Зарядовые явления в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в составе IGBT - файл n1.doc

Зарядовые явления в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в составе IGBT
скачать (2519 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2519kb.02.11.2012 21:05скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

1.8. Биполярные транзисторы с изолированным затвором.

Компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных, так и МДП-транзисторов явилось создание монолитных структур, названных IGBT, т.е. биполярные транзисторы с изолированным затвором (рис.1.14.).

Рис.1.14. Базовая ячейка IGBT.
Изучение расположения основных слоёв IGBT позволяет сделать вывод об общности технологических операций, лежащих в основе как данных ячеек, так и ячеек мощных МДП-транзисторов. Отличие заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая пластина с дырочной ­­-проводимостью. Аналогично МДП-транзистору при закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к pn-переходу J1, характеристики которого определяют предельные значения рабочих напряжений IGBT. При подаче на затвор положительно смещения возникает проводящий канал в p-области ячейки и между внешними выводами транзистора - начинает протекать ток между коллектором и эмиттером. Поскольку высоколегированный -слой коллектора находится под воздействием внешнего положительного напряжения, в глубь высокоомной эпитаксиальной -области начинается инжекция неосновных носителей заряда, осуществляющих модуляцию проводящего канала. Данное свойство определило название IGBT как структуру с модулируемой проводимостью. При этом оказывается возможным значительное снижение сопротивления в открытом состоянии, не свойственное МДП-транзисторам. Прямое напряжение на открытом ключе складывается из двух компонент: напряжение на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p транзистора (так называемая диодная составляющая) и падения на сопротивлении проводящего канала и модулируемой n-области (омическая составляющая)
.
(68)
Таким образом, прямое падение напряжения в рассматриваемой структуре с одной стороны не может быть меньше, чем пороговое значение диодной составляющей, а с другой стороны, оно пропорционально выходному току, умноженному на значение промодулированного омического сопротивления. Уменьшение прямых падений напряжения на открытом IGBT можно достигнуть двумя способами: уменьшением омического сопротивления эпитаксиальных слоёв и увеличением коэффициента передачи тока для p-n-p транзистора. Первый путь имеет ограничения, связанные с геометрическими размерами -области, определяющими предельно допустимые напряжения на закрытом ключе. Значительное увеличение ограниченно реальными пределами, связанными с так называемым триггерным эффектом, присущем структуре IGBT. Дело в том, что паразитный n-p-n транзистор, который всегда сопровождает структуру МДП-ключа, образует с p-n-p транзистором тиристорную схему соединения, в которой, при определённых условиях, может быть реализован регенеративный механизм включения, называемый триггерным эффектом.
Переключательные свойства структуры определяются внутренними паразитными ёмкостями и дополнительными ёмкостями p-n-p транзистора: барьерной ёмкости коллектор-эмиттер и диффузионной ёмкости прямосмещенного эмиттерного перехода. Главной отличительной особенностью IGBT по сравнению с МДП-транзистором является наличие неосновных носителей заряда, накопленных в базовых областях ячейки. Быстрое полевое выключение МДП-составляющей структуры приводит к отсечке - области и дальнейшему уменьшению накопленного заряда только за счет рекомбинационных эффектов. Это, в свою очередь, определяет наличие дополнительной фазы в выключаемом токе транзистора, называемой хвостовой частью коллекторного тока (tail current), ухудшающей частотные свойства структуры (рис.1.15.).
Рис.1.15. Остаточный коллекторный ток («хвост» тока) при выключении IGBT.
Существуют различные технологические подходы к решению проблемы уменьшения времени жизни вблизи pn-перехода J2, что, в свою очередь, ведёт к снижению длительности фазы хвостового тока. Первый из них это создание таких структур как PT IGBT [23], характеризующихся дополнительным -слоем, второй – использование облучения для уменьшения времени жизни носителей заряда.
Из сказанного выше можно сделать вывод, что к структуре IGBT предъявляются противоречивые требования: с одной стороны необходимо обеспечить как можно меньшее падение напряжения в открытом состоянии, что отвечает условию большого времени жизни в базовой -области, с другой стороны – максимально снизить остаточный ток коллектора, что отвечает условию малого времени жизни вблизи pn-перехода J2. В настоящее время, самый распространённый способ решения данной задачи это создание профиля времени жизни в высокоомной базе [24] (рис.1.16.).
Рис.1.16. Профиль распределения времени жизни в базовой области IGBT.
Это достигается облучением частицами с высокими энергиями или диффузией золота или платины.

1.9. Радиационная технология уменьшения времени жизни.

