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半導體器件中的載流子壽命及其輻照控制

半導體中的非平衡載流子壽命是半導體的一個基本特性參數,它的長短將直接影響到依靠少數載流子來工作的半導體器件的性能,這種器件有雙極型器件和p-n結光電子器件等。但是,對于在結構上包含有p-n結的單極型器件(例如MOSFET)也會受到載流子壽命的影響。
非平衡載流子壽命主要是指非平衡少數載流子的壽命。影響少子壽命的主要因素是半導體能帶結構和非平衡載流子的復合機理;對于Si 、Ge、GaP等間接禁帶半導體,一般決定壽命的主要因素是半導體中的雜質和缺陷。
對于少子壽命有明顯依賴關系的電子器件特性,主要有雙極型器件的開關特性、導通特性和阻斷特性;對于光電池、光電探測器等之類光電子器件,與少子壽命直接有關的特性主要有光生電流、光生電動勢等。
(1)少子壽命對半導體器件性能的影響:
① 雙極型器件的開關特性與少子壽命的關系:
雙極型器件的開關特性在本質上可歸結為p-n結的開關性能。
p-n結的開關時間主要是關斷時間,而關斷時間基本上就是導通時注入到擴散區中的少子電荷消失的過程時間(包括有存儲時間和下降時間兩個過程)。少子壽命越短,開關速度就越快。因此,為了提高器件的開關速度,就應該減短少子壽命。
② 器件的阻斷特性與少子壽命的關系:
半導體器件在截止狀態時的特性——阻斷特性,實際上也就是p-n結在反向電壓下反向漏電流大小的一種反映。因此,這里器件的阻斷特性不單指雙極型器件,而且也包括場效應器件在內。
p-n結的反向漏電流含有兩個分量:一是兩邊擴散區的少子擴散電流,二是勢壘區中復合中心的產生電流;這些電流都與少子壽命有關,載流子壽命越長,反向漏電流就越小,則器件的阻斷特性也就越好。當載流子壽命減短到一定程度時,反向電流即大幅度地上升,就會產生反向電流不飽和的“軟”的阻斷特性。
一般,硅p-n結的反向漏電流主要是勢壘區復合中心的產生電流,因此載流子的產生壽命將嚴重地影響到器件的阻斷特性。所以注意工藝控制,減小雜質和缺陷的不良影響,對于提高器件的阻斷特性至關重要。
總之,為了獲得良好的器件阻斷特性,要求器件應該具有較長的少數載流子壽命。為此,半導體的摻雜濃度不可太高,勢壘區中的復合中心濃度要盡量減少。
③ 器件的導通特性與少子壽命的關系:
半導體器件導通特性的好壞可以用它的導通電阻或者導通壓降來表征;導通壓降越低,器件的大電流性能就越好,器件的功率處理能力也就越強。  對于雙極型器件,從本質上來看,它的導通特性實際上可近似地歸結為p-n結的正向導通特性;而對于雙極型功率器件而言,其正向導通特性可歸結為pin二極管的導通特性。
因為一般p-n結的正向電流主要是少子擴散電流,則少子壽命越短,少子的濃度梯度越大,正向電流就越大,于是在同樣電流情況下的導通壓降也就越低。所以少子壽命宜較短一些。
但是,對于pin結則有所不同,因為pin結處于正偏時,即有大量電子和空穴分別從兩邊注入到本征的i型層,則必為“大注入”;這時可以認為i型層中的電子濃度等于空穴濃度,并且均勻分布,即n=p=const。正是由于在i型層中存在大量的兩種載流子,所以必然會產生電導調制效應,使得pin結的正向電壓降低。
