Повышение импульсно-частотных, тепловых и инжекционных характеристик биполярных кремниевых структур методом радиационно-термической обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, доктор наук Лагов Петр Борисович

• Лагов Петр Борисович
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Лагов Петр Борисович

Введение

ГЛАВА 1. Основные механизмы радиационного изменения характеристик

полупроводниковых материалов и приборов

1. 1 Основные механизмы передачи энергии

1.2 Радиационное изменение характеристик приборов

1.3 Спектроскопия радиационных дефектов

1.3.1 Электронный парамагнитный резонанс

1.3.2 Релаксационная спектроскопия глубоких уровней

1.3.3 Метод фотолюминесцентной спектроскопии

1.4 Эффекты смещения атомов решетки в кремнии

1.4.1 Радиационные дефекты в кремнии

1.4.2 Влияние радиационных дефектов на кремниевые приборы

1.4.3 Способы повышения радиационной стойкости подложек

1.5 Радиационные центры в кремнии при обработке протонами

1.6 Выводы

ГЛАВА 2. Рекомбинация в кремниевых биполярных структурах

2.1 Рекомбинация и генерация на глубоких уровнях

2.2 Рекомбинационные примеси золота и платины

2.3 Рекомбинационные центры радиационного происхождения

2.4 Радиационно-ускоренная диффузия платины и палладия

2.5 Оптимизация параметров рекомбинационных центров

2.5.1 Рекомбинационное время жизни

2.5.1.1 Рекомбинация Шокли-Рида-Холла

2.5.1.2 Низкий уровень инжекции

2.5.2 Генерационное время жизни в области пространственного заряда

2.5.3 Оптимизация уровня рекомбинации

2.5.3.1 Приборы с низким уровнем инжекции

2.5.3.2 Приборы с высоким уровнем инжекции

2.5.3.3 Технологические ограничения

2.6 Технологическое регулирование времени жизни

2.7 Выводы

ГЛАВА 3. Повышение импульсно-частотных характеристик биполярных

транзисторов

3.1 Особенности работы биполярного транзистора

3.1.1 Модуляция проводимости базы

3.1.2 Характеристики переключения

3.1.3 Особенности геометрии и конструкции

3.1.4 Напряженность электрического поля в мощном БТ

3.1.5 Геометрия эмиттера

3.1.6 Характеристики во включенном состоянии

3.1.7 Переходной процесс при выключении

3.2 Характеристика исследуемых транзисторных структур

3.2.1 NPN-структуры 2Т3117

3.2.2 NPN-структуры 2Т378

3.2.3 PNP-структуры 2Т388

3.2.4 NPN-фоторанзистор в составе оптопары

3.3 Моделирование РТО на основе обработки ускоренными ионами

3.4 Результаты экспериментального исследования РТО на комплекс электрических параметров транзисторных структур

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. Регулирование быстродействия диодных структур методом РТО

4.1 Динамическое поведение PIN-диода

4.1.1 Выключение PIN-диода

4.1.2 Основные динамические параметры

4.1.3 Увеличение электрического поля при обратном токе

4.1.4 Динамический лавинный пробой

4.1.5 Срыв тока при обратном восстановлении диода

4.1.5.1 Срыв тока, обусловленный мелкой плазмой

4.1.5.2 Срыв тока при малой толщине прибора

4.1.5.3 Срыв тока при разбалансе эффективностей эмиттера

4.1.6 Ограничения условий работы диода

4.1.7 Принципы конструирования быстродействующих pin-диодов

4.2 Экспериментальное исследование повышения импульсно-

частотных характеристик диодов методом РТО

4.2.1 Импульсные эпитаксиально-планарные диоды

4.2.2 Диффузионные структуры сварочных диодов

4.2.3 Планарные силовые диоды

4.2.4 Встроенный диод в составе ЮВТ

4.2.5 Встроенный диод в структуре М08БЕТ

4.2.6 Сравнительные исследования термостабильности изменений

быстродействия диодных структур при различных вариантах РТО

4.3 Выводы

ГЛАВА 5. Экспериментально-технологическое оборудование РТО

5.1 Линейный ускоритель электронов УЭЛВ-10-10-С-70-1

5.2 Линейный ускоритель протонов И-2

5.2.1 Основные параметры и схема ускорителя И-2

5.2.2 Технологическая линия протонной обработки на базе И-2

5.3 Линейный ускоритель ионов И-3

5.4 Перезарядный электростатический ускоритель ЭГП-15

5.5 Тандемный перезарядный ускоритель Тапёйгоп

5.5.1 Общая характеристика ускорителя

5.5.2 Высоковольтная система

5.5.3 Согласование энергии

5.5.4 Типы ионов

5.5.5 Масс-анализатор высокого разрешения

5.5.6 Автоматизация управления

5.6 Разработка предложений по созданию технологического ускорителя

5.6.1 Требования к параметрам пучка ускорителя

5.6.2 Блок-схема ускорителя

5.6.3 Ионный источник

5.6.4 Ускоряющая система

5.6.5 Банчер

5.6.6 Резонаторы с трубками дрейфа

5.7 Мишенная камера

5.8 Выводы по разделу

Заключение

Список литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Начатые с 1960-х годов исследования в области радиационного материаловедения полупроводников и радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры и её элементов показали, что проникающая радиация представляет принципиальный интерес с точки зрения эффективного управления параметрами полупроводниковых приборов и интегральных схем в конце цикла их изготовления, когда иные методы неприменимы. Результаты проведенных ранее исследований показали, что проникающая радиация может производить как обратимые, так и устойчивые изменения электрофизических и электрических характеристик полупроводниковых приборов, сохраняющиеся стабильно в диапазоне рабочих температур приборов, что послужило основой к появлению и развитию нового направления работ по полезному использованию проникающей радиации в технологии твердотельных электронных приборов [1-11].

Радиационный технологический процесс (РТП) наиболее эффективен применительно к кремниевым биполярным приборам (диоды, биполярные транзисторы, тиристоры и др.) в связи с сильной зависимостью их параметров от времени жизни неосновных носителей заряда (времени жизни) и, соответственно, от характеристик центров рекомбинации (ЦР), вводимых при облучении [12-20]. В свою очередь, большинство полевых (униполярных) приборов и интегральных схем в силу технологических особенностей содержат встроенные в кристалл паразитные или функциональные биполярные элементы, и также могут рассматриваться в качестве объекта для эффективного применения РТП [21, 22].

Основными инструментами РТП в силу ряда физических и экономических причин следует рассматривать пучки ускоренных электронов для однородной обработки структур «напролет» и «легких» ионов (от водорода до углерода) с энергией до 10-20 МэВ для формирования скрытых рекомбинационных слоев. Указанный инструментарий позволяет эффективно решать большинство практических задач твердотельной электроники, связанных с регулированием времени жизни и соответствующих электрических параметров [23-32].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение импульсно-частотных, тепловых и инжекционных характеристик биполярных кремниевых структур методом радиационно-термической обработки»

Актуальность темы

Одним из важнейших направлений улучшения комплекса электрических параметров и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов является радиационная технология, которая включает облучение (электронное, альфа, гамма, протонное, ионное и др.) приборных структур на пластинах и последующий стабилизирующий отжиг при температурах 200-400 оС. Смещение атомов из узлов кристаллической решетки под воздействием облучения в сочетании с отжигом позволяет формировать термически стабильные центры рекомбинации (ЦР) в активных областях приборных структур, позволяющих в широком диапазоне регулировать значения электрофизических параметров полупроводникового материала и, соответственно, электрических параметров приборов. Наибольшее практическое применение нашло облучение электронами кремниевых биполярных и биполярно-полевых приборов для повышения быстродействия путем увеличения темпа рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Основные отличительные черты и преимущества электронно-лучевой технологии модификации полупроводниковых приборов состоят в следующем: возможность обработки на воздухе, регулирование плотности потока электронов током пучка и расстоянием от выходного окна за счет рассеяния на воздухе, обеспечение большой площади обработки за счет работы в сканирующем режиме, широкие возможности по конструированию и изготовлению «подпучкового» оборудования, включая системы контроля пучка и держателей и систем подачи образцов, возможность обработки полупроводниковых пластин в несколько слоев за счет высокой проникающей способности ускоренных электронов, возможность разогрева образцов пучком при необходимости, компактность и относительно невысокая стоимость оборудования и увеличения стоимости обрабатываемых изделий при резком повышении качества. Основным ограничивающим фактором электронной обработки является однородное формирование ЦР по глубине структуры биполярного прибора, что приводит к нежелательному росту сопротивления в открытом состоянии.

Рекордные характеристики быстродействия диодов и других биполярных структур при требуемых значениях статических параметров и показателя мягкости переключения, что особенно важно для приборов силовой электроники при работе на индуктивную нагрузку, а также в ряде других применений, могут быть достигнуты только путем аксиального регулирования времени жизни неосновных носителей заряда по глубине структуры, которое может быть реализовано посредством обработки протонами или легкими ионами. Последовательное внедрение радиационно-термических обработок (РТО) на Российских предприятиях позволит улучшить качество продукции целого сегмента электронной промышленности, в ряде случаев превысить мировой уровень и осуществить импортозамещение.

Цель работы - развитие научно-технических и основ совершенствования биполярных и биполярно-полевых кремниевых приборов, повышение их функциональных и эксплуатационных характеристик с применением радиационно-термических обработок на ускорителях заряженных частиц.

Для реализации цели были определены и решены следующие задачи:

- проанализировать физические процессы, происходящие в кремнии и кремниевых приборных структурах при воздействии различных видов проникающих излучений, приводящих к смещениям атомов решетки;

- проанализировать теоретические представления о рекомбинационных процессах в биполярных кремниевых структурах через различные ЦР и их влияние на статические и динамические параметры;

- подобрать характерные образцы биполярных транзисторных и диодных структур на пластинах, выпускаемых отечественными предприятиями для проведения экспериментальных исследований на ускорителях заряженных частиц;

- провести анализ структуры кристаллов биполярных структур и выявить локальные области для формирования ЦР, разработать адаптированные модели

транзисторных структур и провести имитационное моделирование воздействия ускоренных ионов различных типов;

- проанализировать технические возможности существующего в России ускорительного оборудования, наиболее подходящие для радиационно-термической обработки биполярных структур того или иного типа;

- провести обработку образцов биполярных структур различных классов на ускорителях электронов и ионов с учетом проведенного моделирования;

- разработать режимы и провести серии термических стабилизирующих отжигов биполярных структур, подвергнутых обработке ускоренными электронами и ионами, с учетом базового технологического маршрута;

- произвести измерения основных электрических параметров биполярных структур, ответственных за их функциональные и эксплуатационные характеристики, проанализировать результаты измерений;

- выбрать оптимальные режимы РТО биполярных структур конкретного типа по результатам измерений электрических параметров;

- выявить особенности различных вариантов радиационно-термических обработок для определения вариантов наиболее перспективного использования на этапах технологического маршрута;

- разработать предложения по конструированию и изготовлению автоматизированной высокопроизводительной вакуумной камеры для обработки полупроводниковых структур на ускорителях ионов;

- разработать технические требования и рекомендации по созданию компактного технологического ускорителя протонов, ориентированного на решение задач полупроводниковой электроники.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в том, что:

1. На основе имитационного моделирования и экспериментальных результатов доказано, что имплантация ускоренных ионов бора или углерода позволяет осуществлять локальное регулирование времени жизни неосновных носителей заряда в активных областях кремниевых биполярных структур

различных конструктивно-технологических типов. При этом по сравнению с имплантацией протонов и ионов гелия обеспечивается большая локальность модифицируемого слоя структуры, термостабильность изменений физических свойств, отсутствие легирования дополнительными примесями.