Хорошо известно [25], что большинство дефектов, образующихся в полупроводниках при имплантации ионов и облучении ?-частицами, электрически активны и приводят к появлению в запрещенной зоне кремния уровней «собственных» точечных дефектов. Кроме уровней «собственных» радиационных дефектов наблюдаются также уровни водородосодержащих радиационных дефектов. Энергетическое положение уровней основных радиационных дефектов и их параметры в кремнии, облучённом лёгкими ионами, приведены на рис. 1.17.
Рис. 1.17. Энергетические уровни радиационных дефектов в запрещённой зоне кремния после облучения протонами, ?-частицами и электронами.
В кремнии, являющемся непрямозонным полупроводником, радиационные дефекты определяют кинетику генерационно-рекомбинационных процессов. Поэтому в большинстве случаев практического использования имплантация ионов и облучение ?-частицами применяется для локального (по площади и глубине) регу­лирования времени жизни носителей заряда в приборных полу­проводниковых структурах.
Радиационные изменения времени жизни обычно характеризуются коэффициентом деграации [26]:
,
(69)
где - время жизни неравновесных носителей заряда до и после облучения соответственно; Ф – доза облучения.
Данная технология наиболее широко применяется в технологическом цикле создания силовых полупроводниковых приборов [27]. Известно, что предельная частота работы приборов этого класса ограни­чена в первую очередь сравнительно медленным процессом пере­ключения прибора из проводящего состояния в блокирующее и коммутационными потерями энергии во время этого процесса. Для ускорения процесса выключения, т. е. сокращения времени рассасывания электронно-дырочной плазмы при переключении структуры прибора в блокирующее состояние, и улучшения час­тотных характеристик приборов обычно уменьшают время жиз­ни носителей заряда в базовых слаболегированных слоях полу­проводниковых приборных структур.
Рассмотрим в отдельности влияние ионной имплантации и облучения электронами на биполярно-полевые приборные структуры на основе кремния:

1) Протонная и гелиевая имплантация.

Протоны и частицы гелия имплантируются в прибор, используя ускоритель частиц. Выбирая подходящую энергию, имплантация может быть проведена до желательной глубины, с точностью до нескольких мкм. Время жизни носителей уменьшается по траектории имплантации, и падает до самого низкого там, где частицы останавливаются. Протоны и гелий вызывают очень похожий дефект в кремнии. Однако, есть одно сильное различие - то, что протоны производят паразитный донорный центр (n-легирование), тогда как гелий остается почти полностью неактивным в смысле создания доноров или акцепторов.

Поэтому, должна быть соблюдена осторожность при внедрении протонов в n--область, так как это может негативно сказаться на рабочих параметрах прибора. Однако у протонов есть преимущество, которое заключается в том, что они могут быть имплантированы стандартными ускорителями частиц намного глубже, по сравнению с гелием. Из-за большой массы ионов гелия их максимальная глубина проникновения в кремнии ограничена приблизительно 100-150 мкм, даже когда используются относительно мощные ускорители частиц.

Как и все другие методы уменьшения рекомбинационного времени жизни, протоны и гелий также создают центры генерации, которые приводят к увеличению обратных токов. К счастью, эффективность генерационных центров низка, таким образом, влияние на ток утечки приемлемо.

Типичные дозы протонов лежат в диапазоне 1011-1013 см-2. Требуемая доза гелия для получения аналогичного эффекта - на порядок ниже этой величины. Это является следствием большей массы ядер гелия по сравнению с протонами.

2) Облучение электронами

Облучение электронами обычно используется, чтобы уменьшить рекомбинационное время жизни однородно в осевом направлении. Электроны предпочтительнее с этой целью из-за их маленькой массы. Они проникают через весь прибор даже при низких энергиях облучения.

Главная цель однородного уменьшения осевого времени жизни состоит в том, чтобы установить накопленный остаточный заряд на требуемом уровне. Есть, однако, и отрицательные явления, связанные с облучением электронами. С более коротким временем жизни носителей увеличивается прямое падение напряжения в открытом состоянии. Кроме того, высокая доза электронов также значительно увеличит обратный ток утечки.

В частности, необходимо также отметить влияние технологических операций, связанных с имплантацией и облучением на полевую часть структуры прибора, входящую в состав IGBT. Радиационное воздействие на МДП-структуру ведет к появлению в толще оксида захваченного заряда и увеличению плотности поверхностных состояний . Следствием этих процессов является неконтролируемое изменение рабочих параметров МДП-транзисторов и, в предельном случае, полная деградация МДП-структуры. Рассмотрим коротко механизмы деградации МДП-структур при радиационном воздействии:

Из сказанного ясно, что в процессе создания профиля времени жизни в базовой области IGBT будут модифицироваться свойства МДП-транзисторов и МДП-структур охранных областей, являющихся частью прибора. При этом рабочие параметры полевой части прибора не должны выходить за нормы, указанные в спецификации прибора. Основным критерием оценки рабочих параметров МДП-транзистора является уход значения порогового напряжения от нормы, т.к. при большом разбросе в величине порогового напряжения будет наблюдаться не полное включение прибора и как следствие – возможность образования «горячих» пятен. Необходимо отметить, что низкотемпературный отжиг, входящий в технологический цикл, способствует релаксации дефектов и восстановлению рабочих параметров МДП-транзисторов.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации