dspace cover page - ETH E

Research Collection
Doctoral Thesis
Grundlagen zur Optimierung der Durchlass- und
Abschalteigenschaften von P�N�N�-Hochleistungsdioden
mittels Hochenergie Protonenimplantation
Author(s):
Bopp, Rémy Peter
Publication Date:
1994
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-001362038
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more
information please consult the Terms of use.
ETH Library
Diss. ETH
QX-j^
Diss. ETH Nr. 10697
GRUNDLAGEN ZUR OPTIMIERUNG DER
DURCHLASS- UND ABSCHALTEIGENSCHAFTEN
VON P+NN+-HOCHLEISTUNGSDIODEN MITTELS
HOCHENERGIE PROTONENIMPLANTATION
ABHANDLUNG
zur
des Titels
Erlangung
DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN
der
EIDGENOSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
ZURICH
vorgelegt
Remy
von
Peter
Dipl. Phys.
geboren
am
Bopp
ETH
24. November 1962
Burger
von
Angenommen
Zurich
auf
Antrag
von
Prof. Dr. H. Melchior, Referent
Prof. Dr. A.A. Jaecklin, Korreferent
Zurich 1994
Dankeswort
Ich mochte Herrn Prof. Dr. H. Melchior danken, dass
Gruppe
zu
Ebenfalls
forschen. Unter seiner
Leitung
er
entstand diese Arbeit.
gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. A. A. Jaeklin,
und wissenschaftlicher Mitarbeiter
am
mir ermoglichte, in seiner
ABB
Dozent
an
der ETH-Ziirich
Forschungszentrum Baden-Dattwil,
fur die Ubemahme des Korreferates.
Ich danke den Herren Prof. Dr. W. Wolfli und Dr. M. Suter
vom
Labor fiir Ionen-
strahlphysik des Paul Scherrer Institutes (PSI) fiir die Moglichkeit der Beniitzung
ihres Teilchenbeschleunigers zur Protonenimplantation, sowie Herrn Dr. M.
Dobeli (PSI) fiir die tatkraftige Unterstiitzung bei den Bestrahlungen, den regen
Diskussionen und der Durchsicht dieser Arbeit.
Fiir hilfreiche Diskussionen und der
ich den Herren Dr. P.
Roggwiller,
Uberlassung der Hochleistungsdioden danke
Dr. Th. Stockmeier und H. Haddon (alle ABB-
Semiconductors AG).
Speziell
danken mochte ich Herrn Dr. H. Lawatsch fur die regen Diskussionen
und das kritische Durchlesen dieser Arbeit.
Dank
gebuhrt schliesslich
Instituts fiir
auch alien
Quantenelektronik,
Mittelenergiephysik
beteihgten Kollegen
und der ABB fiir die gute
Als nachstes mochte ich noch meinen
mann, der Kantonsschule
rung in die
und
Kolleginnen
des
des Paul Scherrer Institutes, des Institutes fiir
Unterstiitzung.
ehemaligen Physiklehrer
Dr. U. Zimmer-
Biilach, erwahnen. Dim danke ich fiir die gute Einfiih-
Physik, welche in mir das Interesse
an
diesem Fach weckte.
Zu guter letzt danke ich meiner Familie, insbesondere meinem Vater Hannes und
meiner Mutter Marlies, fiir die gute
genoss.
Erziehung und die stete Unterstiitzung, die ich
Gewidmet...
meiner Erika
...
fur ihr Verstandnis und die
Entbehrungen
meiner
Person wahrend den Arbeiten.
"
Miss,
was
und mache messbar,
Galileo
messbar ist
was es
noch nicht ist.
Galilei, 1564 -1642
"
Abstract
Due
to
the increased demand for
circuits,
more complex and inexpensive electronic power
high power devices for higher forward currents and blocking voltag¬
new
developed These have large dimensions to sustain the requested
power For dynamic processes this led to increased inertia The depleuon of car¬
riers of highly injected regions takes several micro seconds During this time,
high currents and voltages can influence the devices and cause expensive switch¬
have been
es
during the operation Moreover, there is
ing losses
power exceeds the allowed limits what
an enlarged probability that the
considerably shortens the hfe expectancy
of the devices
There
are
several different
The
earners
and proton
plantation
as
well
The
as
most
widely
implantation
is
physical
used
are
methods to reduce the hfeumes of the
gold
plaunum diffusion,
or
technique
as a newer
The
charge
electron irradiation
advantage
of the proton
im¬
the generation of concentrated and localized recombination centers
high reproducibility
emphasis
of this
study lies on the investigation of the physical influence of
implantation (l-4MeV) on the static and dynamic electrical
properties of fast bipolar p+n n+ high power diodes to opurruze the trade-off be¬
tween forward voltage drop, maximum reverse current and turn-off ume Several
high
energy proton
favorable
ing
implantation depths, doses and profiles are defined and a useful anneal¬
process is realized resulting in diodes with markedly improved turn-off per¬
formances
Such diodes will be used for fast recufier
(>lkHz)
or
for switch
power devices like
circuits as
thynstors
A temperature of 290°C for
a
or
free-wheeling
by-pass
high frequencies
diodes of fast
period
of 60 minutes
are
annealing
in vacuum
has
emerged as be¬
is higher than
operating temperature of the diodes but below 400°C where
healed out
problem are the flat hydrogen correlated donators generated
range Based
on
high
This temperature
maximum
traps
A
or
with
transistors
ing the most favorable condiuon for
the
applications
the static current
voltage
-1
-
at
most
the end of proton
characteristics of the diodes,
it is
dem-
Abstract
significantly
onstrated that such donators
for
doses
implantation
over
5»1012 cm"2.
therefore defines the maximum
of
current
The
ent
a
2k V
dynamic
circuits
ducing
the
turn-off
The desired
implantation dose which
biased diode however is
performance
of
only
implanted high
voltage, specially
blocking voltage capability
can
be used. The
increased
by
a
leakage
factor of 5.
power diodes in
two differ¬
demonstrated and discussed. One circuit is very low inductive
are
probability
and
current
reverse
lower the breakdown
for
devices while turn-off due
destroying
oscillations. The second circuit is
voltage
more
to
re¬
strong recovery
realistic
including
a
variable inductance.
implanted devices the turn-off time was reduced by 70%. The reverse current
peak decreases significantly by 90%, while in the same time the forward voltage
drop increases about only 25% at 400 Acm"2. In the first circuit the dynamic ava¬
lanche breakdown is the limiting factor. Against the nonimplanted original diode,
it allows a 1 kV higher switching voltage up to 1,7kV, whereas in the second cir¬
cuit thermal stress has limited the blocking capability caused by high current den¬
For
sities close to the
voltage
reverse
p+p'-junction
up
to
of the diodes. The
diodes survived
implanted
1,2kV whereas the untreated devices withstood
more
a
than
l,5kV.
ABBPISCES,
a
device
modeling
Stanford-PISCES) which
uses
program (a further
several
cal behavior of devices under
steady
quantitative correspondence
of
these simulations
were
physical
state or
development
of the
transient conditions, shows
experimental
popular
models and simulates the electri¬
a
strong
and modeled data. The basis for
the carrier lifetimes measured
by Open Circuit Voltage
Decay (OCVD).
Proton
The
implantation
advantage
does not
is that there is
provide
an
an
outstanding
device for all
applications.
improvement potential for devices depending
on
application. By specifically tailoring the proton implantation dose, energy or
profile, a device can be simply adapted into many different application specific el¬
their
ements.
From the
point
of view of economic, the
tial market for power diodes,
ratus
very
and the cost of
on
production.
high performances.
profitability is dependent upon
the installation expenses of
To
The maximum
2«1013cm'2.
ii
-
the poten¬
implantation
day implantation facilities
are
appa¬
available with
throughput of a commercial installation is
about 200 items of 4" wafers per hour based
-
an
on an
implantation
dose of
Zusammenfassung
Die wachsende
Nachfrage nach kompakten, preisgiinstigen aber dennoch leistungsfahigen Schaltkreisen fiihrt zu der Entwicklung von standig neuen elektrischen
Hochleistungsbauelementen
hohere Durchlassstrome und
erhohten
Tragheit
men von
grossen,
mit immer grosseren Ausmassen fiir
Sperrspannungen.
Dies fiihrt aber auch
zu
einer
der Bauelemente bei dynamischen Prozessen. Das Ausrauladungstrageriiberschwemmten Gebieten dauert dabei meh-
rere
Mikrosekunden
und
lang. Wahrend dieser Zeitspanne konnen hohe Strome
Spannungen gleichzeitig
auf die Bauteile wirken,
was zu
grossen kosten-
verursachenden Schaltverlusten wahrend des Betriebs fiihrt. Zudem ist eine
hbhte Wahrscheinlichkeit gegeben, dass die
werden und dies die
Lebenserwartung
Belastungsgrenzen
er-
iiberschritten
des Schalters erhebhch verkurzen kann.
Protonenimplantation
ist neben der Gold- oder Platineindiffusion und der
Elektronenbestrahlung
eine
Moglichkeit
die
mittels erzeugten Rekombinationszentren zu
schen
Eigenschaften massiv
Protonenimplantation liegt
zu
Tragerlebensdauer im Material
erniedrigen und damit die elektri-
beeinflussen. Der Vorteil der
in der
Erzeugung
Hochenergie
-
massierter und brtlich definierter
Rekombinationszentren, sowie in der hohen Reproduzierbarkeit.
Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung des physikalischen Einflusses
der Hochenergie-Protonenimplantation (l-4MeV) auf die statischen und dyna¬
mischen elektrischen Eigenschaften von schnellen bipolaren p+n"n+- Hochleistungsdioden mit dem Ziel das Verhaltnis zwischen Durchlassspannungsabfall,
Riickstromspitze und Abschaltzeit zu optimieren. Es werden optimale Implantationstiefen, -dosen und -profile definiert, sowie ein geeigneter Ausheizprozess
erarbeitet. Damit konnen signifikant verbesserte Dioden hergestellt werden.
Solche Dioden eignen sich fur Gleichrichteranwendungen mi t hohen Frequenzen
(<lkHz), oder auch als Freilauf- oder Entkopplungsdioden von schnell schaltenden Hochleistungsthyristoren oder -transistoren.
Fiir das Ausheizen hat sich eine
unter Vakuum als
malen
von
optimal
Temperatur
erwiesen. Damit
von
liegt
Betriebstemperatur der Dioden, jedoch
290°C wahrend 60 Minuten
diese
einiges
wesentlich
unter
iiber der maxider
Temperatur
400°C, bei der die meisten Traps ausgeheilt werden.
Anhand der statischen
Erzeugung
von
Sperrkennlinien
der Dioden wird demonstriert, dass die
flachen wasserstoffkorrelierten Donatoren, durch die
kommenden Protonen, die
Durchbruchspannung
-
in
-
bei
zur
Bestrahlungsdosen
Ruhe
iiber
Zusammenfassung
cm"2 wesentlich erniedrigen
5*10
festigkeit legt
damit die maximal verwendbare
Der Leckstrom der in
5 bei einer
kann. Die Definition der erwiinschten
Sperrichtung gepolten
angelegten Spannung
von
Bestrahlungsdosis
Diode erhbht sich
Sperr-
fest.
nur um
einen Faktor
2kV.
Die dynamischen Abschalteigenschaften der bestrahltenHochleistungsdioden
wer¬
den mittels zwei verschiedenen Schaltkreisen demonstrien und diskutiert. Dererste
Schaltkreis ist sehr niederinduktiv. Damit reduziert sich die Wahrscheinlichkeit ei¬
ner
ZerstSrung des
halten
von
zu
testenden Bauteils durch ein
Riickstrom und
kann durch den
Einbezug
Sperrspannung
mogliches
starkes
Schwingver-
beim Abschalten. Der zweite Schaltkreis
einer einstellbaren Induktivitat besser der Realitat ange-
passt werden.
Animplantierten Dioden konnten die Abschaltzeitenum 70% reduziert werden. Die
Ruckstromspitze verringerte sich dabei signifikant um 90% bei gleichzeitig geringem Anstieg des Vorwarts-Spannungsabfalls um 25% bei 400Acm"2.
Wahrend im einen Aufbau der
dynamische Lawinendurchbruch
durch elektrische
Feldiiberhohungen der li mi tierende Faktor i st und gegenuber den unbehandelten Di¬
oden eine um 1 kV hohere Schaltspannung bis 1,7kV zulasst, begrenzen in der zweiten Schalrung thermische Uberbelastungen, verursacht durch hohe Stromdichten am
Rand der Dioden, die Sperrfestigkeit. Die implantierten Bauelemente erreichten
Sperrspannungen
bis 1.2kV, wahrend die unbestrahlten Dioden mehr als 1.5kV
uberlebten.
ABBPISCES, ein Bauteilsimulationsprogramm (Weiterentwicklung
Stanford-PISCES), welches die elektrischen
ter
Einbezug
lich gute
verschiedener
physikalischer
quantitative Ubereinstimmung
Eigenschaften
der Bauelemente
Modelle simuliert,
der
experimentellen
zeigt
von
un¬
eine erstaun-
und modellierten
Daten. Die
Grundlage fiir diese Simulationen bilden mittels Open Circuit Voltage
Decay (OCVD) ermittelte Tragerlebensdauern.
Durch die
Protonenimplantation
kann nicht ein absolutes
Anwendungen zugleich hergestellt
Moglichkeit
der
Optimiening
Spitzenprodukt
werden. Der Vorteil
der Bauteile je nach
Grundbaustein kann durch schnelle und einfache
liegt
Anwendungszweck. Aus einem
Anderung der Protonenimplan-
tationsdosis, der Energie oder des Profils eine Vielzahl verschiedener,
dungsspezifischer
sich nach dem
sten und
grosser
len
Elemente
mbglichen
hergestellt
Leistungsfahigkeit.
Anlage liegt
strahlungsdosis
bei
von
ca.
anwen-
werden. Die Wirtschaftlichkeit richtet
Absatzmarkt der
den Produktionskosten.
fiir alle
vielmehr in der
Leistungsbauelemente,
Heutzutage gibt
es
den
Anlageko-
Implantationsanlagen
mit
Der maximale Durchfluss einer solchen kommerziel-
200 Stuck 4" Halbleiterscheiben pro Stunde bei einer Be¬
2,1013 cm"2.
-
IV
-
Inhaltsverzeichnis
Abstract
i
Zusammenfassung
iii
Inhaltsverzeichnis
v
Einfuhrung
1. KAPITEL:
1
1.1
Ziel
1
1.2
Motivation der Arbeit
1
1.2.1
Bisherige
Techniken
zur
Tragerlebensdauerverkiirzung
1.2.2 Lebensdauerkontrolle mittels
1.3
Strukrurierung
1.4
Schnelle
Protonenimplantation
fiir hohe
Spenbereiche
1.4.1
Hohe
1.4.2
p+n"n+-Diodenstruktur zur Reduzierung
2. KAPITEL:
Leistungen bedingen
Physikalische
Grundlagen
3
4
der Arbeiten
Leistungsdioden
2
grosse Diodendimensionen
der Dicke
5
6
6
und theoretische
9
2.1
Einleitung
9
2.2
Grundgleichungen
9
2.3
Beweglichkeit der Ladungstrager
13
Rekombinationsdynamik
15
2.4
2.4.1 Das
2.4.2
physikalische
Modell
von
Shockley-Read-Hall
18
Auger-Prozess
2.4.3 Effektiver Rekombinationsiiberschuss
der
2.5
Lebensdauereinstellung
2.6
Inhomogenes Lebensdauerprofil
betriebsspezifischen Optimierung
2.7
15
Ladungstrager
18
19
zur
Ideale PIN-Diode mit
von
Dioden
homogenem Tragerlebensdauerprofil
21
24
2.7.1
Vorwartsspannungscharakteristik
24
2.7.2 Riickwarts-I-V Kennlinien
2.8
26
Dynamisches Verhalten beim Abkommutieren
2.8.1
Einfluss der Hohe der
Durchlassbelastung IF und
Stromariderungsgeschwindigkeit dl/dt
2.8.2 Einfluss des
Spenspannungsverlaufs
IR
28
der
30
auf den Scheitelwert
des Riickstroms
2.8.3 Einfluss einer
homogenen Tragerlebensdauer Thl
30
in der Basis
..
30
2.8.4 Einfluss der
Ladungstrager-Rekombination auf die
Erholungsphase
2.8.5 Einfluss eines
3. KAPITEL:
inhomogenenTragerlebensdauerprofils
Hochenergie Protonenimplantation
31
31
33
3.1
Einleitung
3.2
6
3.3
Probenpraparadon
34
3.4
Dosisbestimmung
36
36
33
MeV-Teilchenbeschleuniger
als
Implantationsanlage
3.5
Homogenitat der
3.6
Protonenreichweite in n-Silizium
3.7
Defekte im Silizium erzeugt durch die
3.7.1
bestrahlten Flache
4. KAPITEL:
4.1
4.2
38
Protonenimplantation
Rekombinationszentrenprofil
3.7.2 Welche Stbrstellen tragen
41
41
zur
Rekombination bei?