2. Показано, что имплантация ионов бора и углерода может использоваться для локального регулирования времени жизни кремниевых биполярных структур до формирования слоев металлизации приборных структур за счет большей термостабильности изменений физических свойств материала.

3. Локальная имплантация ионов водорода, гелия, бора и углерода в оптимальных режимах позволяет реализовать снижение времени переключения коллекторного перехода биполярных транзисторов и фототранзисторов без ухудшения усилительных и фотоэлектрических характеристик и не приводит к нежелательному росту напряжения насыщения коллектор-эмиттер.

4. Показано, что повышенная термостабильность локально модифицированных свойств биполярных структур после обработки ионами бора или углерода может быть использована для реализации способа локального термодиффузионного легирования примесями металлов диффузией из напыленного слоя.

5. Получены оригинальные закономерности изменения основных электрических параметров биполярных и биполярно-полевых приборов различных классов при технологической радиационной обработке на ускорителях электронов и ионов и последующем стабилизирующем отжиге.

6. Разработана и апробирована при разработке режимов радиационно-технологических процессов расчетно-экспериментальная методика оценки эквивалентного локального воздействия высокоэнергетичных ионов различной природы на кремниевые биполярные структуры, основанная на расчетной оценке эффектов смещения.

7. Показано, что имплантация ионов бора и углерода характеризуется меньшим ионизационным структурным повреждением диоксида кремния в структуре «диоксид кремния - кремний» при сопоставимых концентрациях

первичных вакансий в конце пробега имплантируемых ионов в сравнении с ионами водорода и гелия, и может быть использована как средство повышения быстродействия структур мощных полевых транзисторов.

8. Предложен новый способ протонной обработки полупроводниковых структур, сочетающий преимущества обработки электронами и протонами, и позволяющий реализовать как локальное, так и равномерное формирование центров рекомбинации в активных областях биполярных структур.

Практическая ценность работы состоит в использовании результатов при производстве продукции ряда предприятий и в перспективных разработках:

1. Разработке режимов РТО эпитаксиально-планарных диодных структур; результаты используются при серийном изготовлении импульсных быстродействующих диодов типа 2Д237 с низким значением обратного тока (Акт АО «ГЗ «Пульсар», г. Москва).

2. Разработке режимов РТО, используемых при изготовлении биполярных транзисторов 2Т9138А с повышенным быстродействием. Полученные результаты также могут быть использованы для изготовления ультрабыстрых диодов и биполярных транзисторов других типов (Акт АО «Фрязинский завод мощных транзисторов», г. Фрязино).

3. Использовании разработанных режимов РТО при изготовлении кристаллов для быстродействующих кремниевых эпитаксиально-планарных прп-и рпр-транзисторов 2Т3117А/ПК, 2Т378Б-2/ПК и 2Т388АМ-2/ПК с улучшенными временными параметрами. Разработанный метод планируется использовать в технологическом процессе изготовления кристаллов для быстродействующих кремниевых диодов 2Д706АС9/ПК, 2Д707АС9/ПК, 2Д803 АС9/ПК, а также диодов новых типов с малыми временами восстановления (Акт АО «Арсенал «КрЗПП», г. Краснознаменск).

4. Использовании результатов моделирования и разработанных режимов РТО для разработки и внедрения в производство планарных структур быстродействующих биполярных транзисторов с изолированным затвором и

кремниевых силовых диодов с быстрым восстановлением на напряжения от 1200 до 3300 В. Перспективности предложенных вариантов РТО для улучшения импульсно-частотных характеристик мощных полевых транзисторов различных типов (Акт АО «Ангстрем»).

5. Разработке режимов РТО для совершенствования биполярных структур различных классов - фототранзисторов в составе оптопар серии 3ОТ126, 3ОТ131; прецизионных стабилитронов 2С117; быстродействующих диодов различных типов (Акт АО «Оптрон», г. Москва).

6. Возможности применения полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований при изготовлении силовых сварочных диодов с мягким восстановлением и повышенным быстродействием на базе выпускаемых диодов Д053-7100, Д063-11500, Д056-9500, Д066-12500. Отдельные наработки, полученные по применению ускоренных электронов, используются для прецизионного регулирования характеристик переключения и снижения разброса статических и динамических параметров силовых тиристоров различных типов (Акт ЗАО «Протон-Электротекс», г.Орел).

7. Использовании результатов исследований в лаборатории радиационных технологий ИФХЭ РАН для технологической радиационной обработки производственных партий кремниевых биполярных приборов предприятий электронной промышленности - АО «ВЗПП-Микрон» г. Воронеж, ПАО «Электровыпрямитель» г. Саранск, ЗАО «Протон-Электротекс» г. Орел и др. (Акт ИФХЭ РАН, г. Москва).

8. Использовании рекомендации и предложения, разработанных по результатам исследований, в разработке многофункциональной установки BELA на базе ЭЦР источника и ускорителя протонов. Установка предназначена для отработки технологических решений по созданию компактных промышленных установок на базе линейных ускорителей протонов, в частности, для нужд электронной промышленности в части создания полупроводниковых приборов с улучшенными характеристиками (Акт НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ).

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты имитационного моделирования имплантации высокоэнергетичных ионов водорода, гелия, бора или углерода в активные области кремниевых диодных и транзисторных структур различных типов для локальной модификации физических свойств с учетом конструктивно-технологических особенностей.

2. Оптимальные режимы вариантов РТО, обеспечивающие повышение импульсно-частотных параметров биполярных диодных, транзисторных и фототранзисторных структур различных типов.

3. Вывод об эффективности применения высокоэнергетичных ионов гелия, бора или углерода для локального регулирования характеристик быстродействия биполярных структур до формирования слоев контактной металлизации.

4. Вывод перспективности применения высокоэнергетичных ионов бора или углерода для реализации способа локального термодиффузионного легирования примесями металлов диффузией из напыленного слоя.

5. Способ повышения быстродействия силового сварочного диода.

6. Методика оценки эквивалентного локального воздействия высокоэнергетичных ионов различной природы на кремниевые биполярные структуры, основанная на расчетной оценке эффектов смещения.

7. Вывод о перспективности применения РТО на основе имплантации высокоэнергетичных ионов водорода, гелия, бора или углерода в базовую область встроенного паразитного диода и последующей стабилизирующей термообработки для повышения быстродействия структур мощных полевых транзисторов со сформированной затворной системой.

8. Способ протонной обработки полупроводниковых структур, позволяющий реализовать в одном процессе как локальное, так и равномерное формирование центров рекомбинации в активных областях биполярных структур.

9. Рекомендаций по созданию компактного ускорителя протонов в части выбора оптимального набора дискретных энергий для технологической обработки биполярных структур различных классов.

Достоверность результатов работы обеспечивается:

1) применением для экспериментальных исследований высококачественных образцов полупроводниковых приборных структур, изготовленных в производственных условиях на высокотехнологичном оборудовании предприятий электронной промышленности;

2) применением высокоточного измерительного оборудования предприятий электронной промышленности для измерения электрических параметров и характеристик полупроводниковых структур;

3) проведением предварительных расчетных оценок режимов вариантов радиационно-термических обработок на основе ионной обработки с применением программы 8ММ на оптимизированных двумерных моделях исследуемых структур биполярных приборов (на основе информации от производителей);

4) применением уникального ускорительного оборудования (и оборудования контроля дозиметрии пучка) ведущих Российских научных организаций в области радиационных технологий и ускорительной техники:

- линейного ускорителя электронов «Электроника» ЭЛУ-6;

- ускорителя тяжелых ионов ИУБ-350 (НИТУ «МИСиС»);

- линейного ускорителя электронов УЭЛВ-10-10 (ИФХЭ РАН);

- линейного ускорителя протонов «И-2» (ИТЭФ);

- линейного ускорителя ионов «И-3» (ИТЭФ);

- уникальной научной установки «Электростатический перезарядный генератор ЭГП-15» (АО «ГНЦ РФ ФЭИ»);

- тандемного ускорителя ионов «Тапёейюп» (АО «ГНЦ РФ ФЭИ»);

5) Сопоставлением полученных результатов с результатами аналогичных научных работ и результатами измерений текущих партий полупроводниковых приборов, изготовленных по обычной технологии.

Апробация результатов исследований.

Результаты работы были представлены на:

1. I, II, IV Всероссийских конференциях по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний-98», «Кремний-2000», «Кремний-2007»; МИСиС(ТУ), г.Москва, 1998, 2000, 2007г.

2. Научно-технической конференции «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергий»; ВИМИ, г.Москва, 1999г.

3. II и III Всероссийских конференциях «Устройства и системы энергетической электроники» (УСЭЭ-2000, УСЭЭ-2001); АЭН РФ, г.Москва, 2000, 2001г.

4. Российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98», «Стойкость-2000», «Стойкость-2002», «Стойкость-2007», «Стойкость-2010», «Стойкость-2016»; НИИП, г. Лыткарино, 1998, 2000, 2002, 2007, 2010, 2016г.

5. V Семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Материалы и процессы создания приборов силовой электроники»; МИСиС(ТУ), г.Москва, 2001г.

6. Конференции международной академии информатизации; ФГУП НПП «Оптэкс», г.Москва, 2003г.

7. Международная научно-техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры»; МГАПИ, Севастополь, 2003г.

8. I и III Российской школе ученых и молодых специалистов по физике, материаловедению и технологии получения кремния и приборных структур на его основе «Кремний. Школа-99», «Кремний. Школа-2005»; МИСиС(ТУ), Москва, 1999, 2005г.

9. III Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века»; МИСиС(ТУ), г. Москва-Черноголовка, 2006г.

10. 39-м Международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах»; МЭИ (ТУ), Кафедра полупроводниковой электроники, Москва, 2008 г.

11. VIII и X научно-технической конференции молодых специалистов «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» («Пульсар-2009»; ФГУП «НПП «Пульсар», г.Дубна, 2009, 2011г.