而pin結的正向導電是由載流子渡越i型層(勢壘區)時的復合過程所造成的,則pin結的導通特性與i型層中載流子的復合壽命有很大的關系。在此考慮到大注入的強烈影響,因此決定載流子壽命的因素除了大注入下的壽命——雙極復合壽命τa以外,還需要計入Auger復合的壽命τA,于是應該采用有效壽命τeff的概念。由于i層載流子的有效壽命越長,在大注入情況下該層的電導調制效應就越強,則器件的正向壓降也就越低,因此pin結的正向壓降與載流子有效壽命成反比。然而,有效壽命將隨著正向電流密度的增大而減短,特別是在大電流密度時,有效壽命將顯著變短,從而會導致正向壓降很快增加。
(2)載流子壽命的控制原理:
如上所述,對于功率器件而言,它的開關特性要求載流子壽命越短越好,而它的阻斷特性和導通特性卻要求載流子壽命越長越好。因此,同一種半導體器件的不同特性,對于載流子壽命的要求不一定相同。這就產生了一個所謂壽命優化的問題,即如何綜合考慮、恰當地選取載流子的壽命,以使得器件的特性能夠最大限度地滿足使用要求。
對于Si等半導體器件,影響載流子壽命的主要因素是缺陷和有害雜質構成的復合中心的濃度以及半導體的本底摻雜濃度。復合中心的重要特性參數是它的能級位置以及俘獲截面。在復合中心的能級位置和半導體摻雜濃度適當時,復合中心將成為最有效的復合中心,則對載流子壽命的影響最大。
一般,復合中心能級越深(即越靠近本征Fermi能級)、半導體摻雜濃度越高(即Fermi能級越靠近能帶邊),復合中心就越有效。例如,位于導帶底以下0.54eV的復合中心一般就滿足該條件,為一個最有效的復合中心;而位于導帶底以下0.3eV的復合中心則是無效復合中心。
實際上,最有效的復合中心也具有較小的對兩種載流子的俘獲截面之比(接近1)。總之,復合中心的能級越靠近禁帶中央,而且其俘獲截面比越接近1,則該復合中心就越有效,壽命也就越短。在小注入時,少子壽命與注入水平無關,而僅決定于復合中心的能級位置和俘獲截面之比;在大注入時,任何復合中心決定的載流子壽命都將趨于雙極壽命τa=τno+τpo(僅決定于復合中心的濃度和俘獲截面之比)。
a)兼顧高阻斷特性和高開關速度特性的優選復合中心:
為了提高器件的開關速度,應該少子的小注入壽命盡可能短,即要求復合中心能級靠近禁帶中央和俘獲截面比接近1;但是,為了提高器件的阻斷能力,應該少子的產生壽命盡可能長,即要求復合中心能級遠離禁帶中央和俘獲截面比大于1。這種對載流子壽命的矛盾要求,也就意味著少子的產生壽命τs與少子的復合壽命τp之比(τs/τp)應該取極大值。
分析表明:①τs/τp比值的大小與復合中心的性質(能級位置和俘獲截面比)無關,但只有在適當的能級位置、俘獲截面比和溫度情況下才能達到最高值;②復合中心能級靠近能帶邊(Ec或者Ev)時,τs/τp比值最大;③最大的τs/τp比值與摻雜濃度和俘獲截面比有關,并且摻雜濃度越低、俘獲截面比越大,則不同復合中心能級位置不影響τs/τp取最大值的范圍就越大,同時溫度越高、該范圍也越大(但最大τs/τp比值與本征載流子濃度有關)。
總之,兼顧器件的高阻斷特性和高開關速度特性的優化復合中心,其能級應該位于能帶邊附近處;并且在輕摻雜半導體中,比較容易選擇這種優化復合中心;在同樣摻雜濃度時,對于俘獲截面比較大的復合中心,它的能級位置受到的限制較小。
b)兼顧高導通特性和高開關速度特性的優選復合中心:
為了降低功率器件在大電流時的導通壓降,應該增長有效載流子壽命,也就是要求大注入時的載流子壽命(τH=τa)足夠長,以加強少子的電導調制作用。但是,為了提高開關速度,則希望少子在小注入時的壽命(τL)足夠短。因此,要使得一種復合中心能夠兼顧大電流和高速度的需要,就必須選取τH/τL比值取極大值的那種復合中心。