Probentemperung
42
47
Einleitung
Aktivierung
34
47
und
Stabilisierung der geeignetsten
Rekombinauonszentren
47
4.3
Rapid Thermal Annealing (RTA)
49
4.4
Zeitabhangige Temperung
49
4.5
Temperaturabhangigkeit
50
5. KAPITEL:
der Zentren
Messschaltungen
zur
Charakterisierung
der Dioden
5.1
53
Einleitung
53
-
vi
-
5.2
5.3
Apparatur zur Messung
Bestimmung
6. KAPITEL:
des
dynamischen Abschaltverhalten
Protonenimplantationen
Einleitung
Feldstarkeverteilung in
6.2
Elektrische
Statische IV-Kennlinien nach
59
der
p+n"n+-Diode
anodenseitiger Implantation
Bestrahlungsenergieabhangigkeit
Durchbruchspannung
60
61
Dosis-und
der
6.3.2
54
59
6.3
6.3.1
53
Statische elektrische Diodencharakteristiken
nach
6.1
der statischen IV-Kennlinien
Dosisabhangigkeit des Leckstromes
6.4
Statische IV-Kennlinien nach
6.5
Einfluss der
Bestrahlung
Passivierungsschicht
Temperung
65
kathodenseitiger Implantation
70
auf den Randabschluss und die
72
auf die IV-Kennlinien
6.6
Einfluss der
6.7
Durchlasskennlinien im Vorwartsbetrieb
7. KAPITEL:
61
74
75
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation und
optimierter Temperung
77
77
7.1
Einleitung
7.2
Das transiente Abschaltverhalten
7.3
Abschaltverhalten der
von
Hochleistungsdioden
77
protonenimplantierten
Hochleistungsdioden nach optimierter Temperung
81
7.4
Verkiirzung der Abschaltzeiten durch Protonenimplantadon
82
7.5
Optimale Protonenimplantationsdosis fur Leistungsdioden
85
7.6
Optimale Protonenimplantationstiefe
7.7
Grenzen der Belastbarkeit
fiir
Leistungsdioden
89
89
7.7.1 Niederinduktiver Schaltkreis
7.7.2
Kommutierungskreis
8. KAPITEL:
86
mit variabler Induktivitat
93
97
Modellierung
8.1
Einleitung
97
8.2
Simulationsprogramm ABBPISCES als Werkzeug
97
-
vn
-
8.3
8.4
8.5
Verwendete
Einbezug
physikalische
Modelle
eines Schaltkreises in die
Modell fiir die
98
Modellrechnungen
Beriicksichtigung der inhomogenen
nach der Protonenimplantation
Tragerlebensdauer
8.6
Modellienes Abschaltverhalten
von
Optimiening
9. KAPITEL:
durch
102
neue
Dotierungsprofile
Diskussion und
9.1
Was wurde eneicht?
9.2
Wirtschaftlichkeit der
9.3
Ausblick
Schlussbetrachtungen
104
109
109
Protonenimplantation
Ill
113
Literaturverzeichnis
115
Liste der verwendeten
Symbole
129
Appendix
A.
Charakterisieningsmethoden
Appendix
B.
Physikalische Begriindung
Effektivitat
nahe
100
bestrahlten
Hochleistungsdioden
8.7
99
am
von
135
der hohen
Rekombinationszentren
pV- Ubergang
138
Appendix
C.
Herleitungen
142
Appendix
D.
Konstanten & Einheiten
146
Appendix
E.
Siliziumeigenschaften
147
Appendix
F.
Wichtige physikaUsche Zusammenhange
fiir Silizium
148
Lebenslauf
157
-
vin
-
1. KAPITEL:
1.1
Einfiihrung
Ziel
Ziel dieser Arbeit ist das Bereitstellen einer
Grundlage zur Optimiening der stati¬
Eigenschaften,
Durchlassspannungsabfall und Sperrfahigkeit, sowie der dynamischen Abschalteigenschaften, wie Riickstromspitzen und
Abschaltzeiten von Hochleistungsbauelementen mit Hilfe von Protonenimplantationen. Anhand von experimentellen Untersuchungen an bipolaren p+n'n+- Hoch¬
leistungsdioden und Modellrechnungen werden die physikalischen Grundeigenschaften und Auswirkungen der hochenergetischen Protonenimplantation
offengelegt und naher erlautert. Damit wird das physikalische Verstandnis der
schen elektrischen
wie
Grundeigenschaften
der dabei erzeugten Rekombinationszentren, sowie deren
Einfluss auf den
zium
Ladungstragertransport
Leistungsbauelementen, gefordert.
dynamische Verhalten
und das
Die gewonnenen Kenntnisse
tersuchten Dioden sollen die
Mbglichkeit geben,
wieweit diese Technik auch fiir
kompliziertere Bauelemente
voll ist. Diese Arbeit
nendosen und
elektrischen
mit
befahigt
-energien operiert
Eigenschaften
den Anwender,
1.2
werden muss,
mehr oder
spezifischen Anwendungen
zu
abschatzen
an
Sili¬
den
un-
konnen, in
anwendbar und sinn-
entscheiden, mit welchen Proto-
um
gewissen
der oben erwahnten
weniger Gewicht geben
besser
zu
von
Rechnung
zu
zu
konnen und da¬
tragen.
Motivation der Arbeit
Bauelemente der
Leistungselektronik,
fiir hohe Durchlassstrbme und grosse
geringen Spannungsabfallen
wie Dioden,
Thyristoren
und Transistoren
Sperrspannungen, verlangen
bei
moglichst
im Vorwartsbetrieb zunehmend kiirzere Abschalt¬
zeiten und kleinere Verlustleistungen bei dynamischen Vorgangen. In solchen
Hochleistungsbauelementen ist insbesondere das transiente Ruckstromverhalten
beim
Ubergang vom leitenden in den sperrenden Zustand von grosser Bedeutung.
Dotierungsprofile und Geometrien vorwiegend
durch die Anforderungen an die Spen- und Durchlassfahigkeit festgelegt sind,
vor allem iiber die Ladungstragerlebensdauern kontrollien. Es existieren mehrere
Techniken, um die Tragerlebensdauer zu beeinflussen.
Abschaltzeiten werden, da die
Zum
Beispiel
bestimmten
physikalisch eneicht durch das gezielte Einbringen von
Verunreinigungen oder durch das Erzeugen von Strahlenschaden im
wird dies
Kristallgitter des
zu
behandelnden Materials.
-1
-
Einftihrung
1.2.1
Bisherige
Techniken
zur
Tragerlebensdauerverkiirzung
Bis anhin wurden die
Ladungstragerlebensdauem von Leismngsbauelementen mit
Eindiffundierung von z.B. Gold oder Platin kontrolliert. Diese Elemente
wirken als Stbrstellen im Silizium und fbrdern das Zuriickspringen der
der
Leitungselektronen in ein vorhandenes Loch des Valenzbandes. Da diese
Vereinigung der Lbcher und Elektronen Rekombination genannt wird, werden
diese Stbrstellen auch als Rekombinationszentren bezeichnet. Umgekehrt konnen
aber auch, wegen dieser Stbrstellen, Elektron-Loch-Paare einfacher erzeugt
werden. Daher werden sie auch Generationszentren genannt. Ob die Generation
oder die Rekombination im Halbleiter dominiert, wird durch die vorhandene
Tragerkonzentration
bestimmt. Bei hoher
Tragerdichte uberwiegt die
(Verarmung) hat die Generation
Rekombination und bei niedriger Dichte
Ubergewicht.
Mit Gold und Platin als Rekombinationszentren konnen
von
Leistungsdioden
und
Thyristoren
verkiirzt werden,
zwar
die Abschaltzeiten
beziiglich
der
Reprodu-
zier- und der Kontrollierbarkeit der
aber bald
an
Grenzen. Es ist mit der
lich massierte Konzentrationen
Rekombinationszentrenprofile stbsst man
Eindiffusion nicht moglich, kontrollierte, brt-
von
Rekombinationszentren in Silizium-Lei-
Damit werden auch dort zusatzliche Stbrstellen
stungselemente einzubringen.
eingebracht, wo sie nur zur Verschlechterung
der elektrischen
Eigenschaften
bei-
Bestrahlungen durch Elektronen durchgefuhrt.
Die
tragen.
Neuere Versuche wurden mit
Rekombinationszentren werden dabei durch
gebildet.
Es handelt sich dabei
Strahlungsdefekte
mikroskopische
um
im
Fehler. In der
Kristallgitter
Regel sind dies
Fehlstellen oder Punktdefekte, also Orte, bei denen sich die Si-Atome nicht
regularen Gitterplatzen
befinden. Auch bei der
Elektronenbestrahlung
an
den
ist die
gewiinschte Lage der Rekombinationszentren nur schwer kontrollierbar. Der grosse
Vorteil der Elektronenbestrahlung liegt aber bei der unkomplizierten und schnellen
Behandlung
der Halbleiterbauelemente.
querschnittes durchdringen
Energien.
Bei
Energien
Aufgrund
des kleinen
geringen
im MeV-Bereich konnen mehrere Bauelemente oder
Halbleiterscheiben hintereinander
gereiht
und
zur
gleichen Zeit
bestrahlt werden.
Dank der grossen Wirtschaftlichkeit wird in der industriellen
Elektronenbestrahlung
Wirkungs-
die Elektronen das Bauelement schon bei
immer
Fertigung
die
haufiger angewendet. Dabei nimmt man aber einen
Durchlassrichtung in Kauf. Wesentliche
Verbesserungen verspricht man sich durch das Einbringen von tragervernichtenden
stark erhbhten
Spannungsabfall
in
Rekombinationszentren vermittelst
hochenergetischer Protonenimplantation.
-2-
Mouvauon der Arbeit
1.2.2
Lebensdauerkontrolle mittels
Fruhere Arbeiten
mit
ImplantaUonen
dass die Kontrolher- und
Elektronen
mittelst
[47][48]
Protonenimplantation
von
Protonen
Teststrukturen deuten an,
in
Reproduzierbarkeit bedeutend besser ist als bei Gold und
Vor allem,
wenn es
Protonenimplantation lokal
mit
gehngt, die Rekombinationszentren veroptimalen Dosen in gunstigst gewahlte
Emdnngtiefen der Leistungsbauelemente einzubnngen,
betrachthch,
zeiten
den
Sperrfahigkeiten,
Die Idee der
schon
gie
Vorwartsspannungen und
vemngern lassen
Protonenimplantation zur Emstellung der Tragerlebensdauer gibt es
von Westinghouse Electric Corp [1], sowie
von
BBC
Implantationsanlagen
-
sollten sich die Abschalt¬
uber 15 Jahren und wurde
seit
Verfahren dazu
ein
ohne allzu grosse Einbussen bei den
[3] patentiert In Ermangelung geeigneter Hochener-
beschrankte
man
sich bei der
Verwirkhchung
dieser
Idee aufeinpaarwemge Bauelemente, bzw Proben Dabei wurde das Augenmerk
mehr auf die
sche
pnnzipielle Moghchkeit der Verbesserung, denn auf die systematiOptimiening der elektnschen Eigenschaften genchtet Im Rahmen solcher
Demonstrationen wurden einige
Off)
Hochleistungs-GTO-Thynstoren ("Gate Turn
Protonemmplantauonsdosen zwischen 1«1010 und 5*1010 cm*2
[49] Die Vorgange in der Vierschichtstruktur sind dabei viel kompb-
klemen
mit
untersucht
zierter
als
in
sikahschen
dass
keit
im
der Diode und erschweren die
Vorgange
Unterschied
berucksichtigt
Forderung des Verstandnisses der phyBeispiel haben eigene Expenmente an GTO's gezeigt,
Zum
zu
Dioden neben der Ausschalt- auch die
werden
verhaltens kann das Einschalten
Dosen
enorm
einer
Einschaltmoglich-
Verbesserung
des Abschalt-
verschlechtern oder sogar verlundern (bei
>5«10n cm"2)
Es fehlen
telle
Der Versuch
muss
in
diesem Smne bis
Untersuchungen,
zum
heutigen Zeitpunkt systematische, expenmen-
welche Aufschluss daruber
geben,
ob und
wie
sich die
er-
wahnten elektnschen Eigenschaften der Elemente bei Vanation der verschiedenen
Parameter
wie
Implantationsdosis, Protonenenergie
oder
Ausheiztemperatur ver-
andern
Diese Arbeit konzentnert sich auf die
hand der Durchlassverluste,
ren
Opumierung
Sperrfahigkeiten
der
Protonenimplantation
und Abschaltverhalten
von
an-
bipola-
p+n"n+- Hochleistungsdioden
Es wird gezeigt,
wie
sich das Verhalten der bestrahlten Elemente
unbestrahlten Dioden
Resultate
zu
signifikant
verandern kann und
und
gegenuber
den
welchem Verhaltnis die
Elektronenbestrahlung stehen
Regeln erstellt, in welchen Bereichen sich Bestrah¬
-energien der Protonen, sowie Temperaturen des Temperverfahr-
der etabherten
Es werden gewissermassen
lungsdosen
in
-3-
Einfuhrung
ens
bewegen du'rfen,
damit der
Kompromiss zwischen niedrigem
spannungsabfall, niedrigen Riickstromspitze
Vorwarts-
und kurzer Abschaltzeit
optimal
wird.
1.3
Strukturierung
der Arbeiten
Zuerst wurde anhand einfacher n-dotierter <111> "Float Zone
(FZ)"-Silizium-
scheiben (4"-Durchmesser) die
Mbglichkeiten der Implantationsanlage in bezug
auf Grosse der Bestrahlungsflache und Homogenitat gepriift. Beziiglich der Homogenitat wurde die gleichmassige Verteilung der Dosis iiber die ganze bestrahlte
Flache, wie auch die Uniformitat der Siliziumscheiben untereinander, untersucht.
Um die zeitliche Stabilitat der
lungstermine,
Anlage
wurde anschliessend die
Veranderung
Scheibenoberflache (Resistance
Als zweites musste
Verfiigung
zu
uberprufen,
verteilt iiber sechs Monate, in
wurden mehrere Bestrah-
Anspruch
genommen. Gemessen
des elektrischen Widerstandes auf der
Mapping).
uberprtift werden,
stehenden
ob die Monte-Carlo Berechnungen des
Ionenimplantationsprogramms (TRIM 89 [53]) mit den
zur
ex-
perimentellen Daten der Eindringtiefen von Protonen im Silizium iibereinstimmen. Bei Bestatigung ergibt sich ein niitzhches Werkzeug zur Definition der
Protonenenergie in bezug auf die gewiinschten Eindringtiefen. HinsichtUch der
teuren
Leistungshalbleiter
konnen, damit die
ist
erwarteten
es
wichtig, Eindringtiefen prazise voraussagen
Effekte auch tatsachlich im
gewiinschten
zu
Ausmass
auftreten.
Nach Auswahl
geeigneter Leistungsbauelemente
und Herstellung entsprechender
Leistungsdioden mit verschiedenen
Bestrahlungsflachen behandelt.
Probenhalter, wurden mehrere Serien
Protonendosen,
Energien
und
Da Rekombinationszentren
gleich
von
nach der
Bestrahlung
nicht thermisch stabil
sind, wurde ein Temperungsprozess enrwickelt, welcher die Stabilitat der Diode
wahrend des Betriebs
gewahrleistet.
Als erstes wurden die statischen
Strom-Spannungscharakteristiken der behandelgeeigneten Messapparatur bestimmt.
Danach wurde eine Messapparatur zu Messzwecken des dynamischen Abschaltverhaltens aufgebaut. Diese Anlage hatte den Vorteil, dass sie extrem niederinten Dioden mit
duktiv
war
und
einer
deswegen
hohe zeitliche
-4-
Anderung
des Stromes
(dIF/dt) erzeugt
Schnelle
werden konnte. In reellen
Schaltkreis
sem
einbezogen,
Grand wurden
durchgefiihrt,
Leistungsdioden
fur hohe
Anwendungen ist aber immer
Spenbereiche
ein Verbraucher im
welcher meist grossere Induktivitaten besitzt. Aus die-
entsprechende Messungen
auch
bei der eine induktive Last und damit
einer zweiten
an
dlp/dt
Anlage
des Abkommutier-
vorgangs variiert werden kann.
Die
die
net
experimentellen Daten wurden mit PISCES'-Simulationen verglichen, um
Aussagekraft des Programms zu testen. Dieses Simulationsprogramm berechdas elektrischen Verhalten
von
Bauteilen unter statischen und transienten Be-
dingungen durch Losen der Poissongleichung, der Bewegungs- und der
Kontinuitatsgleichungen an verschiedenen Punkten innerhalb der Bauelemente.
Es zeigte sich eine gute qualitative Ubereinstimmung zwischen den Messresultaten und den Modellrechnungen.
1.4
Schnelle
Leistungsdioden
Dioden haben in der
nur
strom in
wegzudenken.
in einer Richtung
Hauptaufgabe
Sperrbereiche
Leistungselektronik einen wichtigen
und sind dort nicht mehr
Strom
fiir hohe
einer Diode
zu
Platz
eingenommen
Die Diode ubernimmt die
leiten und in der anderen
liegt demgemass
in der
Richtung
Umwandlung
Aufgabe,
zu
den
sperren. Die
von
Wechsel-
Gleichstrom.
Seitdem aber
neue
Typen
von
Leistungsschaltern,
wie "Insulated Gate Based
Transistor" (IGBT), "Metal Oxid Semiconductor Fieldeffect Transistor"
(MOSFET), "Gate Turn Off Thyristor" (GTO) oder "MOS Controlled Thyristor"
(MCT) fiir Anwendungen in der Elektronik auf den Markt gekommen sind,
werden Dioden auch als Freilaufdioden
geschaltet
und als Schutzelemente
antiparallel
Uberbelastungen
zu
diesen Bauteilen
verwendet. Als
Beispiel
qualitativ hochstehenden Antriebsysteme der Bahn "2000", deren
wartungsfreien Asynchronmotoren mittels GTO's, welche als
vor
diene die
nahezu
Stromrichter wirken, gesteuert werden. Da die Last eines Motorantriebes immer
induktiv ist,
antiparallel
1
muss
zum
"Poisson and
negativer Richtung fliessende
liegende Diode abgeleitet werden.
der in
GTO
Continuity Equation Solver" [1051(106]
Blindstrom durch eine
Einfuhrung
1.4.1
Hohe
Die hohen
Leistungen bedingen
Anforderungen
an
grosse Diodendimensionen
Leistungsdioden bestimmen die Dimensionierung.