12. III и IV Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике»; КБУ, г.Нальчик, 2010, 2011г.

13. I Международной научно-технической конференции имени Леонардо да Винчи; Российский дом науки и культуры, г.Берлин, 2013г.

14. International Symposium on Reliability of Optoelectronics for Systems (ISROS 2014) 16 - 20 June 2014 Toulouse, France.

15. XXV и XXVI Международных конференциях «Радиационная физика твёрдого тела»; ФГБНУ «НИИ ПМТ», г.Севастополь, 2015, 2016 г.

16. VI Всероссийской конференции (с приглашением специалистов стран СНГ) "Актуальные проблемы химии высоких энергий"; РХТУ, г.Москва, 2015 г.

17. 15th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS 2015); Moscow, Russia, 15-17 September 2015.

18. 12-й Российском симпозиуме «Атомистическое моделирование, теория и эксперимент»; г. Новый Афон, Абхазия, 2015г.

19. Семинарах-совещаниях ГНЦ РФ ФЭИ, в т.ч. «Импортозамещение в имитационных материаловедческих испытаниях», «Перспективы использования ускорителя Tandetron для научных, технологических и медицинских целей», г.Обнинск, 2014-2016 гг.

20. II конференции "Плазменные, лазерные исследования и технологии", секция «Ускорители заряженных частиц»; НИЯУ «МИФИ», 2016 г.

21. International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE 2016) 17th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter (17th RPC); Section: Physical principles of radiation technologies; Tomsk 2016.

22. 12th International Scientific Workshop in Memory of Professor V.P.Sarantsev «Problems of Colliders and Charged Particle Accelerators», 3-8 September 2017 Alushta, Crimea, Russia.

Результаты исследований апробированы на структурах кремниевых приборов различных классов выпускаемых предприятиями электронной промышленности, а также в учебном процессе на кафедре ППЭ и ФПП НИТУ «МИСиС».

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 342 страницы, содержит 166 рисунков, 44 таблицы, список литературы из 291 наименования, приложение (акты о внедрении, патенты).

Благодарности. Автор выражает признательность НИТУ «МИСиС», Институту новых материалов и нанотехнологий, кафедре полупроводниковой электроники и физики полупроводников; профессору, доктору технических наук Евгению Александровичу Ладыгину (1937-2007), а также ученым, преподавателям, специалистам различных организаций и коллегам, способствоваших выполнению работы: Ю.С. Павлову, Н.Н. Горюнову, В.Н. Мурашеву, А.М. Мусалитину, Н.А. Чарыкову, А.М. Сурма, В. А. Романову, Т.В. Кулевому, В.С. Столбунову, А.А. Мударисову, Б.С. Лагову, А.Е. Жердеву, В.П. Легостаеву, В.Т. Семенову, М.Ю. Филатову, А.С. Дренину, Ф.К. Пань, В.В. Заворотному, Г.И. Быкову, А.М. Нарышкину, Т.Б. Крицкой, П.С. Приходько, Ю.Е. Миронову, Г.Н. Савкову, А.Ю. Усенко, Г.И. Рагушину, А.А. Богомякову, А.П. Шемендюку, Т.В. Башлыковой, Ю.М. Прохоцкому, А.И. Курносову, Г.И. Кольцову, С.И. Диденко, М.Я. Дашевскому, Ю.В. Осипову, А.В. Паничкину, С.Ю. Юрчуку, Л.Г. Спицыной, К.И. Таперо, А. Л. Мельникову, С.П. Кобелевой, Б.В. Жалнину, А.П. Галееву, В.Н. Мартынову.

ГЛАВА 1. Основные механизмы радиационного изменения характеристик полупроводниковых материалов и приборов

1.1 Основные механизмы передачи энергии

Фотон, заряженная или нейтральная частица, обладающие достаточно высокой энергией и проходящие через твердотельную мишень, могут по-разному терять свою энергию, в силу чего количество переданной энергии зависит не только от массы и энергии излучения, но и от атомного номера и массы материала мишени. Энергия, переданная грамму материала, называется дозой (Б) и выражается в радах или Греях (1 рад = 100 эрг/г = 6.24-1013 эВ/г; 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад). Таким образом, потери энергии также зависят от плотности мишени и при рассмотрении полупроводниковых приборов говорят необходимо учитывать состав материала конкретной области. В качестве коэффициента преобразования используется 1 рад (81) = 0,58 рад (8Ю2) = 0,94 рад (ОаЛБ) [11]. Плотность частиц, падающих на материал на единицу площади и времени, называется потоком ф

[частиц/см •с], а поток, интегрированный по общему времени экспозиции,

2

называется флюенсом Ф [частиц/см ]. При разработке режимов РТО удобнее использовать флюенс [5, 9].

Ионизационный механизм передачи энергии является доминирующим при взаимодействии энергичных фотонов (у и X-лучей) с твердым телом. Как показано на рисунке 1 в зависимости от энергии фотона Ери могут иметь место различные фундаментальные взаимодействия, приводящие к созданию в материале свободных носителей (или пар носителей) с относительно высокой энергией. В низкоэнергетической части спектра (мягкое рентгеновское излучение с энергией в несколько кэВ) происходит полное поглощение энергии фотона в соответствии с фотоэлектрическим эффектом. При этом в полупроводнике связанный электрон валентной зоны переходит в зону проводимости через запрещенную зону Б6, оставляя свободную дырку. В результате образуется свободная электронно-дырочная пара.

ш 80 3

Е

т 60

О

о

< 40

N

20

ПРЕОБПАДА ФОТОЭЛЕКТРИ1 ЕТ / НЕСКИЙ '

ЭФФЕКТ ПРЕОБЛАДАЕТ ОБРАЗОВАНИЕ ПАР

/ ПРЕОБЛАДАЕТ \ / КОМПТОНОВСКОЕ \ / РАССЕЯНИЕ \

КРЕМНИЙ

0 0.01

100

0.1 1.0 10 ЭНЕРГИЯ ФОТОНОВ (МэВ)

Рисунок 1 - Относительный вклад трех видов взаимодействия фотонов с

материалами мишени. Сплошные линии соответствуют равным сечениям

взаимодействия для соседних эффектов [11]

В кремнии для образования одной пары требуется средняя энергия Ееь около 3.6 эВ, а для 8Ю2 вследствие большей энергии запрещенной зоны порог составляет от 17 до 18 эВ [13].

При промежуточных энергиях фотонов доминирует эффект Комптона, в соответствии с которым происходит неполное поглощение энергии фотонов, т. е. дополнительно испускается вторичный фотон меньшей энергии. Если эта энергия выше пороговой, то этот фотон снова может поглотиться и создать еще одну электронно-дырочную пару и т. д. В результате в полупроводниковом материале будет генерироваться некоторое среднее число пар носителей, которое пропорционально исходной энергии фотона Eph/Eeh. Это лежит в основе ядерной радиационной спектроскопии с использованием полупроводниковых диодных детекторов. Обычно с этой целью используется обратно-смещенный p-n-переход на основе высокоомного германия или кремния, в котором электрическое поле в обедненной области простирающейся на большую часть объема детектора, отделяет дырки от электронов.

Для энергий, превышающих порог 1,02 МэВ, становится важной генерация электрон-позитронных пар. Пределы равной вероятности также можно видеть на рисунке 1. Вероятность для различных процессов, как правило, описывается сечением взаимодействия, которое может проявлять сильные скачки в зависимости от энергии фотона или частицы. Следует отметить, что образование электронно-дырочных пар также является важным механизмом потери энергии для высокоэнергетического электронного и ионного облучения, а для облучения нейтронами оно имеет второстепенное значение.

Количество энергии, выделяемое в материале посредством ионизирующих взаимодействий, определяется функцией линейной передачи энергии (ЛПЭ) р'^ёЕ/ёх (в МэВ-см2/г), где рт - плотность материала и Е - энергия излучения; ёх - элементарная траектория в материале. Сила торможения является функцией материала мишени, типа частицы и ее энергии и теоретически может быть выражена следующей формулой [11]:

дЕ М 1 (4Е Л

дЕ 2Pq 4111 2 МаМ ■ЫЕЕ] (1)

V ЕеЬ У

т -11^2 а1 7—'

дх т Е

где 21 и 72 - атомные заряды налетающей частицы и материала мишени, -плотность атомов мишени; М2 - атомная масса мишени; т и Е - масса и энергия падающих частиц; Ееь - средняя энергия ионизации; q - заряд электрона по абсолютной величине,

Р - тормозящий номер материала, который медленно растет с энергией. Экспериментально было показано, что в кремнии [11]:

ёЕ _ 80 (2)

дх (у / с )2

где с - скорость света, у - скорость частицы.

При достаточно больших энергиях частиц энергия, передаваемая при упругом или неупругом ядерном столкновении, может быть достаточной, чтобы выбить атом из его узлового положения в кристаллической решетке. При этом создается вакансия (V) и междоузельный атом (I). Такое нарушение решетки называется точечным дефектом. Кремний характеризуется решеткой типа алмаза с параметром решетки 0,543 нм. Возможные варианты структуры кремниевой вакансии и междоузлия приведены в [2, 5, 11], из которых следует, что зарядовое состояние несколько изменяет конфигурацию точечного дефекта. Точечные радиационные дефекты очень подвижны при комнатной температуре и способны мигрировать на большие расстояния. Они могут исчезать путем рекомбинации на поверхности подложки или других стоках или захватываться атомами примесей, приводя к формированию более стабильных вторичных дефектов или комплексов.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Лагов Петр Борисович, 2018 год

Е - Е

г_г

кТ

+ £ ехр

Е - Е

г_г

кТ

(49)

Тогда ток генерации в ОПЗ

п

1оо = дЛЖв (50)

Тво

Для уменьшения этого тока утечки желательно иметь большое значение времени генерации в ОПЗ.

Как и в случае времени жизни НУИ, генерационное время жизни в ОПЗ зависит от положения ЦР в запрещенной зоне и параметра Пример изменения времени жизни в ОПЗ для кремния с положением центра рекомбинации показан

13 _3

на рисунке 47 для концентрации легирования 5-10 см .

Рисунок 47 - Время генерации в ОПЗ в кремнии [233]

Наименьшее значение времени генерации, а, следовательно, и наибольший ток утечки, имеет место, когда ЦР расположен близко к середине запрещенной зоны. С этой точки зрения желательно, чтобы ЦР располагался вдали от середины запрещенной зоны в сторону одного из краев. Эти результаты также указывают на то, что при наличии нескольких ЦР, центр расположенный ближе к середине запрещенной зоны, будет иметь наибольшее влияние на ток утечки из-за генерации носителей в обедненных областях.

