功率器件的寿命控制技术_张文亮.ppt

中国物联网研究发展中心(筹)China RD Center for Internet of Things CHINESE ACADEMY OF SCIENCES * 1 功率器件的寿命控制技术 电力电子器件研发实验室 张文亮 2011.9.9 * * 主要内容 一　载流子的寿命 二　现有寿命控制技术简介 * * 一 载流子的寿命 1.1 相关概念介绍 1.2 SRH理论 1.1.1 非平衡载流子的寿命（少数载流子寿命） 假定一束光在一块n型半导体内部均匀地产生非平衡载流子Δn的Δp（小注入）。在t=0时刻，光照突然停止， Δp将随时间按指数规律衰减。 * 非平衡载流子随时间的衰减 寿命是少数载流子的平均生存时间。 1.1.2 复合分类 ㈠按复合过程的微观机构分类： ⑴直接复合 (Si对应的量级为1s) ⑵间接复合 (起主导作用) ㈡按复合的位置分类： ⑴体内复合 ⑵表面复合 ㈢按能量释放途径分类： ⑴发射光子 ⑵发射声子 ⑶俄歇复合【重掺杂或高注入（1017量级）时起重要作用】 * 载流子的各种复合机构 俄歇复合 * * 1.2 SRH(Shockley-Read-Hall)理论 1.2.1 载流子寿命的变化规律 随着注入水平的增加， τ可能增加，也可能减小。 τ与Et、ζ及h有关。 Et为杂质能级； * * ㈠大注入寿命(h1)，也称双极寿命： ㈡小注入寿命(h1)： ㈢产生寿命，( )，空间电荷区 IGBT正向导通时为大注入，τHL越大，VCE(sat)越小； IGBT关断的过程为小注入， τLL越小，tf越小； IGBT阻断后耗尽区很宽，τSC越大，漏电流越小。 1.2.2 不同条件下载流子的寿命： * * 1.2.3 小注入寿命、产生寿命与Et及ζ的关系 ⑴Et距Ei越远， τLL越大，τSC越小； ⑵当EtEi 时， ζ 越大， τSC越大； ⑶当EtEi 时， τSC 与ζ 无关。 以下是功率二极管反向漏电流 IR、反向恢复时间 trr和正向压降 VF随复合中心能级位置变化示意图（可以应用于IGBT） * 最佳的能级位置大约在导带下和价带上 0.2~0.3eV 之间。若能级浅于 这个深度，复合中心对载流子的复合效果不好，而若深于这个位置，则器 件的漏电过大，不利于综合性能。 第二部分 二 现有寿命控制技术简介 * 2.0 寿命控制技术大体上可以分为两大类 ㈠整体寿命控制技术 特点：在半导体器件中均匀的引入复合中心 ⑴贵金属（金、铂）扩散寿命控制技术 ⑵电子辐照寿命控制技术 ㈡局域寿命控制技术 特点：在半导体器件的局域位置引入复合中心 ⑴氢离子辐照寿命控制技术 ⑵氦离子辐照寿命控制技术 * 2.0.1各种寿命控制技术引入的复合中心能级示意图 * 引入的复合中心是杂质或缺陷，均有多个复合能级。电子辐 照、氢离子辐照氦离子辐照感生的缺陷能级均主要是：氧空 位缺陷能级 EC-0.16eV和双空位缺陷 EC-0.42eV。另外氢离子 辐照感生缺陷还有与氢离子相关的浅热施主杂质（shallow thermal donor，STD） * * 2.1 整体寿命控制技术 贵金属的扩散会 形成 U 型槽状 的有效复合中心浓度分布。 电子辐照最终产生的复合中心 在硅片中均匀分布。 电子辐照后复合中心浓度分布 扩金(铂)后复合中心浓度分布 2.1.1 扩金(铂)后的复合中心形成过程 ⑴贵金属原子在硅中的扩散系数很大，在扩散之初，会以间隙原子的形式迅速扩散进入整个半导体体内。 ⑵随后一个金属间隙原子会踢出一个硅原子并进行替位，形成一个金属替位原子和一个硅间隙原子。这个替位过程是可逆的，形成不稳定的金属替位原子。 ⑶由于硅表面处的硅间隙原子比较容易因高温外扩 散从硅中消除掉，而处于体内的硅间隙原子的外 扩散消失则比较困难。 * 2.1.2 扩金与扩铂对比 金 铂 主要复合中心能级 EC-0.55eV（十分接近禁带中央） EC-0.23eV（在理想的范围内） 优点 较好的关断速度与正向压降折衷 ①较好的漏电流与正向压降折衷 ②器件的高温稳定性好 缺点 扩金后漏电流比扩铂大几个数量级（注：PIN其它参数相同），因此实际应用较少。 ①扩铂后正向压降比扩金高约 50％（注：PIN其它参数相同）②扩铂工艺必须在器件封装前进行，扩散温度(700～1000°C)超过了铝的熔点③浓度分布难于仿真、控制④工艺过程中易引入玷污⑤良率低，成本高。 * 结论：与扩金、 电子辐照