Sperrfahigkeiten sind die Feldkonzentrationen an
Problematisch bei sehr hohen
den Randern der
Siliziumchips. Diesen Schwierigkeiten versucht man mit
ausgekliigelten Randkonturen zu begegnen. Lbsungen bestehen in den
verschiedenartigen Dotierungen der Randabschltisse oder im schiefen
Anschleifen der Silizium-TablettenrSnder, sowie deren Schutz mit geeignetem
Lack oder anderen
Oberziigen.
Die erlaubte Stromdichte im Silizium ist
welche fiir
ca.
langere
lOOA/cm
begrenzt. Fur Hochleistungsbauteile,
Durchlassrichtung geschaltet sind, liegt die Grenze bei
geforderte maximale Stromfestigkeit bestimmt die Grosse
Zeit in
[9]. Die
der aktiven Flache des Bauelementes.
Eine hohe
Sperrfahigkeit
und ein gutes
Durchlassvermbgen setzen eine breite,
Tragerlebensdauer voraus, damit in
Zahl und vollstandig mit Ladungstrager
schwach dotierte Mittelzone und eine hohe
Vorwartsrichtung
die Basis in grosser
uberschwemmt wird. Dies
Durchlass- in den
ergibt
Sperrzustand
aber den
ein
Nachteil, dass beim Umschalten
vom
Tragheitseffekt auftritt. Beim Umschalten
in
Sperrrichtung
Ladungstrager
sich die Raumladungszone zur Obemahme der Spenspannung aufbauen kann. Bis
zum Erreichen der Sperrfahigkeit tritt daher eine Sperrverzbgerungszeit auf,
wahrend der die uberschussigen Ladungstrager abfliessen bzw. rekombinieren.
miissen die zusatzlichen
Fiir hohe
Schaltfrequenzen (>lkHz)
Sperrverzbgerungszeiten im Nano-
verschwunden sein, bevor
mit steilem
dIF/dt
sind schnelle Dioden mit
und Mikrosekundenbereich
gefragt.
Diese
Forderung bedingt technologische Massnahmen, um die basisuberschwemmenden Ladungstrager beim Ausschalten schnell abzusaugen oder durch Rekombina¬
tion zu beseitigen. Dadurch wird die Verlustleistung reduziert und die entstehende
Warme mbglichst gering gehalten. Da aber der Durchlassspannungsabfall
zwangslaufig erhbht wird, muss je nach Schaltfrequenz ein Optimum mit niedriger totaler Verlustleistung gefunden werden.
1.4.2
p+n"n+-Diodenstruktur
zur
Reduzierung
der Dicke
Da das elektrische Feld im Bauteil die kritische Feldstarke
ten
niedrige
werden.
zu
EK nicht iiberschreipn-Diode z.B. durch eine
sollte, kann eine hohe
Durchbruchspannung einer
n-Dotierung und entsprechender Dicke dieser Bereiche erreicht
Niedrige Dotierungskonzentrationen und dicke Dioden fiihren aber auch
p- und
einem grbsseren Widerstand und damit
-6-
zu
einem erhbhten
Durchlassspan-
Schnelle
nungsabfall.
Leistungsdioden
Fiir gute ohmsche Kontakte sind zudem
konzentrationen
notwendig.
Fiir
Sperrspannungen
p+n"n+-Diodenstrukrur vorzuziehen.
fiir hohe
Spenbereiche
Dotierungs-
Rand hohe
am
iiber 100V ist deshalb eine
Mit dieser Struktur konnen hohe
Sperrspan¬
nungen bei relativ diinnen Diodendicken eneicht werden.
Die Reduktion der Diodendicke
schwemmen der
Ladungstrager
begiinstigt einerseits
wahrend des
seits wird die unerwunschte
das schnellere Aus-
Abkommutiervorgangs.
Erwarmung
Anderer-
durch das kleinere Volumen
vermindert. Aus technischer Sicht diirfen die Dioden aber auch nicht
zu
diinn
sein, da sich dann die Bruchgefahr der Siliziumscheiben erhbht. Die in der Lei-
stungselektronik
(Anhang F.8).
iiblichen Dicken der Bauelemente
Die
Forschungsabteilung
ABB stellte fiir diese Arbeit,
zur
nenimplantationen, eine Anzahl
beiden
Ubergange
Anode
aus
von
280pm
betragen zwischen 0.2-1 mm
Halbleiter-Leistungsbauelemente der
Untersuchung der Auswirkungen
solcher
Bei den verwendeten Dioden handelt
1-1, nSchste Seite)
fiir
p+n"n+-Dioden
es
sich
zur
von
Proto-
Verfiigung.
bipolare p+-n"-n+-Dioden (Fig.
von 21 mm2. Die
um
Dicke und aktiver Flache
befinden sich in einer Tiefe
gesehen. Das Grundmaterial besteht
Kernumwandlung mittels Neutronenbeschuss)
hochdotierten Schichten haben eine
260pm
von
20pm
aus
n"-dotiertem
und
der
von
(~2«1013cm"3,
<111> FZ-Silizium. Die beiden
Dotierungskonzentration
von
1019cm"3
(Bor, Phosphor). Ein zusatzlicher, abgestufter p'-Randabschluss
2»1015cm'3) erniedrigt
(Aluminiumdotiert, maximal
Feldstarken
am
Ende des
planaren p+n"-Ubergangs.
Stabilitat und
Zuverlassigkeit
polykristallinen Silizium (SIPOS:
wurde eine
angebracht, welche
Eigenschaften
von
beweglichen
durch eine
Eneichung
aus
einer guten
sauerstoffdotiertem
Insulating Polycrystalline Silicon)
Schutzschicht bedeckt wird, da sich die
unter
Ladungen
Einwirkung von Feuchtigkeit und
[70]-[75]. Mit SIPOS wird die
der
Ionen verandern konnen
Neutrahsation etwelcher fixer
Ladungstrager
Si3N4
SlPOS-Schichten
Passivierung
Semi
die hohen elektrischen
Zur
in der
Passivierungsschicht
eneicht. Der Sauerstoffanteil des Silizium ist dabei
durch freie
ca.
20 at.%
[76].
Die Dioden wurden mittels dieser Struktur fiir maximale
von
100 Wcm"
Scheibe
zu
Bereich
von
und
Spenfahigkeiten
Scheibe bei identischer
10% auftreten
[76].
bis 3.4 kV
Durchlassleistungen
konzipiert.
Prozessfuhrung
durchaus
Dabei konnen
von
Schwankungen
im
Einfuhrung
Metallisierung
SIPOS-
MYl
Fig.
1-1
Kathode
Metallisierung
Darstellung der verwendeten Hochleistungsdiode.
x-Richtung ist gegeniiber den anderen beiden Richtungen stark
gestreckt eingezeichnet. Die Diode besitzt anodenseitig einen plaSchematische
Die
naren
Randabschluss, welcher
POS-Schicht als
an
der
Oberflache
Passivierimg abgedeckt
ihrerseits wird durch eine
durch eine Sl¬
ist. Die SlPOS-Schicht
Si3N4-Schicht geschiitzt.
2. KAPITEL:
2.1
Physikalische und theoretische
Grundlagen
Einleitung
In diesem
Kapitel
theoretischen
werden die fur diese Arbeit
Grundlagen
gewisser Phanomene
rung
wichtigen physikaUschen
und
erlautert. In spateren
der elektrischen
Kapiteln wird bei der ErklaDiodeneigenschaften auf diese
Grundlagen zuriickgegriffen.
Es werden darum kurz die fiir die Halbleiterelektronik
chungen zusammengefasst.
schen
Eigenschaften
Mit diesen
Gleichungen
wichtigen Grundglei-
lassen sich die elektri¬
Halbleiterbauelemente modellieren. Ein
wichtiger
Gleichungen ist die Ladungstragerbeweglichkeit p, welche
Diffusionsgeschwindigkeit beeinflusst und von verschiedenen Fakvon
Parameter dieser
Drift- und
toren
wie z.B. der
Kristalltemperatur bestimmt ist.
Anschliessend wird auf die verschiedenen
dere auf die
der
Rekombinationsprozesse, insbesonShockley-Read-Hall-Rekombination, eingegangen. Die Kontrolle
Tragerrekombinationsrate innerhalb
von Dioden bietet die Mbglichkeit die
dynamischen Strom-Spannungscharakteristiken zu beeinflussen. Am Schluss des Kapitels werden deshalb die verschiedenen Einfliisse der
Tragerlebensdauerprofile auf die elektrische Diodencharakteristik erlautert.
statischen und
2.2
Die
Grundgleichungen
folgenden Gleichungen beschreiben
polaren
das differentielle Verhalten aller bi-
Halbleiterbauelemente und bilden die
dardwerken
[21][22][23][25].
Die
Grundlagen in zahlreichen Stanverwendeten Symbole sind auf Seite 129
erlautert.
Bewegungsgleichungen:
aV
dp
Physikalische
und theoretische
Grundlagen
Kontinuitatsgleichungen:
13;»
3"
=
97
3JE
A9Jl
=
dl
Poisson'sche
„
+
^-R
-
R
„
G
(2-3)
G
+
qdx
(2.4)
Gleichung:
^2
-hE
=
71
-7^-n
=
+
<-N*)
(2-5)
Verschiebungsstrom:
>v
=
e,^7
(2.6)
~al
(2.7)
elektrische Feldstarke:
E
Einstein'sche
=
Beziehungen (gelten
fur n,p
d*.p
Die
der
Bewegungsgleichungen (2.1)
£>!jff«.57'0n5s/r0mkomponente
liche
des
"
«
Ncv)
vr^„,P
und
(2.2)
(2.8)
setzen
sich
aus
der Elektronen bzw. Lbcher
der
der
Driftstrom- und
zusammen.
Die zeit¬
(2.4) hangt von
Ladungstragerdichte (2.3)
Anderung
Divergenz
Ladungstragerflusses und von der Tragenekombination bzw. -generation ab.
und
der
R beschreibt den Rekombinationsuberschuss und ist die Differenz zwischen Neuerzeugung und
Gleichgewicht
Wiedervereinigung
ist R
=
der Elektronen und Lbcher. Im thermischen
0, und damit kompensieren sich die Betrage der Rekombi¬
nation und der Generation.
G ist die Generationsrate, verursacht durch extemen Einfluss wie
optische
gung durch Photonen oder durch Stossionisation bei starken Feldern.
-10-
Anre-
Grundgleichungen
Da bei der Rekombinauon und Generation
Ladungstragem
von
stets
Paare
ver¬
schiedener Polantat involviert sind, konnen die Teilstromdichten verschieden
von
Null sem, obwohl die Gesamtstromdichte Null
der Teiichenstromdichten
von
betragt
Elektronen und Lochern
Es
ergibt
gilt Die Summe
die Gesamtstrom¬
dichte
Aus der
Poissongleichung (2 5)
erhalt
der elektnschen Feldstarke mit der
durch die lokalen Dichten
der
n
am
Zusammenhang
den
man
Ort auftretenden
der
Raumladung
Divergenz
Diese wird
und p der vorhandenen freien Locher und Elektronen,
N+D
Akzeptoren N A gebildet Die lokale,
gleich
Divergenz des am Ort henschenden Potentials (2 7) Falls die Tragerdichten klein gegenuber den effektiven Zustandsdwhten Nc und Nv smd (nicht entartet), gilt die Beziehung (2 8), welche
den Zusammenhang der Diffusionskoeffizienten Dn und
Dp nut der Tagerbeweghchkeit p„ und
beschreibt VT kT/q ist die thermische Spannung
Pp
sowie
lonisierten
Donatoren
elektnsche Feldstarke E ist
und
der negauven
=
Die
Verschiebungsstromdichtejv (2 6) berucksichtigt das
dungen,
Ladungstragerdichten
Naherung den Elektronen-
von
fluss des
Auftreten
welche durch ortlich unterschiedhche zeitliche
von
Raumlader
Anderungen
Elektronen und Lochern auftntt und kann
in
guter
und Locherstromdichten
Verschiebungsstromes
ist
aber gemass
uberlagert werden Der Ein¬
[67] nur bei Einschaltvorgangen
wesentlich
Gleichungssystem enthaltenen Parameter wie Beweghchkeit, Rekombina¬
uon und Generation von Ladungstragem, sind stark nicht linear Dies verhindert
eine geschlossene Losung des Gleichungssystems
Die
im
Im thermischen
Gleichgewicht (n=n0,p=po) gilt
nP
mit
=
Massenwirkungsgesetz
"?
(2.9)
der intnnsischen Elektronendichte
£
",
Die
das
=
_
£
i<W "Pi—JFT~)
effektiven Zustandsdtchten Nc
und
Nv
im
(2-10>
Energieband oberhalb
der
ef¬
Leitungsbandkante Eq
Ev
fektiven Massen m^ und m^ der Elektronen, bzw Locher, sowie der Temperatur
und unterhalb der Valenzbandkante
bestimmt
sind durch die
PhysikaUsche
und theoretische
Grundlagen
ilurn
.
kT\i/2
"'!-r!
Eine
Stbrung
des thermischen
Gleichgewicht bewirkt,
dass das
Massenwirkungs-
gesetz (2.9) nicht mehr erfiillt ist. Dadurch entsteht ein Rekombinationsiiberschuss R der in Abschnitt 2.4 naher erlautert wird.
-
12-
Beweglichkeit der Ladungstrager
Beweglichkeit der Ladungstrager
2.3
Leitungselektronen und Defektelektronen (Locher) haben
l'107cm/s bei 300°K) mit der
thermische Geschwindigkeit (v
-
leiter
fortbewegen.
je
eine
sie
sich
mittlere
im
Halb-
Auf ihrer Bahn stossen sie mit fremden
Stosspartnern zusammen und werden infolgedessen abgelenkt, so dass die Bewegung im Zickzackkurs
erfolgt. Statistisch gesehen kommen die Trager immer wieder zu lhrem Ausgangspunkt zuruck, womit der Gesamtteilchenstrom Null betragt Bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes werden die Elektronen in Gegennchtung und die
Locher in Richtung des Feldes abgelenkt. Der mittleren thermischen Geschwin¬
digkeit wird damit eine Driftgeschwindigkeit uberlagert Diese Dnftgeschwindigkeit betragt im stromdurchflossenen Halbleiter nur einige Millimeter pro
Sekunde. Bei den hohen elektrischen Feldern, welche
eines
spenenden pn-Ubergangs
Raumladungszone
hangt
Geschwindigkeit
und der Tragerbeweglichkeiten zu-
stark mit den Grossen des elektrischen Feldes
sammen
in einer
entstehen konnen,
und eneicht Werte bis maximal
die
1*10 cm/s Mit vn und
vp als Abso-
Driftgeschwindigkeit von Elektronen und Lochern im
die entsprechenden BewegUchkeiten wie folgt definiert
elektrischen
ca.
lutwerte der
Feld, sind
V
»n
In einem Gitter
von
Trager unendUch
idealer
=
p
Regelmassigkeit
gross. Die ideale
raturen iiber 0 Grad K
(2.13)
-T-
infolge
der
ware im
Regelmassigkeit
ist
Warmebewegung
Pnnzip
die Mobihtat der
aber bei endhchen
Tempe-
der Gitterbausteine gestort.
Verunreinigungen
falls und
nen
sich
steigt
oder Fehlstellen des Gitters storen die Regelmassigkeit eben¬
beeintrachtigen die Beweglichkeit der Trager Die Ladungstrager kon¬
auch gegenseitig in die Quere kommen. Die Wahrscheinlichkeit dafur
mit der
Tragerkonzentration.
damit im wesentlichen
von
Die
folgenden
Beweglichkeit
drei
Ladungstrager
Wechselwirkungen beeinflusst
der
wird
a) Ladungstrager-Phononen (lattice scattering) ([11],[12])
b) Ladungstrager-ionisierte Storstellen (impunty scattenng) ([ 12],[ 14],[15])
c) Ladungstrager-Ladungstrager (carrier-camer scattering) ([11],[16],[17][18])
Auf eine genauere
nicht naher
Ausfuhrung dieser Abhangigkeiten braucht an dieser Stelle
eingegangen zu werden, sondern kann auf die oben referenzierte Lite-
ratur verwiesen
werden.
-13-
PhysikaUsche
und theoretische
In Silizium ist die
Masse etwa
um
Grundlagen
Beweglichkeit
den Faktor drei
aufgrund der grosseren effektiven
jene der Elektronen.
der Lbcher
als
geringer
Der Einfluss der
Trager-Tragerstreuung wird erst bei Tragerkonzentrationen iiber
1016cm'3 (Hochinjektion von Elektronen und Lochern) wesentlich [12]. Unterhalb dieser Konzentration und bei den typischen Spenschichttemperaturen zwischen 300K und 400K fiir
Silizium-Halbleiterbauelemente, sowie
Dotierungskonzentrationen, welche kleiner als 1015 cm"3 sind, iiberwiegt die Ladungstrager-Phononenstreuung die beiden anderen Falle deutlich. Fiir die La¬
dungstrager- PhononenstreuungsbewegUchkeit Pi gilt im Bereich zwischen 200K
und 600K ([11],[12]) folgende Beziehung:
t
r
»i
H{fJ
=
(2.14)
wobei fur die verschiedenen Parameter die Werte der Tabelle 10 einzusetzen sind.