Приведенный выше анализ предполагает, что ток утечки пропорционален ширине обедненного слоя, потому что генерация носителей происходит равномерно по этой области. Экспериментальные измерения на кремниевых приборах показывают, что равномерная генерация носителей происходит лишь в части ширины обедненной области [235]. Отклонение является наиболее сильным, когда приложенное обратное смещение через рп-переход мало и остается малым при больших обратных напряжениях смещения. Этим явлением обычно пренебрегают при анализе силовых приборов.

2.5.3 Оптимизация уровня рекомбинации

В случае униполярных силовых приборов нет необходимости снижать время жизни из-за отсутствия инжекции неосновных носителей при протекании тока. В связи с этим, общепринятым является поддержание высокой чистоты технологического процесса для обеспечения максимального времени жизни, и минимизации тока утечки. Однако, в случае биполярных силовых приборов, которые работают при существенной инжекции неосновных носителей для уменьшения сопротивления протеканию тока в открытом состоянии, становится необходимым уменьшить время жизни для достижения высокой скорости переключения, поскольку для восстановления режима блокировки инжектированные носители должны быть быстро удалены. Как было показано выше, генерационные времена жизни при НУИ и в ОПЗ зависят от положения ЦР в запрещенной зоне, а также от параметра определяемого сечениями захвата дырок и электронов на центре. Эмпирические исследования, проведенные с введением различных элементов в кремний, а также по его облучению частицами высоких энергий, выявили множество ГУ в запрещенной зоне. В принципе, любой из этих ГУ можно использовать для уменьшения времени жизни до желаемого значения путем контроля его концентрации. Тем не менее, были обнаружены некоторые примеси с ГУ, обеспечивающие наилучшие рабочие характеристики силовых приборов [236]. Это послужило причиной проведения теоретических исследований по оптимизации свойств ГУ для получения биполярных силовых приборов с наилучшими характеристиками [237].

2.5.3.1 Приборы с низким уровнем инжекции

В случае биполярных силовых приборов, которые работают в условиях низкого уровня инжекции (НУИ) во время токовой проводимости, концентрация инжектированных неосновных носителей значительно ниже концентрации легирования области дрейфа. При этом желательно получить малое время жизни

НУИ, чтобы ускорить удаление избыточных неосновных носителей во время процесса переключения прибора из включенного состояния в выключенное состояние. В то же время желательно поддерживать большой генерационное время жизни в ОПЗ, чтобы минимизировать ток утечки. Как показано на графиках на рисунке 46, для достижения малого времени жизни НУИ необходимо иметь ЦР вблизи середины запрещенной зоны. Напротив, как показано на рисунке 47, для достижения большого генерационного времени жизни в ОПЗ необходимо расположить ЦР вдали от середины запрещенной зоны. Чтобы разрешить этот противоречие, оптимальное положение ЦР можно получить через отношение генерационного времени жизни в ОПЗ к времени жизни НУИ. С учетом (45) и (49), получим

т

ехр

5С

ьь

( Ег - Е, кТ

+ Сехр

г Е, - Е г кТ

1 + ехр

( Е, - Ер кТ

+ С ехр

( 2Е, - Ер - Е г кТ

(51)

Чтобы максимально повысить эффективность работы биполярных силовых приборов, работающих во включенном состоянии при НУИ, необходимо выбрать свойства ЦР таким образом, чтобы вышеуказанное соотношение было максимальным.

На рисунке 48 показан пример изменения отношения (тэс/^ьь) в зависимости

13 -3

от положения ЦР для случая кремния с концентрацией легирования 5-10 см , иллюстрирующий процедуру оптимизации. Параметр сечения захвата £ при построении этих графиков был принят равным 100. Очевидно, что отношение имеет наибольшее значение, когда ЦР расположен вблизи края зоны проводимости или валентной зоны. При повышении температуры от 300 до 400 К наблюдается та же тенденция, но величина отношения становится почти на порядок меньше, указывая на то, что свести к минимуму ток утечки при проведении оптимизации при повышенных температурах гораздо труднее.

Положение уровня рекомбинации

Рисунок 48 - Оптимизация центра рекомбинации для кремниевых приборов, работающих в условиях НУИ в открытом состоянии [233]

Из рисунка 48 можно видеть, что отношение (тзС/тьь) остается высоким в диапазоне значений при положении центра рекомбинации вблизи краев зон. Этот диапазон является функцией концентрации легирования в кремнии и параметра сечения захвата Если этот диапазон определить на уровне 10% ниже максимального значения отношения времен жизни, как показано стрелками на рисунке 48, то можно установить связь между оптимальным положением ЦР и концентрацией легирования.

Для случая п-81 предпочтительные положения ЦР в запрещенной зоне указаны на рисунке 49 заштрихованными областями. Заштрихованная область на рисунке, расположенная выше середины запрещенной зоны, применима ко всем значениям параметра сечения захвата Когда ЦР расположен ниже середины запрещенной зоны, то для больших значений параметра сечения захвата £ показан более широкий диапазон оптимальных положений. Так для концентрации легирования 1014 см-3 ЦР должен находиться в пределах 0,15 эВ от края валентной зоны, если £ = 0,01, или вплоть до 0,4 эВ от края валентной зоны, если £ = 100.

Рисунок 49 - Предпочтительные положения центра рекомбинации для кремниевых приборов, работающих в условиях НУИ в открытом состоянии [233]

Кроме того, что для слаболегированного кремния доступен более широкий диапазон положений ЦР, обеспечивающий более широкие возможности при выборе примесей или дефектов отвечающих за снижение времени жизни в приборах с более высокими пробивными напряжениями. Из рисунка 48 видно, что максимальное значение для отношения (т^/т^) имеет место, когда ЦР расположен близко к краю зоны проводимости или валентной зоны. В обоих случаях максимальное значение зависит от концентрации легирования, но не зависит от параметра сечения захвата Из (51) можно показать, что максимальное значение для отношения (т^/т^) определяется выражением

г

80

ьь

= exp

( ЕР - Ег кТ

(52)

Изменение максимально достижимого значения для отношения (т^/т^) с концентрацией легирования показано на рисунке 50 при 300 и 400 К. Очевидно,

10° --—........—........—......

1013 1014 1015 101б

Концентрация легирующей примеси (см-3)

Рисунок 50 - Максимально достижимое (тзс/тьь) отношение для кремниевых приборов, работающих в условиях НУИ во включенном состоянии [233]

что отношение (тзС/тьь) уменьшается при уменьшении концентрации легирования и повышении температуры. Это затрудняет уменьшение времени жизни НУИ в высокоомном кремнии без существенного увеличения тока утечки по сравнению с низкоомным кремнием. Эта проблема усугубляется с ростом температуры, что является общей проблемой, связанной с саморазогревом силовых приборов.

2.5.3.2 Приборы с высоким уровнем инжекции

Большинство биполярных силовых приборов рассчитаны для работы в условиях высокого уровня инжекции (ВУИ) в прямом направлении, так что концентрация инжектированных неосновных носителей значительно превышает концентрацию легирования в области дрейфа. Это уменьшает сопротивление области дрейфа, приводя к меньшему падению напряжения в открытом состоянии и меньшей потере мощности. В этом случае желательно получить большое значение времени жизни ВУИ, чтобы максимизировать концентрацию инжектированных неосновных носителей и проводимость области дрейфа во

время протекания тока. В то же время желательно минимизировать время жизни НУИ, чтобы облегчить быстрое удаление избыточных неосновных носителей, что приводит к отключению тока в течение короткого времени и уменьшению рассеивания мощности во время переходных процессов.

Оптимизация свойств ЦР для силовых приборов, работающих в условиях ВУИ при протекании тока в открытом состоянии, может быть выполнена при помощи отношения времени жизни ВУИ к времени жизни НУИ [237]. Используя (45) и (46) получим

т

НЬ

1 + С

т

ьь

1 + exp

( - Ер кТ

( 2Е - Еъ - Е

(53)

_

кТ

Это отношение (т^/тьь) может быть максимизировано относительно положения уровня рекомбинации ^^ путем установления

й

(т ^ 1нь

йЕ

= 0

г \.ТЬЬ У

(54)

и решения для Er. Это создает первый критерий оптимизации для силовых приборов, работающих на ВУИ [233]

Ег = Ei + ^ 1П(С) . (55)

Обнаружено, что оптимальное положение ЦР не зависит от концентрации легирования в области дрейфа и зависит только от параметра сечения захвата £ и температуры. Оптимальное положение ЦР лежит выше середины запрещенной зоны, когда параметр поперечного сечения £>1, и ниже середины запрещенной зоны, когда его значение С < 1 (рисунок 51). Существует небольшой сдвиг в оптимальном положении от температуры.

Рисунок 51 - Оптимальное положение центра рекомбинации в кремниевых приборах, работающих в условиях ВУИ в открытом состоянии [233]

Для достижения наивысшей степени модуляции проводимости области дрейфа в силовых приборах, работающих при ВУИ, при сохранении высокой скорости переключения, необходимо получить большое абсолютное значение для отношения (т^/т^). Для кремния К-типа это происходит при большом значении параметра сечения захвата При более низких концентрациях легирования в области дрейфа и при более высоких температурах становится труднее достичь больших значений отношения (т^/т^).

Это можно проиллюстрировать, построив зависимость (т^/т^) в зависимости от концентрации легирования, как показано на рисунке 52 для нескольких значений параметра сечения захвата £ при температурах 300 и 400 К для ЦР, расположенного на 0,45 эВ выше края валентной зоны. Температурная зависимость отношения (т^/т^) возникает из-за изменения времени жизни НУИ с температурой.

Рисунок 52 - Оптимизация центра рекомбинации в кремниевых приборах, работающих в условиях ВУИ в открытом состоянии [233]

Для силовых приборов, работающих при ВУИ при протекании тока, желательно достичь быстрого перехода времени жизни от условий НУИ до условий ВУИ. Это максимизирует диапазон уровней инжекции, при которых время жизни ВУИ остается большим, так что падение напряжения в открытом состоянии является низким и одновременно обеспечивает малое время жизни при НУИ, чтобы ускорить процесс выключения во время переходного процесса. Скорость изменения времени жизни от НУИ до ВУИ может быть увеличена путем выбора положения ЦР таким образом, что

ё (ёт ёК I ёк,

= 0

(56)

где т - время жизни в соответствии с (39), И - нормированный уровень инжекции.

Решение этого уравнения оказывается идентичным (55). Поэтому положение оптимальных ЦР находится вблизи середины запрещенной зоны (рисунок 51). Однако, такие ЦР также усиливают ток генерации в ОПЗ. Следовательно, оптимальное расположение ЦР для случая ВУИ противоречит необходимости сохранения низких токов утечки в силовых приборах.

