控制半導(dǎo)體元件各層中的復(fù)合特征是提高功率半導(dǎo)體器件（PSD）的性能和許多其他特性的最有效方法之一。本文介紹了基于硅元素加速質(zhì)子輻照的此類技術(shù)的某些方面。

一條用于PSD質(zhì)子輻照的自動(dòng)控制操作線，有助于選擇性地引入重組中心，并以高達(dá)1000 μm的深度將氫原子注入到硅元素中。

此處列出了借助質(zhì)子輻照技術(shù)生產(chǎn)的快速晶閘管的一些特性。半導(dǎo)體具有非常短的關(guān)斷時(shí)間，小的恢復(fù)電荷和低的峰值反向恢復(fù)電流。

在質(zhì)子輻照過程中，注入氫原子有助于在半導(dǎo)體元件的n層內(nèi)部建立具有低電阻率的局部隱藏n層。還描述了使用這種隱藏層來生產(chǎn)具有增加的功率容量的功率二極管晶閘管（晶閘管）和半導(dǎo)體電壓抑制器的可能性。

質(zhì)子輻照工業(yè)技術(shù)園區(qū)

通過與理論和實(shí)驗(yàn)物理研究所以及全俄電工技術(shù)研究所的合作，Proton-Electrotex開發(fā)了一種低成本工業(yè)技術(shù)，用于半導(dǎo)體器件的質(zhì)子輻照（圖1）。

技術(shù)復(fù)雜的基礎(chǔ)是24 MeV線性質(zhì)子加速器。該技術(shù)大樓包括用于在輻照前后放置帶有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的彈藥筒的盒子，用于移動(dòng)和定位輻照結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，用于控制輻照劑量和質(zhì)子束特性的設(shè)備以及用于控制質(zhì)子路徑長度的活動(dòng)鋁屏在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。專用的光束消散屏，加上用于移動(dòng)和定位輻照結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，可確保對直徑最大為125 mm的晶片進(jìn)行輻照。

技術(shù)復(fù)雜性提供了以下可能性：

連續(xù)輻照大型設(shè)備。最多可以輻照270個(gè)直徑為95-105 mm的半導(dǎo)體元件，最多可以輻照360個(gè)直徑為75-80 mm的元件，最多輻照450個(gè)直徑為40-60 mm的元件，或者最多輻照900個(gè)直徑為90-105毫米的元件。在工作循環(huán)中為24-32毫米。

處理時(shí)間短。一個(gè)工作周期的持續(xù)時(shí)間為4-5小時(shí)，其中包括將半導(dǎo)體元件和工藝墨盒的放射性降低到安全水平所需的輻照后存儲(chǔ)時(shí)間。

輻射發(fā)生在空氣環(huán)境中；在工作區(qū)域中不需要抽真空。

控制質(zhì)子束特性和輻照劑量。可以控制工作區(qū)內(nèi)質(zhì)子的電流密度和能譜的分布。這些測量是在工作循環(huán)之前的質(zhì)子束測試期間由鑲嵌電流接收器和移動(dòng)屏幕系統(tǒng)執(zhí)行的。在工作周期中，通過束流接收器對照射劑量進(jìn)行常規(guī)控制。

移動(dòng)屏幕系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，可改變輻照元件半導(dǎo)體層中的質(zhì)子路徑長度。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中質(zhì)子路徑長度的控制是通過在到達(dá)半導(dǎo)體表面之前改變質(zhì)子束穿過的屏幕的總厚度來實(shí)現(xiàn)的。硅元素的質(zhì)子路徑長度可以在20-m的范圍內(nèi)在0-1000 μm范圍內(nèi)變化。

輻射安全性高。

圖1質(zhì)子輻照半導(dǎo)體器件的工業(yè)技術(shù)綜合體：1 –質(zhì)子加速室； 2 –質(zhì)子加速室。2 –輻照室；3 –控制室；4 –墨盒盒；5 –帶有半導(dǎo)體元件的墨盒；6 –移動(dòng)和定位墨盒的系統(tǒng)；7 –束流接收器矩陣；8 –移動(dòng)式鋁篩網(wǎng)系統(tǒng)，用于控制半導(dǎo)體元件中的質(zhì)子路徑長度；9 –束流接收器，用于常規(guī)控制輻照劑量；10 –質(zhì)子束；11 –耗散屏幕

質(zhì)子輻照使得可以在半導(dǎo)體元件內(nèi)部建立具有降低的載流子壽命的隱藏層以及具有注入的氫原子的隱藏層。硅元件深度上的典型技術(shù)分布如圖2所示。

這些都是：

其中t0和t是輻照前后的載流子壽命和注入的氫濃度。借助鋁制篩網(wǎng)，改變質(zhì)子路徑長度Rp可以調(diào)整層的深度。

具有降低的載流子壽命的層已成功用于許多類型的功率半導(dǎo)體器件中，以優(yōu)化其動(dòng)態(tài)特性[1、2、3]。

注入的氫會(huì)刺激硅內(nèi)部的施主類型中心，類似于施主摻雜物，這有助于建立電阻率改變的隱蔽層[4]。通過構(gòu)建這樣的層，可以改善高壓抑制器和二極管晶閘管的特性，并且可以將這些保護(hù)元件集成到其他半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)中。

圖2具有少量反向恢復(fù)電荷的快速晶閘管系列

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用已允許生產(chǎn)具有減少的反向恢復(fù)電荷的一系列快速晶閘管。