Tabelle
10
Elektronen
[11],[12]
1500[11],[12]
450
1360 [25]
495 [25]
1"0
300
300
Y
-2.2[llJt[12j
-2.2[11],[12]
-2.42 [25]
-2.20
"0
Einheit
Lbcher
cm
2
-1 -1'
v *s
K
[25]
Die Nichtlinearitat der
den
Beweglichkeiten pn p der Ladungstrager gelangt explizit in
Bewegungsgleichungen (2.1) und (2.2) zum Ausdruck, ist jedoch impUzit im
ganzen
Die
Gleichungssystem
vorhanden.
Kontinuitatsgleichungen (2.3)
nichtlinearen Parameter R
den naher
eingegangen
und (2.4) enthalten den ebenfalls stark
(Rekombinationsiiberschuss) auf welchen im folgen-
wird.
-
14-
Rekombinationsdynamik
2.4
Rekombinationsdynamik
Als Rekombination bezeichnet
Paares Dies
rungsband
geschieht
Loch des Valenzbandes unter
in em
gie entweder
Vernichtung eines freien Elektron-LochUbergang ernes freien Elektrons aus dem Leidie
man
durch den
in
Abgabe
elektromagnetische Strahlung,
(strahlungsloser Ubergang)
oder
kinetische
in
der freiwerdenden Ener-
in
Energie
Gitterschwingungen
eines
dritten freien La-
dungstragers
Bei Silizium konnen strahlende
onsmechamsmen
ke
(Si,
Ubergange gegenuber
vernachlassigt werden
Ge) fallt der uefste Punkt des
den andern Rekombinati-
Bei Halbleitern
Leitungsbandes
mit
indirekter Bandluk-
nicht mit dem Wellenvektor
zusammen [8] Die Energie, welche
Ubergang aufgebracht werden muss, ist damit grosser als die tatsachhche
Bandlucke Die entstehende Anderung des Wellenvektors muss von einem
K des hochsten Punktes des Valenzbandes
fur den
Phonon
aufgenommen werden,
mcht verletzt wird Die
damit der
quantenmechanisch
Erhaltungssatz
erlaubten
Ubergange
viel haufiger in einem Halbleiter mit direkter Bandlucke (z
gen) auf, als in einem Halbleiter mit indirekter Bandlucke
Ein Rekombinationsakt
a)
in einem
b)
in zwei
erfolgt
im
fur Wellenvektoren
B IH-V-Verbindun-
wesenthchen
einzigen Schntt quer uber das ganze Band (direkter
Schntten uber
von einer
Storstelle
im
ein
deshalb
treten
Ubergang)
Zwischenniveau (Rekombinationszentrum), das
verbotenen Band erzeugt wird (Modell
von
Shock-
ley-Read-Hall) (siehe Abschnitt 2 41)
c)
durch
einen
Ubergang
unter
Beteihgung
dntten
eines
Leitungs-
oder De-
fektelektrons, welchem die freiwerdende Energie als kinetische Energie
ubertragen
2.4.1
Das
wird
physikalische Modell
Fur Silizium ist der
nationszentren
etwa
von
wichtigste
wirken konnen,
derjenigen
von
2 4
2)
Shockley-Read-Hall
strahlungslose Ubergang,
veaus, bei weitem der
Elektrons
(Auger-Prozess) (Abschnitt
unter
Einbezug
der Storstellenni-
Prozess Damit die Storstellen gut als Rekombi¬
muss
die Wahrscheinlichkeit des
Lochern
-
15-
entsprechen
Dies
Einfangens eines
seizt voraus,
dass die
PhysikaUsche
und theoretische
Grundlagen
Ej in der Mitte
Fermienergieniveaus Ei liegen.
Gemass der Theorie
von
Nettorekombinationsrate
folgendermassen
Shockley,
Rsrh
Energiebandliicke,
der
Stbrstellenniveaus
Read und Hall [4] [6] ist die
Gleichgewichts-
singularen Energieniveaus
in der Bandliicke
e'nes
definiert.
pn
*SH*
•
also
-
n(
;
^-TT
t^Ci
Rsrh hangt
nahe des intrinsischen
von
bensdauern tn und
Tp
+
£
n^xpt—^r-i))
den Dichten
+^(p
+
n,exp(-^-))
und p der freien
n
Energieniveaus Ej
und des
<2-15>
-ET
Ladungstrager,
der
Tragerle-
der Rekombinationszentren ab.
Tp sind von der Dichte der aktiven Rekombinationszen¬
Einfangraten cn und cp abhangig.
Die Lebensdauern xn und
tren
NT
und deren
T
'
",
Die
Tragerlebensdauer Tn
rungskonzentration N(x)
=
(2.i6)
r~rT
-.,
P
T
bzw.
tp kann aber auch von der lokalen NettodotieN+D(x) N"A(x) in Axialrichtung abhangen [63][64].
-
Vp(X)
"*N{x)
=
1
P-17)
+
^SRH-n.p
Dabei handelt
tor-
bzw.
und im
es
sich nicht
um
Akzeptorzentren,
die durch die
sondern
um
allgemeinen prozessabhangige
Dotierung gegebenen flachen
tiefere, durch die
Dotierung
Dona-
induzierte
Rekombinationszentren [13].
NSRH.n und NSRH.p werden konstante Werte spezifiziert.
Tragerlebensdauern Tn0(T) und T^fT) werden jeweils so gewahlt, dass sich
speziell bei hoher Injektion iiber dem gesamten Temperaturbereich konekte Wer¬
te ergeben.
Fiir die Konzentrationen
Die
Die ganze
Rekombinationsdynamik hangt davon ab,
oder niedere
Shockley,
Ladungstragerdichte
ob im Halbleiter eine hohe
existiert. Aus der Rekombinationsstatistik
von
Read und Hall lassen sich fiir ein einfaches Rekombinationsniveau
im n-Material die
Spezialfalle
fiir die
Tragerlebensdauer
-16-
bei hoher
Ej
Injektion t^,
Rekombinationsdynamik
Injektion tll und die Lebensdauer Xq in einer Raumladungszone, in
nt2 gilt, herleiten Dabei sind no und po die Gleichgewichtsladungstragerkonzentrationen der Elektronen und Locher
bei mederer
welcher n0«p0
=
Ladungsneutralitat ist die injizierte Elektronendichte An gleich der von den
Lochem, und die allgemeine Tragerlebensdauer im n-Silizium ist gegeben durch
Bei
An
T
niednger Ladungstragennjektion,
tration An kleiner als die
Lebensdauer
tJberschussladungstragerkonzen-
die
wo
Gleichgewichtladungstragerdichte
=
=
.
u
T
2E-E
(^)l. f.
I
T
+
,
1
+
+
e
e+
I 1
xP'
1
«+
T,
}
Ladungstragennjektion
tragerlebensdauern
von
sich die
(-^H)!
mit
(2.W)
i
v
J
viel hoheren
Tragerdichten
Summe
aus
als die Gleichden Minontats-
Elektronen und Locher
zhl
Sperrfall
ergibt
-B.
r\\l
gewichtskonzentration ist die Lebensdauer gerade die
Im
n0 ist,
aus
<
Bei hoher
(2-18)
R~~
f
Bei
=
der Dioden,
wo
n,p
\
=
+
\
Hq ist,
«
(2.20)
uberwiegt
die Generauonsrate mit der
Lebensdauer
e
et-e
Wenn mehrere Rekombinationszentren
-et
gleichzeitig wirken,
addieren sich die
ein-
zelnen Rekombinationsraten gemass
1
7
=
-
v
I
'
t
17-
(222)
PhysikaUsche
mit Xj
Grundlagen
Injektionsbedingungen
nach
je
Diejenigen
sten
und theoretische
Zentren mit den
aus
(2.19), (2.20) oder (2.21).
grbssten Rekombinationsraten fallen dabei
am
mei-
ins Gewicht.
[47] sind die Stbrstellen,
Gemass
welche in den Tabellen 2+3 in
Kapitel 3.8
fett
hervorgehoben sind, die elektrisch aktivsten, bzw. dominantesten Defekte und tragen
2.4.2
am
wesentlichsten
zur
gesamten
Tragerlebensdauer bei.
Auger-Prozess
Beim
Dreierstoss, ist
dem sogenannten
Auger-Prozess,
renden Elektron-Loch-Paar noch ein drittes
Ugt. Die bei
dem
Leitungs-
der Rekombination frei werdende
beteiUgten
dritten
ausser
Energie wird als
Ladungstrager iibergeben.
dem rekombinie-
oder Defektelektron betei-
kinetische
Energie
Der Rekombinationsiiberschuss
RAug durch den Auger-Prozess wird wie folgt definiert [6]:
***,
mit den sogenannten
=
iP"-"h
(c„"
+
CPP)
(2.23)
Auger-Rekombinations-Koeffizienten cn=2.8»10"
cm6s"1
undcp=9.9'10"32cm6s"1.
Die
Auger-Rekombinationsrate
ist im
Vergleich
zu
der
Shockley-Read-Hall-Re-
Tragerdichten vernachlassigbar.
Tn,tp < lOOps)
Der Einfluss des Auger-Prozesses steigt aber mit der Erhbhung der Tragerdichte
massiv an und beginnt bei Tragerdichten ab 1017 cm"3 die Rekombination zu dobei kleinen
kombinationsrate (mit
minieren
2.4.3
[10].
Effektiver Rekombinationsiiberschuss
Die totale Rekombinationsrate R
Hall- und der
setzt
sich
Auger-Rekombinationsrate
R
=
RSRH
+
-18-
aus
der Summe der
Shockley-Read-
zusammen.
,iAug
(2.24)
Lebensdauereinstellung
2.5
Lebensdauereinstellung
der
der
Ladungstrager
Ladungstrager
Die
Tragerlebensdauer hangt gemass (2.16) von der Dichte der Rekombinations¬
ab. In jedem Halbleiter ist eine gewisse Anzahl von Zentren vorhanden.
Auch SiUzium besitzt Verunreinigungen wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff. Sauerstoff zum Beispiel ist in tiegelgezogenem "Czochralski"(CZ)-MaAtome/cm3 vorhanden. Und auch
terial in einer Konzentration von ungefahr 10
"Float Zone"(FZ)-Material, hergestellt nach dem Zonenschmelzverfahren, besitzt
noch eine Sauerstoffkonzentration von ca. 1016-1017 Atome/cm3 [68].
zentren
Abgesehen
von
solchen
Verunreinigungen
Siliziumeinkristall noch Punktdefekte, wie
weist auch der
bestgeziichtete
Zwischengitter-Siliziumatome
und
Leerstellen auf.
Die Art und Weise wie das SiUzium-Grundmaterial
Bedingungen
es
hergestellt
und unter welchen
weiter verarbeitet wurde, bestimmt schlussendlich massiv die
Konzentration der Rekombinationszentren.
Neben der Konzentration ist auch die Sorte der Stbrstellen wichtig. Jede Art
Stbrstellen besitzt eine
gewisse energetische Lage
ke und beeinflusst damit die Rekombinationsrate
Nun
gibt es
gen,
um
fur
die
Leistungsbauelemente wichtig
Trager bewusst
ist wird im
Halbleiterbauelemente werden nach ihren
von
Energiebandliik-
(2.15) der Trager.
MbgUchkeit Rekombinationszentren gezielt
damit die Lebensdauer der
Gruppen
innerhalb der
zu
zusatzUch einzubrin-
kontrollieren. Warum dies
folgenden
erlautert.
Stromtransport-Mechanismen
in zwei
Unipolare Bauelemente, bei denen nur eine Ladungstragerart
an der Stromleitung beteiUgt ist, und bipolare Bauele¬
grundsatzUch beide Ladungstragerarten am Stromtransport be¬
unterteilt.
(Elektronen oder Lbcher)
mente, bei denen
teiUgt
sind.
Beispiele
fiir
unipolare Bauelemente
sind Metall-Halbleiter-Dioden
(Schottky-
Dioden) und MOS-Transistoren.
Bipolare Bauelemente sind die konventionellen Transistoren, die Thyristoren, die
"Insulated Gate Bipolar" Transistoren (IGBT) und die p+n'n+-Dioden. Bipolare
Bauelemente haben bei Sperrfahigkeiten iiber 200V durchwegs bessere
Durchlasseigenschaften als unipolare Bauelemente. Dafiir ist das Ausschaltverhalten schlechter, wodurch bei sehr hohen
herabgesetzt
von
Schaltleistungen deren Schaltfrequenz
Injektion einer hohen Konzentration
wird. Die Ursache dafiir ist die
Elektronen und Defektelektronen in schwach dotierte Bereiche des Bauele-
-19-
Physikalische
mentes.
und theoretische
Diese sogenannte
Grbssenordnungen
um
Grundlagen
Plasmauberschwemmung
verbesserten
Leitfahigkeit.
dieser Zonen fiihrt
stungsdioden mit p+n"p+-Schichtstruktur voll zum tragen.
Mit dieser Uberschwemmung ist jedoch ein wesentlicher Nachteil
Diode kann nicht unmittelbar
Das Elektron-Loch-Plasma
Schaltkreis
abgefiihrt
vom
Durchlass- in den
muss erst
einer
verbunden. Die
Spenzustand
umschalten.
rekombinieren bzw. iiber den
werden. Je nach Konzentration
zu
Dies kommt auch bei Lei¬
treten
ausseren
unerwiinschte
Spen-
verzbgerungen und Stromabrissvorgange auf.
Durch Reduktion der
Tragerlebensdauer wird die stationare Plasmauberschwem¬
Durchlassvermbgen beeintrachtigt, das Aus-
mung reduziert. Dadurch wird das
schaltverhalten aber stark verbessert.
Durch eine
optimaler Kompromiss
ein
Die "klassische" Methode
Gold (fiir Dioden auch
stungselektronik
MbgUchkeiten.
-
-
-
Verteilung
Anforderungsprofil
zur
der x-Werte ist die
Einstellung
Eindiffusion
von
Platin) in SiUzium. Die Bauelemente der modernen Lei-
erfordern
Die
vorgesehene Einsatzgebiet,
bzw.
erzielt werden.
jedoch
Hauptgriinde
eine wesentlich grbssere Palette technischer
dafiir sind:
Eine Lebensdaueneduktion mit Gold fiihrt
Die
fiir das Durchlass- und
geeignete Einstellung der Lebensdauer x kann
das Sc/ia/rverhalten fiir das
zu
hohen
Spenstrbmen.
der Goldatome im Silizium lasst sich schlecht beeinflussen.
Definiert unterschiedUche x-Werte in verschiedenen Zonen der Bauelemente
lassen sich kaum durch Golddiffusion herstellen.
-
Der
Golddiffusionsprozess
ist nicht besonders gut
Um diesen Erfordernissen bei der
gerecht
zu
werden,
erfolgen
Entwicklung
weltweit grosse
Tragerlebensdauereinstellung
reproduzierbar.
moderner
Leistungsbauhalbleiter
Anstrengungen
durch Bestrahlen
von
auf dem Gebiet der
SiUzium mit
hochenergeti¬
schen Teilchen wie Elektronen oder Protonen.
Die
-
Bestrahlung
hat entscheidende Vorteile:
Die Freiwerdezeit
gegebenenfalls
-
Thyristoren und die Tragerstauladung kann in sehr enKonekturbestrahlungen mit Elektronen oder Protonen und
von
gen Grenzen durch
durch
geeignetes Tempern beeinflusst
Elektronen und Protonen mit
Energien
im MeV
-
werden.