Это противоречие можно разрешить путем более детального изучения изменения отношения (тнъ/тьь) с положением ЦР. Изменение отношения (тнъ/тьь) от положения ЦР показано на рисунках 53 и 54 для двух примеров концентраций

1 з _з 15 _з

легирования области дрейфа 10 см и 10 см при трех значениях параметра сечения захвата

В случае более высокого уровня легирования в области дрейфа отношение (тНъ/тьь) проявляет широкий максимум для всех трех значений параметра сечения захвата Следовательно, ЦР может располагаться вдали от середины запрещенной зоны, не вызывая при этом значительного уменьшения (тНъ/тьь).

Положение уровня рекомбинации (эВ) Рисунок 53 _ Оптимизация центра рекомбинации в кремниевых приборах, работающих в условиях ВУИ в открытом состоянии [233]

Положение уровня рекомбинации Рисунок 54 - Оптимизация центра рекомбинации в кремниевых приборах, работающих в условиях ВУИ в открытом состоянии [233]

При таком подходе ток утечки может быть уменьшен без существенного влияния на падение напряжения в открытом состоянии. Такое поведение наблюдается и для случая низкой концентрации легирования при 300 К, но при больших значениях параметра сечения захвата £ широкого максимума при 500 К не наблюдается. Оптимальное положение ЦР, которое обеспечит большое значение отношения (тнъ/тьь) при минимизации тока утечки, может быть выбрано на уровне, где отношение на 10% ниже своего максимального значения для случаев широкого максимума, и на пике отношения для случаев с резким максимумом. Оптимальное положение ЦР, полученное при таком подходе, показано на рисунке 55 как функция концентрации легирования области дрейфа. Стоит отметить, что, хотя на приведенных рисунках определены два оптимальных положения ЦР по обе стороны от максимума, следует выбрать только уровень, расположенный выше середины запрещенной зоны, поскольку это приводит к желаемому увеличению времени жизни с уровнем инжекции.

Рисунок 55 - Оптимальное положение центра рекомбинации в кремниевых приборах, работающих в условиях ВУИ в открытом состоянии [233]

Плоские линии при 500 К, наблюдаемые при более низких концентрациях легирования, связаны со случаями, когда имеет место резкий пик при изменении отношения (thl/tll)- Можно заметить, что оптимальное положение ЦР приближается к середине запрещенной зоны, когда концентрация легирования в области дрейфа уменьшается. Следовательно, низкий ток утечки труднее обеспечить в приборах, предназначенных для более высоких напряжений.

2.5.3.3 Технологические ограничения

Введение ЦР с ГУ в запрещенную зону может привести к изменению удельного сопротивления области дрейфа. Когда концентрация ЦР приближается к концентрации легирования, электроны переходят с донорного уровня не в зону проводимости, а на ГУ. Уменьшение концентрации свободных электронов вызывает увеличение удельного сопротивления, называемое компенсацией. Изменения удельного сопротивления области дрейфа могут приводить к уменьшению пробивного напряжения силовых приборов. Поэтому желательно

минимизировать компенсацию, используя наименьшую концентрацию ЦР достаточную для обеспечения желаемого уменьшения времени жизни. Время жизни связано с концентрацией ЦР через зависимости (42) и (43). Такое же значение для времени жизни может быть достигнуто при меньшем значении концентрации ЦР, если их сечения захвата для дырок и электронов будут больше.

С практической точки зрения технологии изготовления также желательно, чтобы для кремниевых дрейфовых областей в широком диапазоне удельного сопротивления можно было использовать один и тот же процесс введения ЦР. Это позволяет изготавливать различные силовые приборы, используя единый процесс управления времени жизни. С этой точки зрения, свойства ЦР следует выбирать так, чтобы соотношение (тнъ/тьь) оставалось высоким в широком диапазоне уровней концентрации легирования.

Изменение отношения (тНь/тьь) с изменением удельного сопротивления для кремниевой области К-типа показано на рисунке 56 для случая значения параметра сечения С, = 100.

ю2

-1

_:

х

к к

сп

X й я

■и

и а

оз

О)

к

X

V

а

о X

Е-

о

ю1

10°

10°

Ег = 0.7 эВ

1 /

Е, = 0.555 эВ

Ег = 0.4 эВ

101 102

Удельное электросопротивление (Ом-см)

103

Рисунок 56 - Технологические соображения для центра рекомбинации в кремниевых приборах, работающих в условиях ВУИ в открытом состоянии [233]

На этом графике для сравнения показаны три варианта положения ЦР. Очевидно, что имеет место значительное уменьшение отношения (тнъ/тьь), когда ЦР расположен ниже середины запрещенной зоны. Наименьшее уменьшение отношения (тНъ/тьь) наблюдается, когда ЦР находится в середине запрещенной зоны. Однако это противоречит достижению малых токов генерации в ОПЗ в режиме блокировки. Поэтому предпочтительно расположить ЦР немного выше середины запрещенной зоны (как показано для случая с уровнем энергии 0,7 эВ), что соответствует оптимальному положению центра рекомбинации, рассмотренному в предыдущих разделах.

2.6 Технологическое регулирование времени жизни

Производство силовых полупроводниковых приборов осуществляется с использованием условий высокочистой обработки, чтобы свести к минимуму случайное внедрение ЦР. Непосредственно после изготовления приборы имеют медленную скорость выключения из-за длительного времени, необходимого для удаления неосновных носителей с путем рекомбинации. Для удовлетворения требований предъявляемым к рабочим характеристикам различных силовых электронных систем скорость выключения приборов повышается за счет контролируемого введения ЦР в решетку полупроводника. В приборах, работающих на более высоких частотах, для уменьшения потерь переключения необходимо вводить большее количество ЦР.

Было разработано два фундаментальных подхода для контроля времени жизни в силовых приборах. Первый метод основан на термодиффузии примеси, которая имеет глубокие уровни (ГУ) в запрещенной зоне кремния. Второй метод заключается в создании структурных повреждений решетки в виде вакансий и междоузельных атомов внедрения в кристалле кремния путем бомбардировки частицами с высокой энергией. Исторически диффузионный процесс был разработан задолго до процесса облучения частицами. Было обнаружено, что различные примеси создают ГУ в запрещенной зоне кремния [238]. Несмотря на

то, что многие из этих примесей являются потенциальными кандидатами для уменьшения времени жизни в кремниевых силовых приборах, широкое практическое применение нашли лишь золото и платина. Аналогичным образом, несмотря на то, что структурные повреждения решетки могут быть получены за счет использования любой энергетической частицы, для коммерческих приборов было применено только облучение электронами и у-квантами Co60 из-за их оптимального уровня поглощения в кремнии, обеспечивающему равномерное уменьшение времени жизни по глубине.

Диффузия золота и платины в кремнии происходит гораздо быстрее, чем диффузия легирующих атомов, таких как бор и фосфор. Поэтому, введение примесей с ГУ осуществляется после изготовления структуры прибора, но непосредственно до нанесения металлизации. Для обеспечения однородного распределения примеси по глубине пластины диффузию обычно проводят при температурах от 800 до 900°С. Концентрация примеси с ГУ в решетке кремния регулируется путем точного выбора температуры диффузии, поскольку от нее зависит растворимость примеси в твердой фазе. Более высокая температура диффузии дает увеличение концентрации примеси с ГУ, что в свою очередь снижает время жизни. Температура пластины должна быть резко снижена путем закалки после проведения диффузии для фиксации примесей внутри решетки.

Температура диффузии для примесей с ГУ превышает точку эвтектики между кремнием и алюминиевой металлизацией, используемой для силовых приборов. Следовательно, в диффузионном методе контактный металл может быть нанесен только после введения глубокой примеси. Это означает, что приборы не могут быть протестированы до проведения процесса регулирования времени жизни. Кроме того, небольшие изменения температуры диффузии могут приводить к большому изменению характеристик приборов, что приводит к плохому распределению параметров изготавливаемых приборов. Эти проблемы могут быть преодолены при использовании радиационного технологического процесса на основе облучения частицами с высокой энергией.

Облучение кремния высокоэнергетическими частицами приводит к смещению атомов кремния из их узлового положения в решетке. Смещение атомов создает вакансию и междоузельный атом кремния. Вакансия в решетке кремния очень подвижна при комнатной температуре, в связи с чем дефекты, которые остаются после облучения, состоят из комплексов на основе вакансии и атомов примесей или дивакансий. В областях с высоким удельным сопротивлением в силовых биполярных приборах, где процессы рекомбинации неосновных носителей определяют скорость переключения, дивакансия была идентифицирована как основной ЦР в областях р- и ^типа [239], [240].

Для управления временем жизни в биполярных силовых приборах было показано, что электронное облучение электронами МэВ-ного уровня энергий [236] и у-квантами Co60 [241] являются практически значимыми технологиями. Существует много преимуществ использования этих методов облучения: (а) облучение может быть выполнено при комнатной температуре после полного изготовления прибора (включая металлизацию), что позволяет проводить первоначальные испытания его характеристик, а также характеристик, непосредственно после облучения; (б) время жизни можно точно контролировать, регулируя дозу или флюенс облучения; (в) может быть достигнуто более узкий разброс характеристик приборов благодаря более точному регулированию концентрации ЦР; (г) характеристики приборов можно «подогнать», проводя облучение поэтапно с проведением измерений электрических параметров после каждого этапа; (д) радиационные повреждения можно удалить посредством отжига приборов при >400°^ что позволяет восстановить приборы, которые были переоблучены; (е) процесс облучения является более чистым по сравнению с диффузией примесей при высоких температурах, что позволяет избежать общих проблем связанных с загрязнением оборудования глубокими примесями, такими как золото.

Концентрация ЦР, создаваемых при электронном облучении, пропорциональна полному потоку бомбардирующих частиц на единицу площади.

Время жизни неосновных носителей зависит от ЦР, производимых облучением, а также от наличия каких-либо ЦР до облучения

1 + Кф , (57)

где т - начальное время жизни перед электронным облучением,

ф - суммарная плотность электронов на квадратный сантиметр.

1

Константа К зависит от энергии электронов, используемых для создания

_8 2 _1

структурных повреждений. Для энергии 3 МэВ К = 10 см с . Доза облучения электронов может точно контролироваться измерением тока пучка. Если начальное время жизни неосновных носителей велико, то время облучения можно контролировать точнее. Конечное время жизни становится однородным по площади даже у больших приборов, таких как тиристоры и ОТО, изготавливаемые с использованием целой пластины. При изготовлении этих приборов используются специальные способы геттерирования для достижения высоких значений времени жизни на стадии кристального производства для обеспечения лучшего контроля и однородности времени жизни после облучения.

Хотя метод электронного облучения дает много преимуществ, управление временем жизни с использованием диффузии золота по-прежнему используется, поскольку обеспечивает наилучшие характеристики проводимости в открытом состоянии. Кроме того, обнаружено, что дефекты, возникающие при электронном облучении, диссоциируют при повышенных температурах, вызывая опасения относительно долгосрочной стабильности силовых приборов. Однако исследования поцессов отжига [239] показали, что, хотя дивакансия действительно диссоциирует при 300 °С, время жизни при этом заметно не изменяется из-за появления нового ЦР. Таким образом, для типичных условий работы электронное облучение обеспечивает долговременную стабильность приборов [5, 9].