此類設(shè)備具有許多關(guān)鍵功能：

通過晶閘管元件陰極側(cè)的質(zhì)子輻照來控制壽命。硅元素中質(zhì)子路徑終端的區(qū)域靠近pn結(jié)的陽極。因此，接近pn結(jié)陽極的壽命（ta）可以比接近集電極pn結(jié)的壽命（tc）小2到3倍。這樣的軸向壽命輪廓允許優(yōu)化VTM和Qrr之間的關(guān)系：通過使用此軸向輪廓而不是傳統(tǒng)的均勻輪廓，可以在相同的VTM值下將Qrr值減小1.5倍至2倍。

陰極短元素的致密網(wǎng)格。陰極短路分布在發(fā)射極區(qū)域內(nèi)。接下來的元件位于約400 μm的距離處。該陰極短柵極在接近集電極pn結(jié)的相當(dāng)長的壽命內(nèi)允許很短的關(guān)斷時(shí)間。

分布式放大門（圖3）。分布式柵極以及接近集電極pn結(jié)和p基極的相當(dāng)高的壽命值，可快速打開所有晶閘管區(qū)域，降低了導(dǎo)通損耗能量，并提高了重復(fù)的di / dt速率和工作頻率頻率。

圖3晶閘管的硅元件直徑為32、40、56或80毫米。

表1列出了Qrr和tq的允許范圍，阻斷電壓（UDRM，URRM），平均電流（ITAV）以及新晶閘管的其他參數(shù)和特性之間的關(guān)系。

由于減小了Qrr和tq值，因此新晶閘管可以在1000-1500V阻斷電壓范圍內(nèi)高達(dá)30kHz的頻率，在2200V阻斷電壓范圍內(nèi)高達(dá)10kHz的頻率以及在3400V范圍內(nèi)從2-5 kHz的頻帶內(nèi)工作。阻斷電壓范圍。晶閘管元件的拓?fù)溥m用于高頻。新設(shè)備可在重復(fù)di / dts為800-1250 A / μs的情況下可靠地運(yùn)行。

表1Qrr和tq的允許范圍，阻斷電壓（UDRM，URRM），平均電流（ITAV）以及新晶閘管的其他參數(shù)和特性之間的關(guān)系

具有隱藏的H感應(yīng)層且電阻率常數(shù)降低的功率器件

對稱的電壓抑制器，具有更高的功率容量

圖4顯示了具有“常規(guī)”結(jié)構(gòu)的對稱雪崩電壓抑制器，以及一種新器件，其中包含具有減小的電阻率的隱藏n層。

圖41-封裝的銅觸點(diǎn)；2 –半導(dǎo)體元件的接觸金屬化；3 –填充物；4 –半導(dǎo)體元件；5 –鉬熱補(bǔ)償器

對于“常規(guī)”結(jié)構(gòu)設(shè)備，限制耗散功率和雪崩電流峰值以及最大可允許能量損耗的問題區(qū)域是與斜角相鄰的外圍區(qū)域。在該區(qū)域中，無論施加任何極性電壓，電流密度都將增加，并且由于上觸點(diǎn)尺寸小于半導(dǎo)體元件，因此散熱效果非常差。這種新型結(jié)構(gòu)的器件沒有這個(gè)問題：雪崩電流不存在周邊地區(qū)。這有助于增加峰值雪崩電流，峰值耗散功率和能量損耗。圖5顯示了具有新結(jié)構(gòu)的對稱雪崩抑制器的電流和電壓特性曲線。半導(dǎo)體元件的直徑為32 mm，雪崩擊穿電壓為–1650V。

圖5電流和電壓的時(shí)間變化曲線（a），以及等溫動(dòng)態(tài)伏安圖（b）。峰值沖擊功率300 KW，單脈沖能量損失高達(dá)150 J

高壓脈沖二極管晶閘管

高壓脈沖二極管晶閘管可通過帶有集成晶體管元件-電壓抑制器的4層晶閘管元件生產(chǎn)（圖6）。晶閘管元件是該器件的主要組件，在這種情況下，它起著高峰值電流開關(guān)的作用。集成在器件三層抑制器中的雪崩電流可切換晶閘管元件。如果晶閘管具有多相再生控制，則此元件可以位于任何放大區(qū)域內(nèi)，甚至可以位于所有放大區(qū)域內(nèi)。該設(shè)備可用作高功率，快速保護(hù)元件或上升時(shí)間率高的電流和電壓脈沖開關(guān)。實(shí)驗(yàn)二極管晶閘管開關(guān)時(shí)的電流和電壓示蹤圖如圖7所示。該二極管晶閘管的半導(dǎo)體元件如圖8所示。

圖6高壓脈沖二極管晶閘管是在具有集成晶體管元件-電壓抑制器的4層晶閘管元件的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的

圖7脈沖電流切換，上升時(shí)間速率為（a）約為5 kA / μs，（b）約為200 kA / μs

圖8二極管晶閘管的半導(dǎo)體元件

Vladimir Gubarev，Alexander Semenov和Alexey Surma來自Proton-Electrotex，Valery Stolbunov來自理論和實(shí)驗(yàn)物理研究所。

參考

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Potaptchouk VA等。各種輻射處理過程中硅二極管層的終身損壞的區(qū)別：對功率損耗和反向恢復(fù)特性軟度的影響– PCIM'2002 Proceedings，2002，第293-299頁。

VV科茲洛夫斯基。質(zhì)子束對半導(dǎo)體的改性。S.-Pb.，Nauka，1993年。

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