Bereich lassen sich durch
Metallmasken abschirmen; dadurch kann das Schaltverhalten
schnellen
gewisse
Thyristoren
mit
"Amplifying Gate"
Bereiche der Bauteiloberflache
-20-
weiter
von
Dioden oder
optimiert werden,
abgedeckt werden.
indem
Inhomogenes Lebensdauerprofil zur betnebsspezifischen Opumierung
Die
vorhegende
Arbeit widmet sich insbesondere der
bensdauer mittels
Bei der
Einstellung
der
von
Dioden
Tragerle¬
Protonenbestrahlung
Protonenimplantation
wird die Dichte der Rekombinationszentren
NT
implantierenden Protonen bestimmt Die Energie der Pro¬
tonen ergibt die mittlere Eindnngtiefe, die orthche Lage der grossten Rekombinadurch die Dosis der
tionszentrendichte
zu
Der
bestrahlten Material und damit die maximale Breite des
im
Tragenekombmauon
Bereichs mit erhohter
Wirkungsquerschnitt
der Rekombinationszentren wird unter anderem durch
die
energetische Lage der Zentren bestimmt
der
Bestimmung
[35][47]
Mittels
und
Identifizierung
Mehrere Arbeiten befassten sich mit
solcher Haftstellen
(Traps) [29][33][34]
Level Transient
Spectroscopy (DLTS) wurden z B die en¬
ergetische Lage und die Wirkungsquerschnitte der Storstellen bestimmt (siehe Ta¬
Deep
belle 2 und Tabelle 3
in
Sihzium entstehen Die
Kapitel
3 8), welche durch
Fig 3-6 zeigt
die
Protonenimplantation in n-Typ
energetische Lage
implantation n-Typ
Verminderung der Tragerlebensdauern wirken Zentren
in der Mitte zwischen dem Leitungs- und Valenzband
2.6
Im
die
der bei der Protonen¬
Silizium entstehenden Storstellen Am effizientesten fur die
in
Inhomogenes Lebensdauerprofil zur
betnebsspezifischen Optimiening von
mit
energeuschen Lagen
Dioden
Unterkapitel 2 4 wurde gezeigt, dass fur Hoch- und Niedennjekuon, sowie fur
Raumladungszone verschiedene Rekombmations- bzw Generationsraten gel-
ten Die
Tragerlebensdauern hangen
zudem stark
der Konzentration der Zentren ab Da
Spernchtung gut
werden, welche
sein
es
soil,
mussen
ermoglichen,
folgenden Beziehungen
eremstellung vorausgesetzt
Fur die
ein
deshalb
die
von
der
energeuschen Lage und
Bauteil
moghchst in Durchlass- und
nachfolgende Kmerien berucksichtigt
optimalen
wird zunachst
Zentren
eine
zu
besummen
homogene Tragerlebensdau-
Unipolare Elemente openeren ohne Minontatstragennjekuon Als einziges Kntenum gilt, dass die Raumladungsgenerauonslebensdauer Xc, gross sein muss, um
den Leckstrom moglichst klein zu halten Das Grundmatenal muss also so weit
wie moghch frei von Zentren sein Dies bedingt emen extrem sauberen Prozess
zur Herstellung der Bauelemente
-21-
Physikalische
In
Grundlagen
und theoretische
bipolaren Elementen,
Minoritatstragerniederinjektion auftritt,
wo
ist
es
fiir die
Kontrolle der Bauelementcharakteristik
wichtig, tiefe Zentren einzubringen. Eine
kleine
'st
Niederinjektionslebensdauer xLL
fur schnelle
Schaltgeschwindigkeiten
erwiinscht. Dies wird, wie schon erwahnt, durch Zentren nahe derMitte des Enereneicht. Zur selben Zeit sollte aber der Leckstrom minimal sein. Dies
giebandes
bedingt,
finden
Leitungs-,
oder Valenzbandkante be-
Damit konkunenzieren sich diese beiden
Bedingungen. Die Lbsung
dass die Zentren sich nahe bei der
[41].
besteht in der
Optimiening
des Verhaltnisses
(2-25)
—
LL
Dieses Verhaltnis
muss
mbglichst
gross sein. Das Maximum wird jeweils
geringer Spannungsabfall
Bandkanten eneicht. Ein
in
an
den
Durchlassrichmng erfordert
Hochinjektionstragerlebensdauer. Fiir schnelle Schaltgeschwindigkei¬
Niederinjektionslebensdauer erwiinscht. Ein grosses
eine hohe
ten ist aber auch eine kleine
Verhaltnis
XHL
(2.26)
—
LL
erfiillt diese
Bedingung.
veaus
zeigt,
dass in den Fallen,
vorhanden ist, das
wo
Optimum
fiir die
tierungskonzentrationen
Spitzenwert gerade eneicht
lung
Schlussfolgerung
Beziehung (2.26)
ein deutUches Maximum
10% unter dem Maximalwert
und hohe
Diese
Energieni¬
Energiebandes Uegen. Baliga [25] hat ge¬
Das Maximum findet sich fiir Zentren deren
im Mittelbereich des verbotenen
Temperaturen
ist das
Uegt.
Fiir
niedrige
Optimum dort,
wo
Doder
wird.
ist aber
in der Basis, wie sie durch
nur
fiir Methoden mit
Au-Dotierung
oder
homogener Tragereinstel-
Elektronenbestrahlung eneicht
wird, relevant.
Fiir einen
mbglichst geringen Spannungsabfall
Frequenzverhalten
in
Durchlassrichtung und ein gutes
Hochleismngsdiode, d.h. geringe dynamische Verluste
beim Abschalten, soil die Tragerlebensdauer Xj^nahe des p+n'-l)bergangs bei ho¬
her Injektion mbglichst klein sein.
der
-22-
Inhomogenes Lebensdauerprofil
Die
zur
betnebsspezifischen Opnmierung
Forderungen fur die Beziehungen (2 25)
fhkt zueinander Im
allgemeinen
rauonsstrom zu, was zu
und (2 26) stehen
lung
in einem
Dioden
Zielkon-
Xhl auch Xq ab und somit der Geneerhohten Sperrverlusten fuhrt Andererseits nehmen mit
nimmt nut
abnehmenden Xhl auch die Durchlassverluste
der
von
Tragerlebensdauer je nach
homogener Einstel¬
zu, womit bei
Einsatzgebiet
der Diode
ein
Kompromiss
er-
forderhch wird
In
einem
konkreten Fall
Diode nut
vorgegebener
erfolgt
die
Einstellung
der
Tragerlebensdauer
Struktur (laterale und axiale
bei
einer
Abmessungen,
-Dotierung, Emitterprofile) z B in Anpassung an den fur eine
spezifische Anwendung erforderhchen Frequenzgang, sowie der dabei notwendi-
re
msbesonde-
Basis-Breite und
Stromtragfahigkeit und des Spenvermogens Dabei steht also einer Erhohung
Frequenzganges die Abnahme der Stromtragfahigkeit und des Spenvermo¬
gens entgegen Diese derart vorgegebenen Begrenzungen des Frequenzganges
kann durch em geeignetes inhomogenes Profil der Tragerlebensdauer zu wesentgen
des
Uch hoheren Werten verschoben werden
Insbesondere die
halt
ein
Protonenbestrahlung eroffnet
dazu
eine
Moghchkeit
Dabei be-
grosser Abschmtt der relativ breiten Basiszone lhre prozess- und maten-
albedingte Tragerlebensdauer Ledighch in einem durch die Bestrahlungsenergie
einstellbaren, vorzugsweise in der Umgebung der p+n -Grenzschicht liegendem
Bereich wird die
Tragerlebensdauer in Abhangigkeit
Damit konnen die
welter
oben bei
der Dosis
homogener Einstellung
der
erniedngt
Tragerlebensdauer
erwahnten Nachteile mimmiert werden
Man erhalt also
von
eine
Verminderung
Ruckstromscheitel
Durchlasswerten und
Integral uber
ist, und
nur
Besonders
den
und
der Basis auftretenden Generationsstrom (2 35)
der durch
eine
Bereich der
in
Bestrahlung
bestnchene Abschmtt
anodenseitige Bestrahlung,
p+n"-Grenzschicht
niedrige Ruckstromspitzen
des
Kapitels auf
die
welche die
zur
massgebend
Erhohung beitragt
Ladungstragerdichte
im
herabsetzt, ergibt kurze Spenverzogerungszeiten
und
statischen und
der Ausschaltverluste durch genngere Werte
Speicherladung Qs bei unwesentlich erhohten
genngfugiger Erhohung des Spenstroms, da fur diesen das
Irrm
Um dies
zu
verstehen, wird
physikaUsche Beschreibung
dynamischen Fall
emgegangen
-23-
im
folgenden
Rest
der Diodencharaktenstiken
im
PhysikaUsche und theoretische Grundlagen
homogenem Tragerlebensdauerprofil
Ideale PIN-Diode mit
2.7
Bipolare Hochleistungsdioden bestehen meist nicht
Ein zusatzhcher
n
n+-Ubergang
nur aus
einem p+n"-Ubergang.
bei dem das n+-Silizium als Stoppschicht wirkt,
gewahrleistet hohe Spenfestigkeiten bei annehmbaren Diodendicken, sowie ge¬
ringe Durchlassspannungen Nebenbei fuhrt ein besseres Flachen-Volumenverhaltnis zu einer weniger starken Erwarmung des Bauteils.
Vorwartsspannungscharakteristik
2.7.1
Der
len
Spannungsabfall uber
zusammen
die ganze Diode
und
Dabei sind
Vtot
Vn
VP
Vm der Abfall
hochdotierten Bereichen und
Dazu kommen noch Potentialdtfferenzen
den
V!
sich
aus
mehreren Teilabfal-
Spannungsabfalle
in den
uber den breiteren mittleren Bereich.
V2, herbeigefuhrt
und
durch die bei¬
Ubergange
v,.,~v,+ vi+vm
In
setzt
rein ohmsche
[65] wird die Herleitung gegeben
wartsbetneb idealer
Ausgehend
von
der
zur
Hochleistungsdioden
alleinige Berucksichtigung
Hochinjektionsfalls (p(x,t)
der mittleren
Zweitens ist
anderen
v2+v.
Berechnung
(2.27)
der rV-KennUnien im Vor-
fur den eindimensionalen Fall
Annahme, dass die Randstreifen gegeniiber dem Mittelstrei-
fen sehr hoch dotiert sind, konnen die
Durch die
+
»
Ubergange als abrupt betrachtet werden
des fur die
Hochleistungsdioden wichtigen
Dotierungskonzentration
im
n"-Bereich),
Region aus Gninden der LadungsneutraUtat n(x,t)
VP und
=
in
p(x,t) gelten.
gegeniiber den
Vn bei sehr hochdotierten schmalen Bereichen
vernachlassigbar
Dnttens wird angenommen, dass
in
den hochdotierten Abschnitten kein Minori-
tatstragerstrom fliesst
Viertens soil die
Damit
muss
Tragerlebensdauer in
der Basis
homogen
sein
gilt
jp(-d.t)
l
=JF
g p"
•<
Jn(-d.t)=0
jp(+d.t)
=
0
n+
?
j„(+d.t)=jF
-d
-24-
\
A
+d
Ideale PIN-Diode
Wobei die Stromdichte
aus
homogenem Tragerlebensdauerprofil
mit
den ublichen Drift- und Diffusionsstromen
zusam-
mengesetzt sind.
tkTdn
Nach [65] lasst sich
lytische Gleichung
mit
der zusatzhchen Annahme, dass d
fur die IV-Kennhnie in
d
JF(V,o,)
=
(tanh—) {1
2ff«,r
(2.28)
"I
Vorwartsnchtung
-fiZtanh
"i'f1
2
4d
—}
<
La
sei, eine ana-
ableiten
2kT
e
(2.29)
mit
B
=
,
H
+H„
falls un
=
3up
(2.30)
An
'lie,•//
D
_
'//
RSHK
*
RAug
(2.31)
2kT(»n»p \
9
U. H,J
+
Bei den in dieser Arbeit verwendeten Basisbreite
Tragerlebensdauer xeff grosser
als
8ps
sein,
von
damit die
240pm
weiter
muss
oben
die effektive
festgelegten
Voraussetzungen erfullt sind.
gilt Gleichung (2.29) aber nur bis ca 100A/cm2 Bei Stromdichten
100 und 1000 A/cm ist jp proportional zum Quadrat der Spannung we-
In der Realitat
zwischen
gen des Einflusses der
Trager-Tragerstreuung.
Bei Stromdichten iiber 1000 A/cm2 ist jp sogar
nur
noch
proportional zu der Span¬
Auger-Rekombmation zu dominieren begmnt Faktisch fuhrt dies zu
einer starken Verminderung der Diffusionslange La Damit ist die Voraussetzung
nung, da die
d
<
La nicht
mehr erfullt
-25-
PhysikaUsche
Grundlagen
und theoretische
Riickwarts-I-V Kennlinien
2.7.2
Eine Halbleiterdiode kann nie
den, da immer eine gewisse
Halbleiter
von
neu
vollstandig
Anzahl
von
Trager
freien
Ladungstragem befreit
wer¬
eindiffundieren oder im
von extern
erzeugt werden. In der Raumladungszone werden die Elektronen
den Lbchem durch das elektrische Feld getrennt. Wahrend die Elektronen im
Feld
Richtung
Kathode driften, wandern die Lbcher gegen die Anode. Damit
fliesst ein Leckstrom
Raumladungszone
strom
Die
angelegte Sperrspannung
bestimmt die Breite der
und damit die Anzahl der Generationszentren, die
zum
Rtick-
konnen.
beitragen
abrupten pn-Ubergang, LadungsneutraUtat (pn p0 nn -n0), so¬
wie die Giiltigkeit der Boltzmann-Naherung (E» kT) voraus, kann aus (2.28) der
Setzt
man
einen
-
Gesamtleckstrom bestimmt werden und
«
nn
=
n0)
die
Shockley Gleichung
'
'p+'n
=
J,
Wobei
js
als
der Strom annahernd
je
1,
1DpPn0
=
—7
einer
genommen, dass
gleich
diesem
bekommt fiir
("''(|r)
+
niedrige Injektion (pn
[23].
_1)
(2.32)
?Dn%0
(2.33)
—7
Sattigungsstromdichte definiert
Abtransport der,
der Tiefe
=
man
fiir die ideale Diode
=
ist. Fiir grosse
Sattigungsstrom,
durch keine Rekombination
Spenspannungen
ist
welcher formal durch den
geschwachten, Neuerzeugungen
aus
Diffusionslange Ln bzw. L, beschrieben wird. Es wird dabei andie Tragerlebensdauer in der ganzen Raumladungszone homo-
gen ist.
Im eindimensionalen Fall werden "Oberflacheneffekte
wird der
Spannungsabfall
Fiir hohe
Spenspannungen (V«0)
die absolute Stromdichte
j
in der neutralen Zone nicht
ist der
ist annahernd
beriicksichtigt.
exponentielle Teil
gleich
der
-26-
viel kleiner als 1 und
Sattigungsstromdichte js.
einseitig abrupte p+n'-Ubergange (pn0 » npg) kann
vernachlassigt werden
Fiir
vernachlassigt. Ebenfalls
der zweite Term in
(2.33)
Ideale PIN-Diode mit
Dabei ist der
homogenem Triigerlebensdauerprofil
exponentielle Term der wichtigste Teil
fiir die
Temperaturabhangig-
keit.
Die Generationsstiromdichte wird durch die
Mitberiicksichtigung
der
Gleichung
(2.15) und der Voraussetzung, dass die Generationsrate im Material homogen ist
folgendermassen formuliert
>o
=
\l\RSRH\dx
=
«lRSRHh'
=
-T—
(2J5)
c
0
/2Ve
Aus der Summe
von
(2.34) und (2.35) erhalt
man
die statische Riickstromdichte:
h=J,+Jc
Eneicht die
Raumladungszone
den Rand des
(2J7)
n+-Emitters, bleibt der Generation-
sstrom konstant.
Bei grbsserer Rekombinationszentrendichte im Silizium verkurzen sich die Tra¬
gerlebensdauern xp
und Xq und damit erhbhen sich der
Sattigungsstrom und der
Voraussetzungen gtiluge starkere Dotie¬
Sattigungsstrom.
Generationsstrom. Eine im Rahmen der
rung der n'-Basis vermindert den
Abweichungen
vom
idealen Verhalten haben ihren
Ursprung
zum
Beispiel
in
Oberflacheneffekten, Tunnel-Effekten zwischen verschiedenen Zustanden im
Energieband, Stossionisation, Inhomogenitaten
und seriellen Widerstandseffekten.
-27-
bei Generationszentrendichten
PhysikaUsche
2.8
Grundlagen
und theoretische
Dynamisches
Verhalten beim Abkommutieren
Wird die zunMchst in
Vorwansrichtung geschaltete Diode, deren Mittelgebiet mit
Ladungstragem
Riickwartsrichtung gepolt, ist auch
nach dem Nulldurchgang des Stroms die n"-Basis noch stark mit TrSgern angereistark iiberschwemmt ist, in
chert,
so
dass weiterhin Minoritatsstrbme
Strbme behalten ihre
Strom in
Riickwartsrichtung
der Diode
den hochdotierten Zonen die
pensieren
Das
an
den Randern fliessen konnen. Die
Richtung solange bei, bis der
zusatzlich den
aufgezwungen hat.
Dabei ubernehmen in
Majoritatsladungstrager den
Riickstrom und kom-
jeweils entgegengesetzt fliessenden
dynamische Verhalten
Schaltkreis seinen
aussere
von
Minoritatsstrom.
psn-Dioden kann im Durchlass- und Speicherbe-
reich
unter Voraussetzung des quasistationaren Zustands mittels
nuitatsgleichungen (2.3) und (2.4) hergeleitet werden.
j-g^jpdx-gj
'i
(R-G)dx
=
den Konti-
jjxj) +Jp(x2)
p.^
*i
Wobei j die zeitlich veranderliche Stromdichte im Halbleiter ist und Xj bzw. x2 die
Basis
am
dichten
Rand
jn(x4)
zu
und
den hochdotierten
jp(x2)
p+
und n+-Gebieten
bilden die in den
p+-
bzw.
noritatsstromdichten. Der Term der zeitlichen
Ladung tr^gt
Die Strom¬
Anderung
der
gespeicherten
dazu bei, dass die Stromiibernahme durch die Rekombination und
die beiden Minoritatsstrbme den Gesamtstrom nicht
der Annahme der
cher p
begrenzen.
n+-Emitter einfliessenden Mi-
QuasineutralitSt ist die zeitUche
gleich derjenigen
Im stationaren Fall ist
von
Elektronen
iiberkompensieren. Wegen
Anderung
der Dichte der Lb¬
n.
speziell
ifypdx
und die Gesamtstromdichte
=
j wird durch
biete und der Stromiibernahme im
0
(2.39)
die Minoritatsstromdichten der
Mittelgebiet gebildet. Im transienten
linke Term der
Gleichung (2.39) positiv bei Einschaltschaltvorgangen. Damit ist beim Ausschalten der Betrag
-28-
bzw.