Введение ЦР легированием кремния золотом, платиной или электронным облучением приводит к появлению множества ГУ в запрещенной зоне. Положение ГУ для этих трех случаев представлено на рисунке 57.

Рисунок 57 - Глубокие уровни центров рекомбинации в кремнии

Диффузия золота в кремнии приводит к формированию акцепторного и донорного уровня в запрещенной зоне [242]. В случае платины в запрещенной зоне были идентифицированы четыре ГУ [243], а в кремнии К-типа после электронного облучения [239] наблюдались три ГУ. ГУ, наиболее близкий к середине запрещенной зоны, оказывает самое сильное влияние на процесс рекомбинации неосновных носителей. Для расчета времени жизни необходимо знать сечение захвата дырок и электронов на этих доминирующих глубоких уровнях. Эти данные для всех трех случаев представлены в Таблице 5.

Таблице 5 - Свойства доминирующих глубоких уровней в кремнии

Тип ЦР Доминирующий энергетический уровень (Бу+...), эВ Сечение захвата дырок 2 Ор, см Сечение захвата электронов оп, 2 см Параметр сечения захвата £

Золото 0.56 6.0840"15 7.21 •10-17 69.7

Платина 0.42 2.7040"12 3.20-10-14 69.8

Электронное облучение 0.71 8.6640"16 1.6110-16 4.42

Используя данные, представленные в таблице 5, можно рассчитать отношение (тНъ/тьь) для каждого из доминирующих уровней для этих трех случаев. Изменение отношения (тНъ/тьь) представлено на рисунке 58 как функция удельного сопротивления для кремния К-типа. Можно заметить, что изменение значительно меньше для случая золота и облучения электронами по сравнению с платиной, что делает эти методы более привлекательными для контроля времени жизни в приборах с широким диапазоном напряжений пробоя. Можно также видеть, что это отношение намного больше для золота по сравнению с электронным облучением, что указывает на то, что использование золота позволяет обеспечить наилучшие характеристики биполярных силовых приборов во включенном состоянии. Это было экспериментально подтверждено для кремниевых Р-ьК выпрямителей [236].

102

10° I--—ЬЬ^Ш--—--L-L^J-L±Ll

10° 101 102 103

Удельное электросопротивление (Ом-см)

Рисунок 58 - Отношение времен жизни ВУИ/НУИ для ЦР в кремнии [233]

Также важно рассмотреть влияние регулирования временем жизни, выполненного с использованием трех вышеуказанных вариантов, на ток утечки,

создаваемый генерацией в ОПЗ. Температурные зависимости отношения (тзс/тьь) для трех случаев представлены на рисунке 59.

Рисунок 59 - Отношение генерационного времени жизни в ОПЗ ко времени жизни НУИ для центров рекомбинации в кремнии [233]

При комнатной температуре наименьшее отношение наблюдается для золота, в связи с близким расположением ГУ к середине запрещенной зоны. Большие значения отношения (тзС/тьь) для случая платины и электронного облучения указывают на то, что приборы, изготовленные с использованием этих методов регулирования времени жизни, будут иметь меньшие токи утечки. Это действительно наблюдалось в силовых выпрямителях, изготовленных с использованием этих трех процессов регулирования времени жизни [236]. Исходя из этих теоретических соображений, электронное облучение предпочтительнее золота для регулирования времени жизни при сохранении низкого тока утечки. Кроме того, в связи с упомянутыми выше практическими преимуществами для производства технология электронного облучения более предпочтительна.

2.6 Выводы

1. Проанализированы теоретические представления о рекомбинационных процессах в биполярных кремниевых структурах через различные ЦР, и их возможное влияние на статические и динамические параметры. Рассмотрено влияние энергетического положения ЦР и уровня инжекции на рекомбинационное и генерационное время жизни носителей заряда. Приведены результаты теоретических исследований, направленные на поиск оптимальных положений ЦР в запрещенной зоне кремния, в том числе с учетом концентрации основной легирующей примеси, температуры, уровня инжекции, а также обратного тока и сопротивления в открытом состоянии. Показано, что оптимальные положения ЦР для кремния п-типа проводимости лежат в диапазоне от Ес-0,4 до Ес-0,2 эВ в диапазоне наиболее распространенных значений концентрации легирующей

13 15 -3

примеси 10 -10 см , соответственно.

2. Приведены наиболее распространенные способы контролирования времени жизни, основанные на термодиффузионном легировании рекомбинационными примесями золота и платины, а также технологические особенности проведения этих процессов и получаемых профилей распределения по глубине кремниевой структуры. Рассмотрены радиационные методы, основанные на облучении полупроводниковых пластин со структурами приборов, приводящих к формированию ЦР, и последующем стабилизирующем отжиге. Для операции облучения может быть использована обработка электронами или протонами с применением ускорителей, в некоторых случаях - обработка гамма-квантами или альфа-частицами с применением изотопных источников.

3. Показано, что применение вариантов РТО, обеспечивающей локальное регулирование времени жизни носителей заряда, открывает более широкие возможности по управлению параметрами биполярных структур, однако требует детального понимания физики работы конкретной приборной структуры, точной конструкции и технологии кристалла, проведения моделирования РТО и применения более сложного оборудования - ускорителей ионов.

Глава 3. Повышение импульсно-частотных характеристик биполярных

транзисторов

После изобретения в 1947 г имело место активное развитие теории, конструкций и технологий дискретных и интегральных биполярных транзисторов (БТ) различного уровня мощности. В настоящее время, несмотря на уменьшение общей доли их производства в структуре рынка полупроводниковой продукции, их выпуск продолжается, в том числе в составе интегральных схем, и они используются разработчиками РЭА. При этом до сих пор остается нерешенным ряд вопросов связанных с оптимизацией их статических и динамических параметров, а именно времени рассасывания (или переключения перехода «коллектор-база», коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером И21Е и напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» иСЕза1. Частично решение этой проблемы было показано в работах [5, 9] с применением РТП на основе электронного облучения путем определенного компромисса в части уменьшения Ь21Е и роста иСЕза1 в рамках норм ТУ. Определенные технические решения были предложены с использованием протонного облучения [5] , однако они не нашли широкого применения в силу причин, связанных с доступностью ускорителей протонов, ограничениями параметров пучка, примененных режимов, организационными причинами.

Сегодня реальное применение находит РТП транзисторов прп-типа с применением ускорителей электронов (например, 2Т9138) [255] или изотопных источников а-частиц. При обработке транзисторов рпр-типа в большинстве случаев не удается подобрать оптимальные режимы облучения и отжига в связи с сильным нежелательным ростом ИСЕза1. Объемы выпуска кремниевых биполярных приборов не уменьшаются, требования к ним растут в связи с использованием в современной аппаратуре, поэтому в настоящей работе предложен и реализован новый подход, позволяющий достичь наилучшего сочетания параметров как для прп- так и для рпр-транзисторов на примере ряда транзисторов выпускаемых отечественными предприятиями.

3.1 Особенности работы биполярного транзистора

Для оптимизации комплекса параметров БТ, необходимо проанализировать некоторые особенности работы и конструкции полупроводниковой структуры этих приборов, которые определяют параметры ^1Е, ts и ЦСЕ^. При этом основы теории работы БТ будут рассмотрены выборочно, по сути имеющие отношение к выбору оптимальных режимов РТП на основе протонной обработки или обработки легкими ионами (до углерода включительно). Основной задачей является максимальное снижение ts (или tsw) при минимальном снижении ^1Е и минимальном росте иСЕ^ (или полном отсутствии изменения этих параметров). В связи с этим будут рассмотрены эффект модуляции проводимости базы, характеристики переключения, характеристики во включенном состоянии.

3.1.1 Модуляция проводимости базы

При достаточно высоком токе в БТ со слаболегированной эпитаксиальной областью коллектора итоговый заряд в коллекторе значительно изменяется. Это сопровождается перемещением области с высокой напряженностью поля от перехода «коллектор-база» к п+-коллектору [244]. Эффективная ширина базы увеличивается от Wв до Wв+Wс в предельном случае. Это явление перемещения области высокого поля называется эффектом Федотова или Кирка [245], который приводит к увеличению эффективного числа Гуммеля в базе и вызывает снижение ^1Е. Важно обратить внимание, что достаточно большие токи в условиях высокой инжекции обусловливают значительную напряженность электрического поля в области высокоомного коллектора. При этом классическое понятие четкой границы переходов «эмиттер-база» и «коллектор-база» утрачивает силу. На рисунке 60 показаны результаты вычислений распределений электрического поля при фиксированном Усв и различных плотностях тока

коллектора [246]. Заметим, что при увеличении тока пик электрического поля

+

сдвигается к п -коллектору.

Глубина(мкм)

Рисунок 60 - Электрическое поле как функция расстояния при различных плотностях тока коллектора, отражающая эффект Кирка [244]

Как показано на рисунке 60, обусловленная током инжекции ширина базы ШС1в зависит от концентрации легирования коллектора и плотности тока коллектора. При высокой плотности тока, когда плотность инжектированных электронов выше уровня легирования коллектора, итоговая плотность заряда перераспределяется в пространстве так, что изменяется полярность. Переход «база-коллектор» перемещается вглубь коллектора (рисунок 61).

ч. к а

Л

со

О

й н О и Д

0 х

1

н ш

о и

Ч и

с I

о О

а

(б)

р-база

-Щ*

л-коллектор

■ Щ

С1В-

■и^ч

-И/с-

п +

пс-1\:

Рисунок 61 - Область пространственного заряда, показывающая расширение базы при больших токах (эффект Кирка). (а) Низкий ток коллектора; (б) Высокий ток

коллектора, ширина базы Шв +

В предположении, что при высоких полях электроны перемещаются со скоростью насыщения концентрация плотности инжектированных электронов пс связана с плотностью тока коллектора выражением

= дпсу8

(58)

Общая концентрация носителей пространственного заряда будет пс - Кс, а новая область пространственного заряда Wsс вблизи п+-подложки имеет вид

Ж =

2еУсВ

д(пс - Мс)

(59)

Ширина базы, индуцированная током

Жсв = Жс - Жс = Жс -

(60)

Удобно считать критический ток коллектора, когда модуляции начинает устанавливаться, т.е. когда WCIB=0, тогда плотность критического тока

^ к °

г 2е¥ Л

N + ^ ^св

дЖс

с

(61)

Уравнение (60) может тогда быть переписано в виде

Жсв = Жс

1 -

11

^к- дувМс

^с- дувМс у

(62)

Поскольку 1с становится больше, чем 1К, то WCIB возрастает; и когда 1с становится много больше, чем 1К, WCIB приближается к Wс.