分析表明:①能夠使τH/τL比值取極大值的復合中心,正好是其τs/τp比值取極小值,因此高速大電流的器件,就難以顧及到高的阻斷電壓,反之亦然;②較高的τH/τL比值,要求復合中心能級位于禁帶中央處,這正好也與高τs/τp比值的要求恰恰相反;③τH/τL比值與半導體摻雜濃度有關,并且變化幅度還與復合中心能級的位置有關。
可見,從載流子壽命的優選方面來看,器件的高速大電流性能與高速高耐壓性能一般較難以同時兼顧。不過,如果選取某種復合中心,若它的少子壽命對注入水平具有很高的敏感性的話,使得大注入時τH最大,小注入時τL最小,則既可以得到大電流下的較好導通特性,也可以得到小電流時的較好阻斷特性,那么高速大電流性能與高速高耐壓性能之間的矛盾即可適當地緩解。
此外,在優選復合中心時還需要考慮其它一些方面的問題,例如: ① 復合中心對載流子的補償問題:
例如n型Si中的Au,是一種復合中心雜質,它有一個能級位于導帶底以下0.54eV處,起著受主作用;當Au濃度接近于施主濃度時,將會使平衡電子濃度顯著下降,這就是Au的補償效應。
復合中心的這種補償效應,顯然將會使半導體電阻率升高,并因而影響到器件的導通壓降和阻斷電壓。因此,為了降低復合中心的這種補償作用,應該選取對少子具有很大俘獲截面的那種復合中心雜質;這樣既可以保持所需要的壽命,而且又可以降低起補償作用的復合中心的濃度,以減弱對載流子濃度(半導體電阻率)的影響。
② 復合中心對多種摻雜濃度的適應性問題:
為了器件制作工藝的方便,對于不同的半導體器件最好能夠統一采用一種壽命控制的方法,即摻入一種復合中心雜質;這就要求在控制壽命的同時,半導體電阻率不要發生變化。因此,應該選取壽命或者兩種壽命的比值對摻雜濃度不敏感的那些復合中心雜質。不過,這對于高阻半導體而言往往是一件很困難的事情。  
(3)控制少子壽命的主要方法: 一般,有兩個方面需要考慮:
一是注意在工藝過程中控制好載流子壽命,使得不發生變化。這里主要是要注意清潔度和操作過程的控制,以避免有害雜質的引入和減少工藝誘生的二次缺陷。
二是通過有意摻入一些深能級雜質,或者造成一些晶體缺陷來加以控制,因為許多深能級雜質和晶體缺陷都將構成復合中心。在Si器件中,常用作為復合中心的深能級雜質是Au和Pt,常用來引入晶體缺陷的措施是電子輻照。Au和Pt以及電子輻照,這三種復合中心的引入方法各有千秋。一般,可以見到:
①對于高摻雜(低電阻)半導體材料,摻Au和摻Pt的τH/τL比值都較大;但對于低摻雜(高電阻)半導體材料,
只有摻Au的τH/τL比值才較大。因此,從既降低導通壓降、又提高開關頻率的角度來考慮時,還是摻Au的效果比較好。
②從少子產生壽命與大注入壽命之比(τs/τH)來看,摻Pt和電子輻照的比值較大,因此,在保持導通壓降相同的情況下,摻Pt和電子輻照都可以維持器件的反向漏電流較小。
③對于摻Pt的Si,τH/τL比值隨摻雜濃度的變化很大,因此Pt作為功率器件的復合中心不太理想;
④對于電子輻照的Si,τH/τL比值基本上不隨摻雜濃度而變化,因此,電子輻照能夠對功率器件提供比較理想的復合中心;
⑤對于摻Au的Si,τH/τL比值完全不隨摻雜濃度而變化,因此,Au也是功率器件的一種理想的復合中心。
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