Randge-
Fall ist der
negativ
bei Aus-
der Gesamtstromdichte
Dynamisches
Verhalten beim Abkommutieren
kleiner als die Summe der Minontats- und Generation-/Rekombinationsstromdichten
Die Generation G durch Stossiomsation oder durch
Strahlung
Ladungstragem uberschwemmten Gebieten gegenuber
kann fur die
von
der Rekombinauon R
ver-
nachlassigt werden
Bei
genugend langer Emschaltdauer
in
Durchlassnchwng
einer
Diode
nut einem
treten im Zeiqjunkt des Beginns der Abkommutierung an der Di¬
Bedingungen auf Die Anderung der Dichte von Elektronen und
gleich Null (Gleichung (2 39))
Gleichstrom
Ip
ode stationare
Lochern ist
Bei
einem im
stellt sich
wesenthchen durch den Stromkreis
eine
Schaltspannung Vs
und
bedingten Abschaltvorgang
aufgrund der
Flankensteilheit des abkommutierenden Stroms
und der Schaltkreisinduktivitat L
ein
(Vergleiche Fig
5-5
Fig 5-6)
di
-v,
gilt Je grosser die angelegte aussere induktive Last ist, desto kleiner ist die
zeitliche Anderung des Ruckstroms bei festgelegter Schaltspannung
Damit
Bis
zum
vom
Erlangen
der
Spenfahigkeit geht
die Slromdichle j zunachst mit dem
Schaltkreis bestimmten Verlauf durch Null und eneicht anschhessend nega¬
Ubergang von der Speicher- in die Sperrphase tntt wie folgt ein
Da die Abnahme der gespeicherten Ladung nut der Zeit geringer wird und der Betive
Werte Der
trag des Ruckstroms zeithch gesteuert durch die Last des
zunimmt, werden nach
genchteten
derung
ausseren
Schaltkreises
besummten Zeitdauer die Summe der beiden
gleich-
Rekombmations- und Ruckstrome nicht mehr durch die zeithche An¬
der
Ladungstragerdichten
Mmontatsstrome
tete
einer
gehen gegen
Diodenspannung
Ab jetzt
Null und
beginnt
Mittelgebiet kompensiert Die
damit auch die bis jetzt vorwartsgench-
im
die Diode
spannung auf
-29-
zu
spenen und
nimmt
die
Spen-
PhysikaUsche
2.8.1
und theoretische
Grundlagen
Durchlassbelastung IF
Stromanderungsgeschwindigkeit dl/dt
Einfluss der Hohe der
Der Einfluss der Hohe des
stroms
IF
fallt
so
lange
und der
dem stationaren Zustand abkommutierten Gleich-
aus
ins Gewicht, wie die im Halbleiter beim Abkommutie-
Tragerlebensdauer xHL grbsser ist, als die zur
Kommutierung beanspnichte Zeitspanne tk (Xhl > tk). Der Parameter tk gibt die
Zeitdauer zwischen dem Beginn der Vorwartsstromemiedrigung und dem Nulldurchgang des Stroms an.
rungsvorgang auftretende
Fiir Xj^l
»
tk iiberleben praktische alle beim Strom IF auftretenden Ladungstra¬
ger. Der Riickstrom
tional
zu
IF
festgehaltenem IF bis
2.8.2
eneicht
IR
am
Ende der
sind. Fiir den Fall xHL
Einfluss des
zum
Ende der
Speicherphase Werte,
welche propor¬
der Riickstrom bei
tk steigt dagegen
Speicherphase annahernd linear
<
Sperrspannungsverlaufs auf den
IR
zu
dl/dt
an.
Scheitelwert
des Ruckstroms
Mit zunehmender Steilheit der nach Ablauf der
tretenden
wachst die
Spenspannung
abgesaugten
dadurch zusatzlich
Ruckstromkomponente
Ruckstroms
jenen
am
vom
am
in die n-Basis
zu
einer
bei. Diese wird dem schon vorhandenen
Effekt
bedingt,
Halbleiter auf¬
vor.
Die
dynamischen
Spenstrom
dazu
kann der Scheitelwert des
Speicherphase auftretenden Momentanwert iiberSpeicherphase folgenden Sperrphase hangt der Riickstrom
Ende der
treffen. In der nach der
generell
Raumladung rascher
Defektelektronen tragen
dynamischen
addiert. Durch diesen
Speicherphase
Halbleiter und Schaltkreis ab und kann
aufgrund
von
Gleichung
(2.38) und den Kirchhoff'schen Bedingungen des Schaltkreises numerisch berechnet werden.
2.8.3
Eine
Einfluss einer
homogenen Tragerlebensdauer xHL
homogene Erhohung
in der Basis
der Rekombinationsrate R in der neutralen Zone ernie-
drigt insbesondere die Tragerlebensdauer xHL bei hoher Injektion in diesem Gebiet.
Bei den unter Abschnitt 2.8.1
emiedrigt
lassspannung
Stroms
an
angesprochenen stationaren Durchlassbedingungen
sich dadurch die mittlere Dichte der
Ladungstrager,
wodurch die Durch-
zunimmt. Gemass Abschnitt 2.8.1 wird beim Abkommutieren des
einer
derartigen
Diode die
Bedingung xHL
-30-
<
tk bereits bei entsprechend
Dynamisches
kleineren Zeiten tk eneicht, sodass beim
chend
des Stroms eine entspre-
Folge
wird
am
Ende der
ein kleinerer Ruckstrom-Momentanwert eneicht.
Einfluss der
2.8.4
Nulldurchgang
auftritt und in der
geringere Ladungstragerdichte
Speicherphase
Verhalten beim Abkommutieren
Ladungstrager-Rekombination
auf die
Erholungsphase
Die
wird durch die
Erholungsphase
zwischen dem
laren
gespeicherten Ladungstrager im n"-Bereich
Raumladungszonenrand und dem n+-Emitter bestimmt. Bei bipo-
Hochleistungsdioden
Trager gegeniiber
kann. Das
ist die n"-Basis dick genug,
AbkUngen
des Riickstromes in dieser Phase
lebensdauer der verbleibenden
2.8.5
Einfluss eines
Eine Diode
erlangt
Ladungstragem
gespeicherten Ladung
dass das
Absaugen
der
hangt
also
von
der
Trager¬
ab.
inhomogenen Tragerlebensdauerprofils
ihre
Sperrfahigkeit,
sobald der
iiberschwemmt ist. Dies tritt
gerlebensdauer in
so
der Rekombination nicht hinreichend schnell genug stattfinden
der
Umgebung
umso
Spenschicht
der
pn-Ubergang
eher ein,
ist
nicht mehr
je geringer
(Anhang B.).
von
die Tra¬
Es ist daher
anzustreben, die Tragerlebensdauer in diesem Bereich herabzusetzen. Dagegen
soil im restUchen Bereich, der bei
eine wesentUch hohere
eigenschaft
verluste
nicht
sehr breiten Mittelzone,
Tragerlebensdauer beibehalten werden,
nachhaltig
verringern,
Hochleistungsdioden
ohne
zu
um
die Durchlass-
verschlechtem. Damit liessen sich die Abschalt-
gleichzeitig
einen
signifikanten Anstieg
der
Durchlassverluste, welcher bei homogener Einstellung der Tragerlebensdauer
auftritt (Abschnitt 2.8.3), in Kauf nehmen
Die
Erzielung
einer
die
Ausschaltverluste, drangt sich daher eine
strahlung
auf. Dieses
Vorgehen
miissen.
ReaUsierung eines derartigen Profils.
kleineren Riickstromspitze bzw. geringerer
Protonenimplantation ermbglicht
Im Hinblick auf die
zu
findet
von
aufgrund
rimentellen
Ergebnisse vollste Rechtfertigung.
Experiment
und
tigen
ModelUerung zeigen
Profils auf das
dynamische
der Anodenseite
der im 7.
ausgehende
Kapitel gezeigten
iibereinstimmend die
Wirkung
Be¬
expe-
eines derar¬
Abschaltverhalten einerseits und die stationaren
Daten der Dioden andererseits. Die
Erniedrigung der Tragerlebensdauer x^ in
einer relativ schmalen Zone der Basis
an
-31-
der Anodenseite verbessert das
dynami-
PhysikaUsche
und theoretische
Grundlagen
sche Verhalten beim Abschalten, ohne wesentliche
Erhohung
der stationaren Ver¬
luste der Diode.
Uberdies wird durch eine
dauer
am
anodenseitigen
anodenseitige Bestrahlung
nicht
nur
Spenschicht, innerhalb des p-Emitters, herabgesetzt. Dies wirkt
schlechterung des anodenseitigen Emitterwirkungsgrades aus,
einer
Verbesserung des
daten wesentlich
oden
zum
zu
Tragerlebens¬
sich in einer Verwas
beeinflussen. Dies fallt insbesondere bei den fur
angewandten Dotierungsprofilen,
ansteigen, stark ins Gewicht.
welche beim
Es ist denkbar, bei breiten Mittelzonen der Dioden eine
zu
Leistungsdi¬
pn-Ubergang
gezielte Tragerlebens-
mehreren Stellen durchzufiihren. Damit kann z.B. die
dauererniedrigung
Riickstromspitze emiedrigt,
an
ebenfalls
Ausschaltverhaltens fiihrt [42], ohne dabei die Durchlass-
Teil
relativ flach
die
Rand der Basis, sondern auch auf der anderen Seite der
sowie die
Erholungsphase beschleunigt werden,
ohne
dass der Durchlasswiderstand wesentUch zunimmt.
Mit der
typen
Protonenimplantation
verschiedenartig
zu
existiert also eine Methode
gleiche
Bauelement-
beeinflussen.
Anwendung des Bauelementes kann entweder der Vorwarts- oder der
Ruckwartsverlustleistung mehr Beachtung geschenkt werden, um so das Bauteil
anwendungsspezifisch zu optimieren.
Je nach
-32-
3. KAPITEL:
Hochenergie Protonenimplantation
Einleitung
3.1
Die kontrolUerte Eindiffusion
von
Ubergangsmetallen
der Bauelemente
Elektronenbestrahlung
langem etablierte Technologien
die
Unien der Industrie
angewendet.
zur
wie Gold oder Platin bzw.
Lebensdauereinstellung
und werden
Die
sind seit
in den Fabrikations-
standardmassig
Technologie der Ionenimplantation
im Nie-
derenergiebereich ist ebenfalls eine akzeptierte Methode, um gezielt Fremdatome
in das Halbleitergrundmaterial einzubringen. Demgegeniiber hat sich die
Hochenergie-Ionenimplantation noch nicht durchgesetzt, da bis jetzt entsprechende Kapazitaten bei den wenigen vorhandenen Anlagen fehlten. Die wachsenden
Anforderungen der Kern- und Teilchenphysik und die Entwicklung neuer und
besserer Anlagen zwingt die Betreiber alter Apparaturen zu einer Neuorientierung in Richmng der Materialforschung. Uberkapazitaten werden mit dem Anbieten von Dienstleistungen an die Industrie gedeckt. Damit ergeben sich auch neue
Gesichtspunkte in der Herstellung von Halbleiterbauelementen.
In den
folgenden
tionen naher
mogenitat
Abschnitten wird auf die
eingegangen.
Durchfiihrung
Es wird demonstriert, dass die
der
Protonenimplanta-
Schwankungen
der erzeugten Defektdichte iiber die bestrahlte Flache
Ebenso wird
gezeigt,
dass bei den
gewahlten Teilchenenergien
gering
die
der Ho-
sind.
projizierten
Reichweiten der Protonen sehr gut mit berechneten Reichweiten ubereinstimmen.
"Spreading-Resistance" Messung an einer geeignet bestrahlten Di¬
Protonenimplantation gezeigt. Dabei fallt speziell auf,
der
Ende
maximalen
Protonenreichweite eine zusatzUche n-Dotierung
dass gegen
die Grunddotierung um ein Mehrfaches iibertrifft. Der Bereich naher zur bestrahl¬
ten Oberflache dagegen wird wahrscheinUch durch Akzeptoren stark kompenAnhand einer
ode wird der Einfluss der
siert.
Im
folgenden
wird die
Beziehung zwischen
der maximalen
n-Dotierung
und der
Bestrahlungsdosis hergeleitet.
Am Schluss des
ten
Stbrstellen
Kapitels
wird naher auf die durch
eingegangen.
-33-
Protonenimplantation
erzeug¬
Hochenergie Protonenimplantation
6
3.2
MeV-Teilchenbeschleuniger
Da die Siliziumbauelemente der
sungen in
trolle der
Stromrichtung
(ca. 0.1
1mm) aufweisen, ist
-
einzubringen,
Bereich bedingt.
ins Halbleitermaterial
Energien
Zur
Durchfiihrang
Area! der ETH
Implantationsanlage
Leistungselektronik beachtliche axiale
es zur
Abmes-
lokalisierten Kon-
Protonen tief, d.h. 20 bis 200 Mikrometer,
Tragenekombination wichtig,
im MeV
als
was
lonenimplantationsapparaturen
mit
Protonenimplantationen im MeV Bereich stand uns auf dem
der
Hbnggerberg
der 6 MV Tandem Van de Graaff Teilchenbeschleu-
niger zur Verfiigung. Dieser wurde durch das Labor fiir Ionenstrahlphysik des Paul
Schener Institutes
(PSI) und der Mittelenergiephysik der ETH bedient.
Die Protonen wurden mittels Van de Graaff Beschleuniger auf die gewiinschte Teil-
chenenergie gebracht
und
gelangten
anschUessend durch ein
System
von
magne-
tischen und elektrostatischen Strahlfuhrungselementen in die Bestrahlungskammer,
wo
3.3
die Proben
wurden.
Probenpraparation
Ziel der
on
plaziert
Experimente
der mittels
die
war
Bestimmung
Protonenimplantation
der
in die
giinstigsten Lage und Konzentrati¬
p+-n"-n+ Dioden eingebrachten
Rekombinationszentren.
Dazu wurde eine Reihe
von
Leistungsdioden
vom
vorher erwahnten
1.4.2, Seite 6) auf Eignung getestet. Die Charakteristiken
Typ (Kapitel
mussten bei alien Di¬
oden die selben sein.
Je eine Probe konnte
die
man
Bestrahlungskammer
auf einem
eigenen
Die Dioden wurden unter einem Winkel
normalen und
Halter
befestigen
und mit diesem in
einbauen.
von etwa
5 Grad zwischen Oberflachen-
Strahlrichtung montiert, um eine KanaUsierung (channeUng) der Io-
Kristallgitter des SiUziums zu vermeiden. Dadurch wird die longimdinale
Streuung der projizierten Protonenreichweite minimiert.
In einem Durchlauf konnten sechs Proben, inklusive Papier zur Dosiskontrolle,
unter Vakuumbedingungen (< 10"5 Ton) und bei Raumtemperatur bestrahlt wer¬
nen
im
den. Die
Implantation geschah durch die MetalUsierung
tels Protonen verschiedener
Energien
der Dioden hindurch, mit¬
und unterschiedlichen
-34-
Implantationsdosen.
Probenhalter und
Probenhalter und
3.4
Eine
spezielle Halterung
der Dioden
emerseits
sein
fur die Dioden wurde
hergestellt,
gut bestrahlt und andererseits die
Ebenso
muss
Chip
(Fig 3-1) Zum Schutz
Fig.
Aluminium den
derjenigen
3-1
Energien
Maskierungen
aus
Chip
der Dioden und
zur
Gevvahrleistung
umgab
Die Dicke des Abstandhalters
Bestrahlung
war
ein
des guten
Abstandhal-
dabei identisch
wurde die Diode zwischen Ma*,ke Abstand-
halter und Probenhalter
Abfuhrung
Ladungen,
ra-
Stahl
der Proben
Fur die
gute
Neutralisa¬
wurde dabei zwischen Maske und Probenhalter einge-
elektnschen Kontaktes zwischen Maske und Probenhalter
mit
zur
Daneben darf das Material nicht schon bei kleinen
und Aluminium Der
ter aus
damn der akave Teil
der Diode entstehende
der Probenhalter
dioakuv werden Bewahrt haben sich Halterungen und
klemmt
in
Implantation eingebrachten Ladungsuberschusses elektnsch
tion des durch die
gut leitend
Maskierung
werden konnte
abgefuhrt
Warme
Maskierung
emgeklemmt
Dies
gewahrleistete
eine
der Warme und Neutralisation der elektrischen
welche durch die Protonen
-35-
eingebracht
uerden
Hochenergie Protonenimplantation
3.5
Dosisbestimmung
Da sich die bestrahlte Flache
von
weissem
braun verfarbt, kann die Be-
Papier
strahlungsdosis mittels Ausmessung der Ausdehnung
der dunklen Flache be¬
stimmt werden. Die Wahl einer Kreisflache vereinfacht die
Abmessung
Protonen (Q
der bestrahlten Kreisflache A und die
=
nvq)
Der Durchmesser d soil
=
ft
Uber die
Gesamtladung der
Messung
=
V
tcm2]
(3.!)
grbsser als die Bauteildiagonale sein. Damit wird eine ho-
Bestrahlung der aktiven
Zur genauen
der
wird die Dosis D berechnet.
D
mogene
Messung
Bestimmung.
Diodenfiache bis
der akumulierten
Ladung
zu
ist die
den Randern
gewahrleistet.
Bestrahlungskammer elek-
trisch isoliert montiert.
Nicht alle
Papiersorten eignen sich gleich gut dafiir. In unserem Fall bewahrte sich
das offizielle ETH-Briefpapier mit Wasserzeichen am besten. Ebenfalls sehr geeignet ist das sogenannte "Blueprint-Paper", welches sich bei BeUchtung sofort
blau farbt, aber etwas
3.6
Homogenitat
Es wurde darauf
schwieriger
erhaldich ist
[77].
der bestrahlten Flache
geachtet,
dass der aktive Teil der Diode
mbglichst homogen
be¬
strahlt wurde, indem der Strahl auf der
Chipoberflache fokussiert (~ 1mm x 1mm)
Chiprand hinaus nach einem geeigneten
Vakuumumgebung vermied eine intensive
und sodann eine Flache bis iiber den
Rastermuster
Streuung
sierung
abgetastet wurde. Die
der Protonen
an
stbrenden Molekiilen und fbrderte eine saubere Fokus-
des Strahls. Wahrend unbestrahlte SiUziumscheiben einen mittleren ohm-
schen Schichtwiderstand
von
46 Q aufweisen,
den bestrahlten Scheiben 53 Q.