3.1.2 Характеристики переключения

При работе БТ в качестве переключателя необходимо обеспечить быстрое изменение непроводящего состояния на проводящее и наоборот [247]. Основные условия работы импульсных транзисторов отличаются от условий работы СВЧ (микроволновых) транзисторов, потому что переключение представляет собой переходный процесс большого сигнала. СВЧ транзисторы обычно имеют дело с усилением малого сигнала. Типичные примеры коммутации имеют место в цифровых (или силовых) схемах. Наиболее распространенный режим включенного состояния - режим насыщения, который почти дублирует функцию идеального переключателя. Реакция БТ характеризуется некоторыми сдерживающими факторами при входе и выходе из режима насыщения. Вариант включения по схеме с общим эмиттером (ОЭ), управляемый прямоугольным импульсом базового тока, показанный на рисунке 62.

Рисунок 62 - (а) Рабочие точки в состоянии «включено» и «выключено» в схеме с ОЭ. Штриховая линия указывает на ограничение включения в нормальном режиме для минимизации времени рассасывания 18. (б) Профиль распределения неосновных носителей в базе в разные моменты времени. (в) Реакция Qв и 1с на

входной ступенчатый импульс тока базы

В активной области, накопленный заряд в базе соответствует Qв. При насыщении заряд поднимается выше этого значения Qв без увеличения тока коллектора (рисунок 20б). Это изменение Qв приводит к возникновению переходного процесса. После включения БТ базовым током Qв приближается к стационарному значению 1втп, согласно выражению

бв = 1вгп

1 - ехр

С t ^

V тп;

(63)

где 1;оп - время необходимое для увеличения Qв до значения насыщения Qs.

Критерием насыщения является превышение базовым зарядом значения в нормальном режиме

1 ш2

б, = ^^. (64)

В области насыщения 1с определяется, главным образом, последовательным сопротивлением коллектора (»Усв/Яс). Тогда время включения будет

: т„ 1п

1 -(б, / 1в*п )

(65)

и обычно меньше времени выключения (суммы и на рисунке 20в).

Когда в момент 12 базовый ток отключается, Qв спадает экспоненциально с постоянной времени тп. Время рассасывания представляет временной интервал спада Qв от 1вТп до Qs

t„ = г„ 1п

, п

С1 г л

б,

(66)

V

За этот отрезок времени 1с значительно не изменяется. После момента 113 ток 1с экспоненциально снижается с постоянной времени тп. Тогда время задержки ^ спада тока коллектора до уровня 10% от его максимального значения составит 2.3тп. Сумма и представляет суммарное время выключения.

1

t

Чтобы отключить БТ из состояния насыщения, все разновидности накопленного заряда должны быть нейтрализованы или удалены из базы и из слаболегированной п--области коллектора. Процесс выключения запускается посредством изменения направления базового тока с прямого на обратное. Избыточные неосновные носители, а именно дырки, в п--области коллектора постепенно расходуются на поддержание коллекторного тока. Избыточные неосновные носители, имевшиеся в базе, удаляются обратным током базы. При этом обратный ток базы не влияет на процесс рекомбинации п--области коллектора. Период после прекращения положительного тока базы до тех пор, пока БТ не войдет в линейную область, называется временем рассасывания или насыщения 18. Как правило, чем больше коэффициент И21Е, тем больше 18.

Оптимальное выключение происходит, когда эмиттерный переход отключается под действием обратного тока базы, сразу, как только коллекторный переход отключается и входит в линейную область. Таким образом, время спада тока коллектора может быть уменьшено путем увеличения обратного тока базы сразу после отсечки коллекторного перехода, который контролирует время спада тока коллектора 1^.

В ключевом режиме следует избегать работы в линейной области, или, по крайней мере, проходить быстро, из-за связанных с ней высоких потерь мощности прибора. Хотя в насыщенном состоянии при 1вр»1с/Ь21Е усиление и потери в прямом направлении минимальны, это состояние не способствует быстрому выключению и переходу в область отсечки. В ключевом режиме, чтобы увеличить скорость выключения (уменьшить и 1^), транзистор может удерживаться в области квазинасыщения путем уменьшения и контроля величины тока прямой базы, так что прибор находится на грани насыщения, 1вр~1с/Ь21Е, но не в линейной области. Потери во включенном состоянии при квазинасыщении несколько выше. При этом собирающая п--область может рассматриваться как дополнительное последовательное сопротивление в цепи коллектора, которое уменьшается по мере проникновения области нейтральной базы и снижается до нуля при насыщении [248].

В [244] также отмечается, что время выключения сильно ограничивает скорость переключения в цифровых схемах, и это частично вызвано избыточным зарядом, инжектированным из коллектора в базу при прямом смещении. Одним из способов снижения этой инжекции неосновных носителей является подключение диода Шоттки параллельно переходу «коллектор-база» (рисунок 63). Диод Шоттки ограничивает прямое смещение между базой и коллектором, значительно снижая заряд в базе в сторону Qs. Будучи прибором на основных носителях, сам диод Шоттки характеризуется незначительным накоплением неосновных носителей.

О База

Рисунок 63 - Биполярный транзистор с диодом Шоттки для уменьшения инжекции неосновных носителей из коллектора в базу в режиме насыщения

Другим вариантом улучшения скорости переключения является сокращение времени жизни в базе. Как видно из представленных уравнений, время включения и время выключения непосредственно связаны с тп. Для кремниевых БТ может быть использовано легирование Ли, имеющим ГУ вблизи середины запрещенной зоны. Недостатком этого подхода является снижение коэффициента передачи вследствие возрастания рекомбинационного тока.

Другой подход состоит в выборе нагрузки и смещений таким образом, что включенное состояние находится за пределами области насыщения (рисунок 62а). В этом случае, время накопления (рассасывания) ^ снижается до нуля, тогда как остальные виды задержек все еще присутствуют и являются предметом исследования в работе.

Коллектор о-

О Эмиттер

Диод Л

Шоттки

3.1.3 Особенности геометрии и конструкции

Основные варианты кремниевых биполярных планарных прп-транзисторов показаны на рисунке 64. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок, то все высокоэффективные транзисторы имеют структуру прп-типа. БТ, как правило, является вертикальным прибором (с вертикальным протеканием тока, за исключением низкоэффективной горизонтальной «латеральной» структуры), поскольку в отличие от поверхностного слоя полевого транзистора ток в них течет в объеме полупроводника. Эмиттерный контакт формируется непосредственно над эмиттерным переходом, а коллекторный контакт - через скрытый п+-слой. Для снижения сопротивления базовый контакт обычно формируется с двух сторон относительно полоски эмиттера.

Рисунок 64 - Сечения кремниевых БТ: а) обычная структура; б) структура с изоляцией глубокой канавкой и одним поликремнием; в) самосовмещенная структура с двойным поликремнием; г) низкоэффективная горизонтальная

структура [244]

Как показано на рисунке 64 в современных БТ применяются различные технологические усовершенствования. Наиболее значительное из них состоит в использовании поликремния над эмиттерным переходом. Этот полиэмиттер имеет множество преимуществ. Так в отношении изготовления контроль эмиттерного перехода является более точным, т.к. диффузия легирующей примеси в поликремнии является очень быстрой и п+-слой в монокристаллической области формируется посредством диффузии из легированного поликремниевого слоя. Глубина диффузионного перехода контролируется с точностью не хуже 30 нм. Также применение полиэмиттера дает более высокий коэффициент передачи тока [249]. Это явление может быть объяснено различными механизмами, все из которых связаны с подавлением тока базы (дырок) без значительного влияния на ток коллектора (электронов). Первое объяснение связывают с ультратонким оксидом у границы «поликремний-кремний», который снижает дырочный ток, обусловленный туннелированием. Оптимальная толщина оксида составляет 10 А. Второе объяснение базируется на более низкой подвижности неосновных носителей в слое поликремния. Третий возможный механизм обусловлен сегрегацией легирующих примесей на границах зерен, которые в этих местах образуют потенциальные барьеры для неосновных носителей. В любом случае улучшение усиления с помощью полиэмиттера неоспоримо, и в большинстве высокопроизводительных 81 БТ используется именно эта конструкция.

Другие варианты улучшения подразумевают самосовмещенные базовые контакты, использующие двойную поликремниевую структуру (рис. 22в). База р-типа формируется путем диффузии легирующих примесей из поликремниевого р+-слоя и самосовмещения в окне эмиттера. Как видно из чертежа, самосовмещение уменьшает внешнее сопротивление базы и общую площадь. В результате уменьшаются емкости коллектора-база и коллектор-подложка. Селективно имплантированный коллектор, также называемый «пьедестальным», показанный на рисунках 64б и 64в также может уменьшить емкость «коллектор-база». Технология глубоких канавок («тренч») улучшает емкость паразитного периметра коллектора и в то же время уменьшает общую площадь прибора.

Для ВЧ применений размеры прибора масштабируются по вертикали и по горизонтали. Развитие процесса диффузии и технологии ионной имплантации способствует уменьшению геометрии по вертикали, в то время как развитие процессов литографии и травления помогает уменьшить размер БТ по горизонтали. Вертикальное масштабирование главным образом сказывается на ширине базы и позволяет улучшить Сейчас достигнуты значения ширины базы менее 30 нм и ^ около 100 ГГц. При уменьшении ширины базы первостепенное значение имеет устранение коротких замыканий «эмиттер-коллектор», обусловленных диффузионными «шипами», пронизывающими базу по дислокациям [250]. Необходимо использовать процессы, которые исключают связанные с окислением дефекты упаковки, вызванные эпитаксиальным ростом сдвиговые дислокации и другие технологические дефекты [251]. Горизонтальное масштабирование главным образом связано с минимизацией ширины вскрываемого окна S. В настоящее время можно воспроизводить размер полосы менее 0,2 мкм. Малый размер полосы уменьшает внутреннее сопротивление базы, тем самым улучшая ^^ и коэффициент шума.

Интересно сравнить характеристики БТ с полевым МОП-транзистором. У каждого из них есть свои достоинства. Основными преимуществами БТ являются высокая крутизна gm или нормированная gm на один и тот же ток §т/1. БТ может давать более быстродействующие схемы, даже по сравнению с полевыми транзисторами той же частоты Это связано с тем, что большой ток предпочтителен при управлении паразитной емкостью. Биполярный транзистор минимизирует проблемы с точки зрения «выхода годных» и надежности, связанные с поверхностными эффектами в полевом транзисторе. Напряжение включения рп-перехода является более управляемым, чем пороговое напряжение МОП-структуры в полевых МОП-транзисторах. Также БТ также имеет более высокий аналоговый коэффициент усиления, определяемый произведением gmRout, где представляет выходное сопротивление.

Силовые БТ предназначены для усиления мощности или переключения мощности, и они должны выдерживать высокие напряжения и/или большие токи.

