引入表面復(fù)合中心對(duì)晶閘管高溫漏電流的影響

薛志亮

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

關(guān)鍵詞：晶閘管 復(fù)合中心 高溫漏電流

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0036-02

1 引言

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

1.1 晶閘管的高溫漏電流

晶閘管的漏電流包括三個(gè)部分。

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

pn、np為N區(qū)空穴濃度和P區(qū)電子濃度；

Lp、Ln為N區(qū)空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度和P區(qū)電子擴(kuò)散長(zhǎng)度。

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

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

空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流I=qGXmS

式中：Xm為空間電荷區(qū)寬度；S為PN結(jié)的面積。

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

式中：てn0為P區(qū)的少子壽命；てP0為N區(qū)的少子壽命；

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

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

（3）表面狀態(tài)所引起的泄露電流。

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

1.2 減小晶閘管高溫漏電流的常規(guī)措施

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

（1）制造具有雪崩型硬擊穿J1和J2結(jié)。

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

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

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

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

（4）采用短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)。

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

（5）電子（或中子）輻照。

進(jìn)行輻照，可以降低基區(qū)少子壽命，產(chǎn)生漏電流進(jìn)而減小。

（6）增加片厚。

根據(jù)設(shè)計(jì)電壓，電阻率確定以后，擴(kuò)散參數(shù)一定時(shí)硅片越厚，電流放大系數(shù)α1α2越小，高溫漏電流越小。

（7）降低電阻率。

當(dāng)硅片厚度一定時(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)電壓條件下，選擇較低電阻率，空間電荷區(qū)Xm相對(duì)較窄，可使高溫漏電減小。

1.3 引入表面復(fù)合中心對(duì)降低高溫漏電流的作用

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

經(jīng)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，在工藝實(shí)施過程中，適當(dāng)階段引入表面復(fù)合中心能有效降低器件的高溫漏電流，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果非常明顯。

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

（1）金、銅、鐵等深能級(jí)雜質(zhì)。

（2）輻照或溫度劇烈變化產(chǎn)生的晶格損傷。

（3）研磨、打毛等造成的缺陷。

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

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

（1）表面復(fù)合中心對(duì)電流放大系數(shù)的影響。

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

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

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

（4）制造表面缺陷，引入彈性應(yīng)變，減少熱氧化層錯(cuò)。

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

2 結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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

[2] 黃漢堯，李乃平.半導(dǎo)體器件工藝原理[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.