Fig.
3-2
zeigt
betragt der mittlere Widerstand bei
die
Abweichungen
in Prozenten. Es wurde in zwei senkrecht zueinander stehenden
b gemessen. Die
rung
weniger
Schwankungen
betragen.
der
Homogenitat
als ±2%
-36-
vom
Mittelwert
Richtungen
a
und
kann bei sauberer Strahlfiih-
Homogenitat
-165
-123
-0 82
006
-041
Radius
Fig.
3-2
Die
Messpunkte wurden
Richtungen
a
und b
048
in zwei
betragt
Temperung- 200°C,
14 5h,
ohne
Der Mtttelwert des ohmschen
Bestrahlung
2 5 MeV,
N2
-37-
17
senkrecht zueinander stehenden
53Q.
Bestrahlung
Dosis: 6*1012 cm'2; Energie:
130
[inch]
aufgenommen
Schichtwiderstandes
0 89
der bestrahlten Flache
46il und nach der
Hochenergie Protonenimplantation
Protonenreichweite in n-Silizium
3.7
Analyse gezeigt wird, liegt
Wie weiter unten in einer ausfiihrhchen
Vorteil der
z.B.
Protonenimplantation,
der
gegeniiber
der grosse
Golddiffusion, in der Mbg-
Uchkeit einer sehr gut kontrollierbaren maximalen Reichweite der Protonen und
dem
zur
Folge
nur
Die mit hoher
Streuung
an
bis
zu
dieser Tiefe im Silizium erzeugten Stbrstellen.
in das Silizium
Energie
Elektronen und
an
eindringenden Protonen werden durch
Gitterbausteinen des Kristalls, welches
mechanisch als Protonen-Phononen-Streuung beschrieben wird,
resultiert in einer
Erwarmung
abgebremst.
des Kristalls und direkt oder indirekt
kundarelektronen) in der Erzeugung einer Reihe
von
QuantenDies
(z.B. durch Se-
stochastisch auftretenden
Stbrstellen, auf die im Abschnitt 3.8 naher eingegangen wird.
Um den brtlichen Bereich der durch
Protonenimplantation
binationszentren im Silizium voraussagen
die mit dem
dringtiefen
zu
konnen, wurde
Implantations-Computerprogramm
TRIM 89
Daten tibereinstimmen.
Eine Reihe
Si-Proben wurden mit verschiedenen
von
zuerst
abgeklait,
ob
[53] enechneten Ein¬
der Protonen und der dabei entstehenden Stbrstellen in Silizium mit
experimentellen
reich
entstehenden Rekom¬
von
1 bis 4 MeV mit einer Dosis
send mit Hilfe der
von
Spreading-Resistance
Protonen-Energien im Be¬
5*1012 cm"2
bestrahlt und anschUes-
Methode ausgemessen. Dabei wird
vorausgesetzt, dass die erhbhte Stbrstellenkonzentration eine Erniedrigung der
Leitfahigkeit
verursacht.
dass die
Der
Vergleich (Fig. 3-3) zeigt,
von
4 MeV sehr genau innerhalb
experimentellen
gramm berechneten Werten tibereinstimmen. Zum
von
Wondrak ebenfalls
Daten bis
zu
Energien
± 3 pm mit den aus dem TRIM 89 Pro-
von
eingezeichnet (Proben:
Vergleich
sind Messresultate
<111> FZ-Si,
Phosphordotiert
65Qcm; <111> CZ-Si, Phosphordotiert 43Qcm [48]). Bei mehr als 4 MeV ist eine
Strahlenaktivierung
den
zu
[77].
erwarten
Diese Resultate
der beschossenen Materialien wie Proben, Halter und Blen-
zeigen,
dass sich die Protonenreichweite und die brtUche
Lage der
dabei aktivierten Rekombinationszentren sehr genau vorausberechnen lassen.
einer
Spreading
Resistance
Messung
Die
Auswertung
ten,
getemperten Diode ist in Fig. 3-4 dargestellt.
Daraus lasst sich entnehmen, dass das
einer
Dotierungsprofil der
odenseitige Protonenimplantation bis zu
-38-
einer Tiefe
von
etwa
protonenimplantier-
Diode durch die
an-
93 pm moduliert ist.
Proionenreiehwene
150
-,
,
,
—
XAO
,
,
1
TRIM 89
,
,
,
1
in
n-Silizium
r
Modellierung
Spreading Resistance Messungen
E
3
100
u
a
2
1
Protonenenergie [MeV]
Fig.
Maximale
Eindringtiefe der Protonen in Abhangigkeit der Protonen¬
energie bei einer Dosis von 5*1& cm'2. Vergleich von experimentellen
3-3
Daten
(o)
aus
Spreading-Resistance Messungen
von
strahltem n-Silizium mit Monte-Carlo Berechnungen
(A): Minimum-, (x): Maximum-Wert gemessen
Von dem
profil
von
p"""n"-Ubergang (Tiefe Xj
zunachst nahezu konstant
~
um
23
pm) ausgehend
von
TRIM 89.
Wondrak [48].
verlauft das
cm'3
den Wert 1*10
protonenbe-
nut
um
Dotierungs-
dann im Bereich
Dotiemngsmaximum von l«1014cm"3 anzusteigen
urspriingUchen Wert der Grunddotierang
2«1013cm"3 iiberzugehen. Diese Fakten fiihren zu folgenden Schltissen:
75 pm bis 83 pm auf ein
und schUessUch bei etwa 93 pm in den
von
-
Die maximale Reichweite der 3.0MeV Protonen in SiUzium
etwa
-
93 pm. Dies stimmt wiederum mit den
Innerhalb
l*1012cm
scheinUch
Xj und 75pm
wird die
kompensiert.
um
Ergebnissen
aus
betragt
Fig. 3-3
Dotierung des Oberschussleiters praktisch
Es handelt sich beim
vorliegenden Beispiel
Akzeptoren".
Durch
"Vergiftung des HalbEinfangen einer Reihe von
Leitungselektronen wird die Zahl der freien Trager geschwacht. Eine
re Analyse zeigt, dass dabei die Fermi-Kante herabgesetzt wird [22].
Ausserhalb
die
auf
wahr-
den klassischen Fall einer sogenannten
leiters durch zugesetzte
-
uberein.
von
der oben erwahnten Grenze
Kompensation
bewirkenden
von
Akzeptoren ab,
-39-
genaue¬
75 pm nimmt die Anzahl der
um
schUessUch bei
ca.
93 pm
Hochenergie Protonenimplantation
10
10
""
I
10
10
-qIO
'
19
v
1
\
17
unDesiranue Keierenzuioue
16
?.10
15
?
14
10
~\
l«
r
12
'
!
/
"
n
I
II
0
10
20
40
30
50
70
60
Tiefe
Fig. 3-4
i
/^.
E
!
i
i
y
t
10
10
i
p+^
Spreading
Resistance
Messung
90
100 110 120
[pm]
einer protonenimplantierten getem-
perten Diode (Ep=3.0MeV; Dosis:
strahlten Diode. Der Bereich
80
1.7*1012cm'3),
vor ca.
und einer unbe-
23\lm und nach 100\i.m
ist bei
beiden Dioden identisch.
in die
Grunddotierang iiberzugehen.
Eindringtiefe
auftretenden
Offenbar erzeugen die bei der maximalen
energiearmen
Protonen
nur
noch Donatorstbrstel-
len
-
geschlossen werden, dass in der Zone zwischen dem
Beginn des Anstiegs bei 75 pm keine Donatorstbrstel-
Daraus kann jedoch nicht
p+n"-Ubergang
und dem
len entstehen. Diese kbnnten
den, sodass in
unserem
ja
von
Beispiel
Akzeptorstbrstellen kompensiert wer¬
l«1014cm"3 durch Bestrahlung erzeugte
den
etwa
bzw. durch die
Grunddotierang gegebenen Stbrstellen praktisch ebensoviele
Strahlung erzeugte Akzeptorstbrstellen gegenuberstehen. Genaueren
Aufschluss iiber diese Verhaltnisse kann erst die im folgenden gezeigten Ergebnisse der Messung elektrisch aktiver Defekte bringen.
durch
Die gemessenen Werte der maximalen
der
Implantationsdosis
D
[cm'2]
n-Dotierung ND
verschiedener Autoren
[cm"3]
in
Abhangigkeit
[48] liegen alle in der
Nahe einer Geraden, welche durch die Formel
50D
+
2-
10'
N„
Basis, der in dieser Arbeit verwendeten
ist eine
wichtige Erkenntnis
-40-
(3.2)
Grunddotierang der
p+n"n+-Dioden abgestimmt. Die Glei¬
fiir die Anwendung der Protonenbestrah-
beschrieben werden kann. Der Wert 2*10
chung (3.2)
,-3i
[cm'
ist dabei auf die
Defekte
lung
zur
Erzeugung
erwartende
von
n-Dotierung
im
definierten
direkt
Silizium erzeugt durch die Protonemmplantauon
Dotierangsprofilen, da diese Formel die zu
der Bestrahlungsdosis in Zusammenhang
mit
bringt.
Die Tabelle 1
zeigt die Halbwertsbreiten der zusatzhchen, gaussformigen n-Dotierungsprofile aufgrund von Messresultaten verschiedener Autoren, welche die¬
se Eigenart bei verschieden Dosen und Energien ebenfalls beobachtet haben.
Tabelle 1
Diese Arbeit
Dosis D
Energie
E
Halbwertsbreite HWB
Wondrak
Huppi
17«1012cm"2
l«1015cm"2
l-1012cm"2
3«1012cm"2
3 0 MeV
3 MeV
3 MeV
300 kV
8 0 pm
8 5 pm
-
Die Halbwertsbreite ist offenbar nicht entscheidend
Dagegen
erzeugt eine
geringere Protonenenergie
11
um
von
Defekte im Silizium erzeugt durch die
3.8.1
Rekombinau'onszentrenprofil
pm
der Dosis beeinflusst.
im Bereich
3.8
1
-
sentUch kleinere Halbwertsbreite als bei zehn mal hoheren
In
Ohmura
von
300kV eine
we-
Energien
Protonenimplantation
Kapitel 2.4 bis 2.6 wurde gezeigt, dass die Tragerlebensdauer durch die Rekom¬
binationszentren bestimmt wird. Damit ist die Form des
binationszentren
umgekehrt
uber das
Dichteprofils der Rekom¬
Tragerlebensdauerprofil bestimmbar.
Verschiedene Arbeiten befassen sich mit der
he
Anhang A.2).
In
Fig. 3-5 sind zwei
Tragerlebensdauerbesummung (sieLebensdauerprofile innerhalb der n"-Basis
GTO-Thynstors gezeigt, welch von Linnros [83] gemessen wurden. Die
Protonen wurden anodenseitig in einer Tiefe von 300 pm implantiert Die Bestrah¬
lungsdosen betrugen 3«10ncm"2 und l«1012cm"2. Die Asymmeme des Profils ist
eines
hervonagend ersichtlich. Es
tritt eine starke
Massierung der Zentren nahe der ma¬
Protoneneindnngtiefe
Tragerlebensdauer im bestrahlten n"-Bereich vor dieser Massierung ist nahezu konstant und niednger als im unbestrahlten
Bereich. Diese Eigenschaft hat wesentliche Einflusse auf das Abschaltverhalten
ximalen
der
Hochleistungsbauelemente,
auf Die
wie in
-41
spateren Kapiteln gezeigt wird
-
Hochenergie Protonenimplantation
ungetempert
6.1MeVH+->GTO
1
l-l
o
3
a
VI
c
XS
XI
200
300
500
400
Tiefe [pm]
p'
n"
n
Defektprofil fiir
Fig. 3-5
(300 ncm)
P
n+
GTO Strukturen, welche mit zwei verschiedenen
Protonendosen bestrahlt wurden [83].
3.8.2
Welche Storstellen tragen
zur
Rekombination bei?
Elektrisch aktive Defekte wurden in mehreren Arbeiten durch
zeitaufgelbste
Ka-
spenenden pn-Ubergangen (DLTS), durch Messungen des
pazitatsmessungen
elektrischen Widerstandes und Messungen der Minoritats-Ladungstrager-Lebensdauem nachgewiesen und identifiziert [26]-[49]. Bei einer Analyse des Defektan
dichteprofils
einerseits
von
vom
implantierten
Sauerstoffgehalt
Dosis des Ionenbeschusses
spricht
Dioden
zeigt sich, dass die
und der
Dotierangskonzentration, sowie
Ionenprofilmaximum,
welches die
Zerstbrang
tiefliegende
Solche Defekte konnen
verursacht durch die
durch das Dotieren
stoff-Leerstellen
Implanta-
der idealen kristalUnen Matrix
Silizium. Wahrend flache Stbrstellen vomehmlich die
flussen, wirken
der
ent-
[27][83].
Die Defekte werden erzeugt durch die
von
von
abhangt [26]. Der Ort des Defekrprofilmaximums
dabei ziemlich genau dem
tionstiefe definiert
Defektkonzentration
zum
Stbrstellen in der
Beispiel
Regel
Leerstellen und
Leitfahigkeit
auf die
Tragerlebensdauer.
Zwischengitteratome sein,
Ionenimplantation oder die Elektronenbestrahlung,
von
beein¬
aber auch
Gold oder Platin. Es sind auch Kombinationen wie Sauer-
Komplexe mbgUch.
In
-42-
phosphordotiertem
FZ Silizium, welches
Defekte
Silizium erzeugt durch die
im
Protonenimplantation
das Grundmatenal fur die untersuchten Dioden bildet, sind Fremdatome
erstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Wasserstoff genugend vorhanden,
Komplexe
ein
wie
um
Sau¬
solche
bilden Weitere
Moglichkeiten sind verschiedene Ladungszustande
[35], welche alle verschiedene Energiemveaus haben
Defekte
konnen z B als Akzeptoren
Einige
zu
und desselben Defekts
konnen
A
A
A=
+
Doppelakzeptoren,
+
+
Elektron
+
(3-3)
n
Loch
A
<=>
A
oder als
A0
«=>
«=> A0
Elektron
Loch
»
(3.4)
A
entsprechend als Donatoren wirken In den
Anstrengungen verstarkt, lonemnduzierte tief im verEnergieband hegende Storstellen zu charaktensieren [28][34][47]
andere
letzten Jahren wurden die
botenen
Eine Ubersicht der bekannten durch
len sind
Der
in
Protonenbestrahlung
\erursachten Storstel¬
Fig 3-6, Tabelle 2 und Tabelle 3 aufgehstet
vorgehende Abschnitt 3
7 hat gezeigt, dass bei der
Bestrahlung
neben solchen
tiefen Storstellen auch weniger tiefe Donatoren erzeugt werden Dies wurde
von
Ohmura
[58][59][60] und Gorelkinskn [61] genauer untersucht, wobei beide zum
Schluss kommen, dass die Protonenimplantation wasserstoffkoneherte flache
Donatoren
(Ec-Et
=
26meV)
aber nochmals darauf
am
Ende der Protonenreichweite, erzeugt Es
hingewiesen werden,
nenreichweite Donatoren entstanden
sein
muss
dass durchaus uber die ganze Proto¬
konnten
Durch
eine
hohe Zahl
von
Storstellen, welche als Akzeptoren wirken, werden die Donatoren jedoch kompensiert Die wasserstoffkoneherten flachen Donatoren reichen aber
Sihziummatenal als die
tonenreichweite
in
Akzeptoren
Erscheinung
und treten
-43-
demzufolge
erst am
weiter ins
Ende der Pro¬
Hochenergie Protonenimplantauon
0 534
0 396
0 37
(-10)
0 33
0 254
(=/-)
(-/0)
014
(/0)
017
Oil
Oil
{-10)
0 01
E.