В СВЧ БТ основное внимание уделяется быстродействию и усилению мощности на малом сигнале. Однако, при проектировании силовых БТ необходим компромисс между мощностью и быстродействием, так как произведение «частота-мощность» главным образом ограничивается параметрами полупроводникового материала. Обычно выходная мощность изменяется как И^ из-за ограничений напряженности поля лавинного пробоя и скорости насыщения носителей. В импульсном режиме может быть реализована более высокая выходная мощность, чем в непрерывном. Так в импульсном режиме на частоте 1 ГГц можно получить около 500 Вт. Для квазинепрерывной работы была достигнута мощность 60 Вт на частоте 2 ГГц, 6 Вт на частоте 5 ГГц и 1,5 Вт на частоте 10 ГГц [244].

Высоковольтная эксплуатация ограничена пробоем, обычно оцениваемым в выключенном состоянии, т.е. УВсе0. Напряжение пробоя будет выше при меньшем коэффициент усиления тока. По этой причине, чтобы расширить диапазон напряжений, следует снизить коэффициент усиления тока. Другой подход заключается в добавлении внешнего резистора между базой и эмиттером, который также снижает коэффициент усиления по току.

При работе на большом токе существует много нежелательных эффектов. Уже был рассмотрен эффект расширения базы. Другим фактором является сгущение тока у границы эмиттера, обусловленное собственным сопротивлением базы. Кроме того, для получения высокого пробивного напряжения необходимо уменьшить концентрацию легирования коллектора N0. При этом низкая концентрация в коллекторе N0 не только усиливает эффект Кирка, но и порождает область квази-насыщения вследствие модуляции проводимости в коллекторе.

Область квази-насыщения показана на рисунке 65а. Физически это обусловлено модуляцией проводимости в коллекторе, когда плотность инжектированных электронов выше уровня легирования коллектора. Это та же причина, что и в случае эффекта Кирка. Разница состоит в том, что эффект Кирка возникает при высоком Усе и носители движутся со скоростью насыщения, а в квази-насыщении носители находятся в режиме подвижности из-за меньшего Усе.

Рисунок 65 - а) ВАХ для схемы с ОЭ, демонстрирующие квази-насыщение при высоком токе и низком УСБ. Профили концентрации электронов, соответствующие (б) режиму насыщения (точка «А»), (в) режиму квазинасыщения (точка «В») и (г) нормальному режиму (точка «С»). Точка х = 0 соответствует переходу «коллектор-база».

В качестве режима работы насыщение определяется в случаях, когда переход «база-коллектор» находится под прямым смещением. Это приводит к высокой концентрации электронов на краю базы со стороны коллектора. При квази-насыщении профиль концентрации электронов подобен, но возникает по другой причине - модуляции электропроводности. Сравнение показано на рисунке 65(б-г). Заметим, что п(0) (у перехода «коллектор-база») подобен при насыщении и квази-насыщении. Из-за этого ток в квази-насыщении меньше в сравнении с нормальным режимом.

Критерий квази-насыщения можно проанализировать следующим образом. При ВУИ электрическое поле устанавливается на уровне [252]

Е (х)

кТ дп(х) дп(х) дх

(67)

Уравнение тока, включающее соотношение Эйнштейна, дает

_ дп _ ^ дп

С = чт„пЕ+Фп-г = 2Фп -т

ах ах

(68)

Таким образом, профиль концентрации электронов имеет линейную форму на участке модуляции проводимости, как показано на рисунке 65в.

п(х) = п(0) .

(69)

Падение напряжения на этом же расстоянии определяется выражением

КСМ = Г Едх = — 1п Ч

п(0)

(70)

Тогда внешнее Усе для квази-насыщения преобразуется в

^СЕ = УьЕ + кТ 1П

Ч

п(0)

+

(71)

Можно видеть, что обычное насыщение имеет вид Усе = Уве + 1СЯС, тогда как режим квази-насыщения имеет место при меньших напряжениях.

3.1.4 Напряженность электрического поля в мощном БТ

Как уже было отмечено, уменьшение коэффициента усиления по току при очень высоких уровнях тока (эффект Кирка) связано с расширением эффективной ширины базы из-за образования индуцированной током нейтральной области в области дрейфа Н^д, прилегающей к базовой области. Образование индуцированной током базовой области можно наблюдать, исследуя профиль распределения электрического поля в биполярном силовом транзисторе. В качестве примера, профили электрического поля показаны на рисунке 66а для

«опорной» структуры силового БТ при увеличении токов базы. При наименьшей

_2

плотности тока базы 0,05 А-см пик электрического поля возникает практически на стыке р-базы с п_-дрейфовой областью, подобно случаю обратносмещенного

рп-перехода в нормальных условиях. Когда плотность тока базы увеличивается до

_2

0,5 А-см , наклон профиля электрического поля несколько уменьшается из-за дополнительного (отрицательного) заряда, связанного с электронами, перемещаемыми через область дрейфа.

40 60 80 Глубина (мкм)

ез о

к &

к

Л

ж

100 120

40 60 80 Глубина (мкм)

100 120

а б

Рисунок 66 _ Профили напряженности электрического поля в мощном БТ

при высоких плотностях тока коллектора [233]

При увеличении плотности тока базы до 5 А-см наклон профиля электрического поля становится плоским (т.е. практически исчезает), указывая на то, что дополнительный (отрицательный) заряд, связанный с электронами, перемещаемыми через область дрейфа, теперь равен фоновому заряду

1 з _2

(положительному) за счет доноров в области дрейфа (5-10 см ). При еще

_2

большей плотности тока базы 50 А-см наклон профиля электрического поля изменяется, и его пик перемещается к границе раздела между п--дрейфовой областью и п+-подложкой. В этих условиях за пределами металлургической

области р-базы начинает возникать индуцированная током база. Когда плотность

_2

тока базы увеличивается до 500 А-см , происходит уже существенное увеличение ширины индуцированной током базовой области. Эти профили распределения электрического поля подобны профилям, показанным на рисунке 60, подтверждая обоснованность лежащего в основе физического механизма, ответственного за снижение коэффициента усиления при очень высоких уровнях тока коллектора. Влияние изменений напряжения смещения коллектора на ширину

индуцированной током базовой области можно наблюдать на рисунке 66б. Эти

_2

профили были получены с использованием плотности тока базы 50 А-см . Ширина индуцированной током базы растет, когда смещение коллектора уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по току.

3.1.5 Геометрия эмиттера

В [233] показано, что большая часть тока коллектора протекает по краю пальца эмиттера, расположенного ближе всего к контактному электроду базы. Следовательно, большая площадь поверхности в силовом БТ не задействуется, если палец эмиттера шире, чем удвоенный параметр сгущения (Ирли) тока эмиттера. Это соответствует типичной ширине эмиттера около 100 мкм. Кроме того, необходимо окружить палец эмиттера контактными пальцами базы для обеспечения максимальной эффективности эмиттера в целом. Типичная топология такого прибора показана на рисунке 67.

ПАЛЕЦ ЭМИТТЕРА

Рисунок 67 - Топология кристалла типового силового БТ

Такая топология называется «гребенчатой». При этом крайние базовые контактные пальцы располагаются с внешней стороны. Базовые контактные пальцы могут быть сделаны более узкими, чем эмиттерные пальцы из-за меньших токов, протекающих через них. По краю базовой области располагается защита перехода «коллектор-база».

3.1.6 Характеристики во включенном состоянии

Выходные характеристики мощного БТ показаны на рисунке 68 при низких напряжениях смещения коллектора в схеме с общим эмиттером.

Рисунок 68 - Выходные характеристики мощного БТ при малых напряжениях

смещения коллектора

Помимо активной области при прямом включении, где ток коллектора определяется током базы и коэффициентом усиления тока транзистора, можно различить еще две области работы. При очень низких напряжениях смещения коллектора, транзистор работает в режиме (области) насыщения. Кроме того, между областью насыщения и активной областью имеется плавный переход, называемой областью квазинасыщения.

В области насыщения напряжение смещения коллектора достаточно низкое, так что переход «база-коллектор» является прямо смещенным, потому что напряжение смещения коллектора падает ниже управляющего напряжения базы. Это приводит к инжекции неосновных носителей в слабо легированную дрейфовую п_-область. Концентрация инжектируемых носителей в дрейфовую п_-область превышает уровень ее легирования при типичных рабочих плотностях тока коллектора, что приводит к модуляции проводимости дрейфовой п_-области. Это отвечает за низкое падение напряжения в открытом (включенном) состоянии при работе БТ в области насыщения. Однако, при увеличении напряжения смещения на коллекторе, модуляция электропроводности не распространяется на всю дрейфовую п_-область, что приводит к увеличению падения напряжения в открытом состоянии, что и наблюдается в области квазинасыщения. Эти области работы более подробно описаны ниже.

Напряжения на выводах мощного БТ показаны на рисунке 69, когда он смещен в режиме насыщения. Из-за прямого смещения как между контактами база-эмиттер, так и база-коллектор падение напряжения между клеммами базы и эмиттера, а также между базовым и коллекторным выводами становится приблизительно 0,7 В. Следовательно, падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера становятся равными почти нулю. На практике в БТ эти переходы не являются симметричными из-за разных профилей легирования, поэтому в дрейфовой п_-области существует некоторое определенное падение напряжения, несмотря на модуляцию его проводимости. Эти факторы приводят к существованию конечного падения напряжения между выводами коллектора и эмиттера в открытом состоянии, которое увеличивается с ростом тока коллектора,

как показано на рисунке 68. Однако сопротивление, проявляемое прибором, намного меньше, чем сопротивление немодулированной области дрейфа

Яв = р

В ^р г В В

Wn

(72)

Рисунок 69 - Напряжения на мощном БТ при работе в режиме насыщения

Распределение носителей в базе мощного БТ при работе в области квазинасыщения аналогично распределению при насыщении. Следовательно, мощный БТ работает с меньшим коэффициентом усиления по току в режиме квазинасыщения, чем в активной области, что видно из характеристик, показанных на рисунке 68. Однако его коэффициент усиления по току больше, чем при работе в области насыщения.

Падение напряжения на мощном БТ в режиме квазинасыщения может быть проанализировано на основе вычисления напряжения дрейфовой п-области с использованием того же подхода, что и для области насыщения. Однако, условие ВУИ не распространяется на всю дрейфовую п-область в режиме квазинасыщения (рисунок 70). Для режима насыщения и квазинасыщения на участке дрейфовой п-области с шириной WNM, которая работает в условиях ВУИ, концентрация неосновных носителей становится равной равновесной концентрации основных носителей (N0). Тогда ширина области модуляции проводимости

= ^ [рт. (0)- Мв ]. (73)

^ с

Так как концентрация вводимых носителей намного больше, чем концентрация основных носителей в области дрейфа

К

ыы

Ры8 (0) .