn)生所引起的產(chǎn)生漏電流。

空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流I=qGXmS

式中:Xm為空間電荷區(qū)寬度;S為PN結(jié)的面積。

產(chǎn)生率G=ni[2(てP0てn0)1/2cosh(ΔE/kT+1/2lnてP0/てn0)]1/2

式中:てn0為P區(qū)的少子壽命;てP0為N區(qū)的少子壽命;

ni為本證硅中的載流子濃度;T為絕對溫度;k為玻爾茲曼常數(shù);ΔE為和復合中心是什么元素有關的一個量。

比較擴散漏電流和產(chǎn)生漏電流,后者比前者大得多。隨著溫度的提高,載流子濃度ni增加很快,兩者總的漏電流增加也是很快的。

(3)表面狀態(tài)所引起的泄露電流。

在PN結(jié)表面,由于各種原因壽命往往低于體內(nèi),同時表面的空間電荷區(qū)也比體內(nèi)大以保證一定的耐壓水平,因此,產(chǎn)生電流很大,尤其是在表面吸附電荷時情況就更為復雜。例如:負電荷形成P溝道,相當于增加PN結(jié)的面積,使漏電增大。

1.2 減小晶閘管高溫漏電流的常規(guī)措施

針對上述原因,在研制生產(chǎn)過程中常采用以下幾種方法減小高溫漏電流:

(1)制造具有雪崩型硬擊穿J1和J2結(jié)。

雪崩型硬擊穿,漏電流比較小且隨溫度變化小。而軟擊穿,其漏電流在室溫下就較大,隨著溫度升高漏電迅速增加。

(2)將PN結(jié)表面做成一定的斜角,改善結(jié)的終端電場分布。

正斜角在30°~50°對晶閘管反向漏電流的影響微乎其微,負斜角從4°調(diào)到5°,或從5°~7°,漏電流可以減小20%以上。

(3)采取適宜的表面處理,減小離子沾污,消除缺陷,恰當?shù)乇Wo材料,高溫下表面泄露漏電流會明顯減小。

(4)采用短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)。

短路發(fā)射極結(jié)構(gòu),利用PN結(jié)的內(nèi)部矛盾,在較大電流時α2很大保證開通特性,在小電流下使得α2很小,接近為0,從而減小了高溫漏電流。

(5)電子(或中子)輻照。

進行輻照,可以降低基區(qū)少子壽命,產(chǎn)生漏電流進而減小。

(6)增加片厚。

根據(jù)設計電壓,電阻率確定以后,擴散參數(shù)一定時硅片越厚,電流放大系數(shù)α1α2越小,高溫漏電流越小。

(7)降低電阻率。

當硅片厚度一定時,達到設計電壓條件下,選擇較低電阻率,空間電荷區(qū)Xm相對較窄,可使高溫漏電減小。

1.3 引入表面復合中心對降低高溫漏電流的作用

利用上述常規(guī)途徑來改善高溫特性,降低高溫漏電流,各有弊端及適用條件。增加片厚,通態(tài)壓降會明顯增加,對動態(tài)參數(shù)不利,同時成本上升;降低電阻率,勢必會降低電壓水平;采用電子輻照固然能夠降低高溫漏電,但其只能針對少子壽命高引起的漏電大,其成本較高,不宜大量采用。

經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn),在工藝實施過程中,適當階段引入表面復合中心能有效降低器件的高溫漏電流,技術經(jīng)濟效果非常明顯。

復合中心是半導體中能夠促進非平衡載流子復合的一類雜質(zhì)或缺陷。其中包括以下幾點。

(1)金、銅、鐵等深能級雜質(zhì)。

(2)輻照或溫度劇烈變化產(chǎn)生的晶格損傷。

(3)研磨、打毛等造成的缺陷。

其中:(1)主要形成是體內(nèi)復合中心。(2)形成體內(nèi)及表面復合中心。(3)主要形成表面復合中心,通過高溫可形成體內(nèi)復合中心。

實踐證明,在適當階段引入表面復合中心對不同雜質(zhì)擴散如鎵鋁、硼鋁系統(tǒng)都有相同效果;對陰極陽極分別引入則有所區(qū)別:陽極面引入,正反向高溫漏電流可降低15%~20%,陰極面引入,反向高溫漏電可降低20%,正向高溫漏電流可降低50%~100%;雙面引入,則共同作用效果更佳。

(1)表面復合中心對電流放大系數(shù)的影響。

陽極表面復合中心導致陽極空穴復合幾率增加,J1結(jié)注入比減小,α1減小,渡越J2結(jié)并被J3結(jié)收集的空穴也減少,α2也減??;同理陰極面復合中心使α2首先減小,接著是α1的減??;α1減小帶來反向漏電流下降,α2減小帶來正向漏電流下降,因為高溫下α2比α1大得多(高溫時α1≈0.2~0.3;α2≈0.7~0.8),所以正向漏電流下降的幅度遠比反向大。無論在陰極面還是在陽極面引入復合中心,都能使得兩個發(fā)射極注入比減小,而達到正反向漏電流都減小的目的。

(2)復合中心降低少子壽命。數(shù)據(jù)證明,表面復合中心的引入,經(jīng)高溫處理后,長基區(qū)少數(shù)載流子壽命τp降低30%~50%,雖然擴散漏電流略有增加,但產(chǎn)生漏電流顯著減小,總的漏電流還是減小了。

(3)引入復合中心形成良好的歐姆接觸。陽極面改進了燒結(jié)沾潤效果,減少了空洞,同等條件下使結(jié)片溫升下降,對減小漏電有利;陰極面改善了短路點的作用,高溫下漏電流更易于從短路點流出,減小了J3結(jié)注入,使正向漏電流進一步減小。

(4)制造表面缺陷,引入彈性應變,減少熱氧化層錯。

氧化層錯是硅片經(jīng)熱氧化處理,在硅中特別是在硅表面附近產(chǎn)生的一種層錯缺陷。氧化層錯通過其邊緣的不全位錯,具有增強擴散和吸收雜質(zhì)的作用,使PN結(jié)反向漏電流增大。引入表面復合中心可以形成彈性應變,作為點缺陷和雜質(zhì)的吸收源,減少成核中心,抑制層錯長大,一定程度上避免了少子壽命過于降低,因而達到減小漏電流的作用。

2 結(jié)語

引入表面復合中心,能夠使電流放大系數(shù)減小,抑制熱氧化層錯,適當降低了少子壽命,改進了歐姆接觸,達到了減小晶閘管高溫漏電流的目的,成本低效率高,具有普遍的實用性。

參考文獻

[1] 顧廉楚.電力半導體器件原理[M].機械工業(yè)出版社,1988.

[2] 黃漢堯,李乃平.半導體器件工藝原理[M].上??茖W技術出版社,1985.

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