Обзор литературы. Изменение времени жизни носителей может оказать существенное влияние на характеристики прибора в зависимости от температуры.
Например, для многих приборов, таких как высоковольтные транзисторы, необходим большой температурный диапазон работы, в пределах 40 ° С - 125 ° С. Для этого решаются стандартные уравнения диффузионно – дрейфового приближения в программах моделирования полупроводниковых приборов одномерных и двумерных. Чаще всего здесь используется модель рекомбинации Шокли – Холла - Рида для одного уровня в запрещённой зоне. С помощью уравнения можно описать время жизни для электронов и дырок в этой модели t р =1 / s p V th N t t n =1 / s n V th N t (1.1) где: N t – концентрация рекомбинационных центров.
V th = (3kT/m) 1/2 » 10 7 см/сек – тепловая скорость носителей s p, s n – сечение захвата электронов и дырок соответственно. Можно предположить, что t n, р меняется с температурой как Т -1/2 В, если пренебречь зависимостью s p, s n от температуры. Однако, многочисленные опыты показывают, что эта зависимость t n, р гораздо сильнее.
Температурную зависимость времени жизни можно определить: t р ~ T 2.8 t n ~ T 2.2 (1.2) Также необходимо учитывать при моделировании приборов зависимость времени жизни от концентрации акцепторной и донорной примеси. Такая зависимость определяется формулой : t n, p (x) = t n, p / (1+( {N a (x)+N d (x)}/3*10 15 ) 1/2 ) (1.3) Было проводено 2-х мерное моделирование зависимости тока управляющего электрода в GTO (Gate Turn Off thyristor) от температуры. Для этого использовалась модель подвижности Даркеля и Летурка, учитывающая эффекты рассеяния носителей заряда на носителях, которые возникают при достаточно высоких уровнях инжекции, также были внесены изменения температурной зависимости подвижности носителей.
Здесь также учли диссипацию энергии при протекании тока и энергию рекомбинации. К сокращению времени жизни дополнительно в высоколегированных областях ( по Шарфеттеру) n-эмиттера использовался коэффициент 0,8, который учитывает эффекты геттерирования и еще коэффициент 0,3 в высоколегированных слоях р-эмиттера, учитывающий вжигание аллюминиевой металлизации на анодном контакте.
Ток, рассчитанный по этой модели ставился в сравнение с экспериментальным. В результате можно получить зависимость времени жизни (рис. 1.1) Рис. 1. Температурная зависимость времени жизни Рассмотри график, приведенный выше, при температурах от 25 ° С до 125 ° С линейно возрастает время жизни в зависимости от температуры. Постепенно из-за массового выпуска IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), появляется вопрос о качественном тестировании времени жизни носителей прямо на кристалле прибора.
Начинает рассматриваться вопрос о использовании для этой цели p-i-n диодов. Разрабатываются различные структуры, например тестовая структура, изготавливаемая непосредственно на кристалле IGBT и применяемая непосредственно для контроля времени жизни. Где приводятся вольт – амперная характеристика и значения падения напряжения на диоде в зависимости от времени жизни в n — базе. Максимальная плотность тока в диоде 100 А/см 2 . Тестируемые значения времени жизни от 4 до 100 m сек. По методу восстановления обратно смещенного диода поверялись определенные времена жизни по падению напряжения.
Но для уверенного определения времени жизни, площадь тестовых элементов, имеющихся на скрайбовой дорожке кристалла может быть мала. ИФП СО РАН был разработан метод, который позволяет определить время жизни на рабочих структурах МСТ после соответствующих технологических обработок.
Такой метод характеризуется, как восстановление обратно смещенного диода, где в качестве катода применялся Р-карман над которым находился контакт к затвору транзистора. 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 технологическая чистота процессов, используемых при изготовлении высоковольтных приборов.
Недостатком метода является то, что этот метод – разрушающий. Так как время жизни жизни в высокомной базе определяет такую важную характеристику прибора как, как потери энергии во время выключения прибора, то в литературе уделяется большое внимание регулированию этого параметра. В качестве одного из методов применяется облучение протонами эмиттерной (анодной) стороны прибора [15]. Эта технология позволяет уменьшить потери при выключении прибора путем введения большого числа рекомбинационных центров и уменьшения времени жизни носителей в базовой области, примыкающей к аноду.
В работе [16] в качестве примера рассматривался IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) c напряжением блокирования 4,5 кВ. Для облучения применялись протоны с дозами 5 × 10 11 см -2 и 7 × 10 11 см -2 . Об энергиях протонов в статье не сообщается, но по глубине залегания радиационных дефектов можно сказать, что она не менее 2 МэВ. Падения напряжения в открытом состоянии составили не менее 4,7 и 5,4 В соответственно при плотности тока 100 А/см 2 . Потери энергии при выключении составили 35 mДж/см 2 и 25 mДж/см 2 . Однако при повышении дозы облучения на ВАХ появлется участок с отрицательным динамическим сопротивлением, что приводит к осцилляциям тока и ухудшению характеристик прибора.
В статье [16] указано на необходимость точного подбора дозы облучения. Регулирование времени жизни представляет интерес не только с точки зрения его уменьшение.
Падение напряжения в низколегированой области зависит от величины времени жизни. В процессе технологических обработок пластины загрязняются примесями, многие из которых представляют из себя рекомбинационные центры. Поэтому встаёт вопрос о геттерировании таких примесей в процессе технологических обработок с целью повышения времени жизни носителей. Вопросы геттерирования подробно рассмотрены в [17] . 2.