-0 08
(0/+)
(0/+)
-0 216
(0/+)
0 30
0 35
Fig. 3-6
Angegeben
0 085
(0/+)
-0 38
sind die durch
Hochenergie Protonenimplantation in
n-T\p Silizium erzeugten tiefliegende Rekombmations-ZGenerationszentren [47], sowie der wasserstoffkorrelierte Donatorzustand
[58] mit entsprechenden Energieniveaus
Die Energien sind in eV relativ zur intrinsischen Energie El ange¬
geben
Energiebandlucke Ec-Ev betragt 1 12 eV
Der Klammerausdruck beschreibt den moghchen Ladungszustand Nn eaus in der Mitte des Energiebandes sind fur die Rekom¬
Die
bination
Einige
am
effizientesten
dieser Zentren bleiben auch nach dem Ausheizprozess
erhalten
V Leerstelle,
C.O.H.P Elemente, Index
Y Fremdatome,
7
=
nicht
identifiziert
-44-
i
=
Zwischengitterplatz
Defekte
im
Silizium erzeugt durch die
Proionemmplantanon
Tabelle 2
Moghche
HaftsteUe
Identitft
("Trap")
Et-Ev
On
°P
[eV]
[cm3s')
[cm3s ']
1cm2]
Ian2)
Is']
11E-9
<4E-8
15E+8
Is')
VY[36]
H(110K)
018010013
<2 6E-11
<1E-18
7 3E-17
C,H[36]
H(148K)
0.260 ±0.015
2 6E-10
4 7E-9
2 8E-17
3 1E-16
6 4E-5
40E+6
C+O,
COVJI32]
H(205K)
0.344 ±0.015
1 1E-10
5 1E-9
1 0E-17
3 3E 16
3 2E-4
3 7E+5
VY[36]
H(231K)
0480±0019
-
-
-
-
-
i
H(285K)
0570±0040
,
1 5E-10
3 5E-11
14E-17
2 3E-18
7 5E+4
13E-3
86E+2
(s']
[s'l
2 2E+9
3 3E-8
3 2E+8
-
Tabelle 3
MOghche
Haftstelie
Ec-Et
Identitat
("Trap")
[eV]
[cm3s']
°P
o0
°P
[cm3s ']
[cm2]
(cm2)
7 7E-10
70E-17
4 0E 17
3 5E-17
-
3 8E-16
-
6 7E+7
1 3E-16
2 0E-17
3 6E+6
19E-5
5 1E+4
•
0-V+? [30]
E(94K)
0164±0012
VY[36]
E(114K)
019010013
3 9E-10
W[31]
E(130K)
0.230 ±0.015
4 34E-9
C,H[36]
E(175K)
0306±0016
1 14E-9
W[31]
E(232K)
0.420 ±0.016
8 37E-9
-
7 4E-16
P-V[31]
E(232K)
045010018
-
-
-
W-korre-
E(232K)
047510016
162E-9
-
i
E(250K)
045010028
2 84E-9
-
9
E(282K)
0 39
2 6E-10
-
4 5E-10
2 9E-10
-
5 0E+4
-
16E-16
-
80E+4
-
2 5E-16
-
5 8E+3
-
herf
[47]
Ej: Trap-Energie,
e:
Emissionsrate
c:
von
2 3E-17
-
4 9E+2
Einfangrate, o: Wirkungsquerschmtt,
Haftstellen ("Traps")
H( ): Locher-Traps, E( ). Elektronen-Traps, Temperatur. 300 K
V: Leerstelle; C,0,H,P: Elemente; Index i
Zwischengitterplatz
=
Y: Fremdatome
-45-
-
-46-
4. KAPITEL:
4.1
Probentemperung
Einleitung
Die
Temperung
nach dem
Ionenimplantationsprozess
ist ein
Durch Kernstbsse und Stosskaskaden werden eine Vielzahl
und
Versetzungen
bis hin
zur
Ausbildung
dabei entstehenden Gitterdefekte sind
von
Strahlenschaden
Gebieten erzeugt. Die
amorphen
von
wichtiger Schritt.
von
unterschiedlicher
Komplexitat
und
thermischer Stabilitat. Ein entscheidender Punkt ist, dass diese Defekte unter
thermischer und elektronischer
anderen, im
erhbhte
Behandlung
ausheilen konnen, aber sich auch
allgemeinen stabileren, Defektkomplexen anangieren
Temperatur steigert
also einerseits die
Diffusionsfahigkeit
der Stbrstellen
und erhbht damit die WahrscheinUchkeit, dass sie weiteren Defekten
andererseits konnen
fallen.
Komplexe
durch
Energieaufnahme
Herausgeschlagene Zwischengitteratome
stammten
Gitterplatz
Durch eine
zu
konnen. Die
begegnen,
aber auch auseinander-
konnen wieder ihren ange-
einnehmen.
geeignete Temperaturbehandlung (Temperung, Ausheilen)
nerseits dafiir gesorgt werden, dass das
Kristallgitter
muss
restauriert wird, sowie
ei¬
uner-
wiinschte Defekte ausheilen, und andererseits die verbleibenden Defekte
elektrisch aktiviert werden und als Donatoren,
Akzeptoren
oder als Rekombina-
Es
zeigt die Wichtigkeit
tions- / Generationszentren wirken konnen.
Dieses
der
Kapitel beschreibt den benutzten Temperprozess.
Temperung
anhand elektrischer
Durchlassbereich oder
plantierten
Riickstromspitzen
Spannungsabfall
im
wahrend des Abkommutierens der im¬
Dioden.
Aktivierung
4.2
Eigenschaften
wie
und
Stabilisierung
der
geeignetsten
Rekombinationszentren
In
Kapitel
2.6 wurde erwahnt, dass fiir ein Bauelement mit
Eigenschaften
serst
das ideale Rekombinationszentrum im
optimalen elektrischen
Niederinjektionsfall
aus-
effektiv, im Hochinjektionsfall und im Verarmungsfall jedoch mbglichst in-
effektiv sein soil. Der
Temperprozess
muss
-47-
dementsprechend ausgerichtet sein,
Probentemperung
geeignetsten
dass die
Stbrstellen
jedoch
Die Problematik
Zentren den Prozessschritt tiberdauern, unerwunschte
ausheilen.
liegt
nun
darin,
entscheiden, welche Zentren wichtig sind und
zu
Ausheiztemperaturen und -zeitdauern diese stabilisiert werden kbnGemass Baliga [25] liegt, bei einer vorliegenden n'-Basisdotierung von
mit welchen
nen.
2«10I3cm"2,
die ideale
energetische Lage Ej-Ej
der Zentren
je
nach Betriebstem¬
peratur der Dioden zwischen 0 und 0.11 eV. Die Zentren sollen in diesem Bereich
Uegen oder
zumindest diesem recht nahe kommen. Ebenfalls ist eine hohe Kon¬
zentration erwiinscht.
Nach der
Raumtemperatur-Protonenbestrahlung ist vor allem der tiefliegende Akzeptorzustand (Elektronenhaftstelle) der Doppelleerstelle (VV(-/0),[45]) verantwortlich fiir die Kontrolle der
Niederinjektionsfall
auch im
Wenn wir
C+Oj
den
nur
oder der
Nach einer
Tragerlebensdauer.
Er
zeigt sowohl im
Hoch- wie
die kleinste Lebensdauer.
Niederinjektionsfall
COV2-Komplex
betrachten kommt zusatzlich noch der
dazu [47].
Langzeittemperang im
Vakuum
von
mehreren Stunden bei einer Tem¬
peratur zwischen 260°C und 300°C sind die
heilt und der
Donatorzustand eines
wird
Doppelleerstellen vollstandig ausgemit dem Akzeptor- und
Zwischengitter-Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexes (C4H)
Kohlenstoff-Komplex
zusammen
dominierenden Rekombinationszentrum.
zum
Hiippi schlagt
vor
dieses Zentrum
zu
fbrdern, da
es
thermisch sehr stabil ist und
die Verhaltnisse (2.25) und (2.26) beide gross sind. Bei der
dagegen (2.26)
wegen Thl klein,
was zu
einem hohen
Doppelleerstelle
ist
Durchlassspannungsabfall
fuhrt.
Die in dieser Arbeit
n"-Basen
die
durchgefuhrten Experimente zeigen aber, dass
Hochleistungsdioden
Auswirkungen
Auch der
der
von
und einer
Implantation
nahe
am
bei breiten
pn-Ubergang,
einer kleineren Generationslebensdauer nicht erkennbar sind.
Vorwartsspannungsabfall
Abkommutiervorgang
nimmt
nur
gering
zu.
Dagegen
verkiirzt sich
erhebUch. Es ist deshalb sinnvoll beiden Stbrstellen
nutzen und damit schnelle Bauteile mit
herzustellen.
-48-
relativ niedrigen
zu
Durchlassspannungen
Rapid
4.3
Rapid
Thermal
Annealing (RTA)
Es ist evident, dass das Ausheizen der Proben mit
welche
einiges
hoher
Annealing (RTA)
Thermal
Uegen
als
Temperaturen erfolgen soil,
diejenigen Temperaturen,
welche wahrend des
Betriebs der Dioden auftreten kbnnen. Ansonsten ist die thermische Stabilitat
nicht
gewahrleistet und
das Bauteil verUert die
Im weiteren wurde mittels
nachgewiesen,
geheilt
Fiir
dass bei
Deep
Temperaturen
werden und damit ihre
unsere
Mit dieser
Apparatur
hoher als 400°C
Wirkung
Zwecke wurde eine
ca.
RTA-Anlage
gereinigt
zusatzUches Eindiffundieren
von
Traps
aus-
Temperung der Dioden benutzt.
gewunschte Temperatur eneicht und
30 Sekunden
und unter
alle
zur
pegelte
folgende Temperaturschwankungen beschrankten
Die Proben wurden
praktisch
verUeren.
konnte schnell die
kontrolUert werden. Nach
eingestellten guten Eigenschaften.
Spectroscopy (DLTS) [47]
Level Transient
sich die
Temperatur
Vakuumbedingungen ausgeheizt,
Fremdatomen
zu
ein und
sich auf ±2 Grad.
um
ein
verhindern.
Die thermische Diffusion der Zentren und damit die
profils
wahrend des Ausheizens kann bei den
Verbreiterung des Defektgewahlten Temperaturen und den
Temperdauern vernachiassigt werden [26]. Dies gilt auch fur die Bor und
Phosphordotierungen, welche eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen
und dazu Temperaturen iiber 1000°C benbtigen. Der Einfluss der MetalUsierung
(Aluminium) zeigt ebenfalls erst ab 400°C Wirkung. Bei dieser Temperatur wur¬
kurzen
den die Aluminiumkontakte
4.4
gesintert.
Zeitabhangige Temperung
Temperung spielt nicht eine so grosse Rolle wie die Temperatur.
Experimente haben in Ubereinstimmung mit [47] gezeigt, dass wahrend eines
Die Dauer der
Die
isothermen
Ausheilprozesses
nur
gerade
innerhalb der
ersten
Stunde die Defekt-
dichten der einzelnen Stbrstellen wesentUch verandert werden. Nach dieser Dauer
sind
nur
noch die thermisch stabilsten Rekombinationszentren vorhanden. Ein
fortgesetztes Tempern bringt
Temperdauer ist
z.B. der
keine entscheidende
Anderung
mehr. Die sinnvolle
damit wesentlich kiirzer als die iiblichen Ausheilverfahren nach
Elektronenbestrahlung (typischerweise 300°C, 36
-49-
h
[44]).
Probentemperung
4.5
Temperaturabhangigkeit
gewahlter Temperatur
Je nach
len
der Zentren
gezielt partiell
oder
und Temperdauer kbnnen unerwiinschte Stbrstel¬
vollstandig ausgeheilt, oder erwiinschte Rekombinations¬
elektrisch aktiviert werden.
zentren
Alle bekannten Rekombinationszentren werden nach einer
Temperatur zwischen 230°C
bei der
gleichen Temperatur
raturen
heilen die Zentren
und 360°C
die
aus.
am
Temperung
bei einer
aktivsten, wobei nicht alle Stbrstellen
grbsste Aktivitat eneichen. Bei hbheren Tempe¬
Oberhalb 400°C heilen sie
vollstandig aus und der
widerspiegelt sich in dem
vor der Bestrahlung stellt sich ein. Dies
Vorwartsspannungsabfall und der Riickstromspitze der
stungsdioden.
Zustand wie
untersuchten Hochlei¬
Fig. 4-1 zeigt, dass der Spannungsabfall sich bei steigender Ausheiztemperatur er-
niedrigt
Noch
und sich dem Wert fiir unbestrahlte Dioden nahert.
signifikanter ist
zunehmender
den Wert der
dies in
Temperatur
Fig.
4-2 ersichtlich. Die
schnell
an
Riickstromspitze wachst
und eneicht bei
Temperaturen
um
mit
400°C
Originaldioden.
In der Hochleistungselektronik ist
Vorwartsspannung mit der gespei¬
Ladung,
Spenverzbgerangszeit
Fig. 4-3 mit der Riick¬
Grafik
Verhaltnis
und
in
einer
in
zu
setzen
stromspitze
einzutragen, welche typischerweise Technologiekurve genannt wird. Anhand dieser Kurve kann abgeschatzt werden, bei welcher Ausheiltemperatur Riickstromspitze und
Vorwartsspannung optimal sind. Dies trifft bei einer Temperatur um 290°C zu.
Bis zu dieser Temperatur verbessert sich die Spannung, ohne dass eine massive
cherten
es
ubUch die
oder wie in
der
Stromspitze in Kauf genommen werden muss. Oberhalb von 290°C
Spannungsabfall gewonnen, dagegen kann die gute
nicht
mehr beibehalten werden.
niedrige Riickstromspitze
Erhohung
der
wird nicht mehr viel beim
Der
Sprung
der
Vorwartsspannung zwischen der Ausheiztemperatur von 320°C
vorsichtigen Interpretation als Effekt des vollstandigen
und 350°C kann bei einer
Ausheilens der
Doppelleerstelle betrachtet werden (Fig. 4-3). Diese Stbrstelle be¬
Hochinjektionslebensdauer. Wird dieses Zentram nicht
sitzt weitaus die kleinste
mehr in betracht gezogen, erhbht sich die totale
damit vermindert sich die
Vorwartsspannung.
-50-
Hochinjektionslebensdauer
und
Temperaturabhangigkeit der Zentren
2.0
'
I
'
'
'
I
I
1
|
f—if..—T-i
1.5
>
a
00
s
10
Implantation
3
C
von
der Anodenseite
Protonenreichweite.
c
Dosis:
a
IF:
0.5
25pm
5xE12cm'2
20A
[95Acm2]
Ausheizdauer: 60 Min
$
00
150
_L
_L
200
250
300
350
400
Ausheiztemperatur T [°C]
Fig. 4-1
Ausheizverhalten der
halb 400°C
Durchlassspannung Bei einer Temperatur ober¬
entspricht die Spannung derjenigen einer unbestrahlten
Diode.
Der Leckstrom ist bei alien
tragt bei 3kV etwa
nen
lpA.
Ausheiztemperaturen
Dies ist einerseits der
zuzuschreiben, welche
nur
nahe
am
Andererseits wird der Leckstrom bei diesem
der Proben identisch und be¬
geringen Eindnnguefe
pn-Ubergang
Typ Dioden und
im wesentUchen durch andere Mechanismen gepragt
Die Messungen
Hochleistungsdioden
der Proto¬
Zentren erzeugen.
(Kapitel
hohen
Spannungen
6 3.2)
zeigen deutlich, dass die
von Huppi vorgeschlagene hohe Ausheiztemperatur von 400°C wahrend 60 Minuten nicht ein
Optimum ergibt. OffensichtUch ist es wichtig, dass die Doppelleerstellen nicht
an
vollstandig ausgeheilt werden und damit ihren Anteil
des
pn-Ubergangs beitragen
Aus den
Ergebnissen empfiehlt
290°C, wahrend einer Dauer
In den
zum
sich also eine isotherme
von
60 Minuten unter
getemperten Hochleistungsdioden reprasentieren
Temperatur
und
von
Resultate
Temperdauer behandelt
-51-
Ausheiztemperamr
von
Vakuumbedingungen.
folgenden Kapiteln dargestellte Messresultate
alle mit dieser
schnellen Ausraumen
konnen.
protonenbestrahlten,
von
wurden
Dioden, welche
Probentemperung
-20
-30
-40
S
OS
et
-50
N
von der Anodenseite
Protonenreichweite 25pm
Implantation
-60
5xE12cm2
IF 20A [95Acm 2]
VR -572V
Dosis
-70
o
a
Vl
-80
U
o
Ausheizdauer 60 Mm
3
05
-90
-100
Ausheiztemperatur
Fig. 4-2
Irrm
wahrend
350
300
250
200
150
T
Abkommutiervorgangs
400
[°C]
nach verschiedenen Ausheiz-
temperaturen
-20
-30
,
,
<
-40
s
as
os
u
N
50
-60
D.
W5
s
-70
o
hi
V3
-80
O
3
05
-90
100
14
17
16
15
Vorwartsspannungsabfall VF [V]
Fig.
4-3
"Technologie-Kurve"
male
der Daten
Ausheiztemperatur liegt
Minuten
-52-
aus
Fig
290°C bei
4-1 und
einer
Fig
4-2 Die opti¬
Temperdauer
von
60
5. KAPITEL:
Messschaltungen zur Charakterisierung
der Dioden
5.1
Einleitung
Folgend
werden die
mung der statischen
Messschaltungen im Detail erlautert, welche zur BestimStrom-Spannung Diodenkennlinien und der dynamischen
Abschaltcharakteristiken
Anwendung
fanden.
Die besondere
Sperrfahigkeit und SchnelUgkeit der Leismngsdioden setzte eine
Anforderung an die Apparaturen zur Messung der statischen
entsprechend
I-V-Kennlinien und der dynamischen Abschalttransienten. Fur erste Resultate
wurde eine mbgUchst zerstbrungsfreie Messungen durchgefuhrt. Dies setzte eine
niederinduktive Messschaltung voraus. Nachfolgende Messungen wurden mit ei¬
nem reaUtatskonformen Schaltkreis durchgefiirt. Fiir die Charakterisierung sind
beide Messschaltungen wichtig, da die Leistungsdioden einerseits als Entkopplungsdioden oder als Freilaufdioden, sowohl auch als Gleichrichter in niederinhohe
duktiven oder in starker induktiv belasteten Schaltkreisen
eingebaut werden
kbnnen.
5.2
Apparatur
zur
Messung der
statischen IV-Kennlinien
Allgemein gilt bei der Messung der elektrischen Eigenschaften von Hochlei¬
stungsbauelementen, dass die ganze Apparatur grossen Belastungen standhalten
und verschiedenen Sicherheitsbestimmungen genugen muss.
Da die gemessenen Dioden noch keine
einfliisse erhalten haben,
hoher
musste
Schutzverpackung
der ganze
Isolationsfahigkeit durchgefuhrt
Messvorgang
werden. Unter
gegen
aussere
in einer
Umwelt-
Atmosphare
Normalbedingungen
mit
war
infolge elektrische Entladungen, unmbglich Spannungen iiber ca. 2.3 kV anzulegen. Dies konnte mit einer Stickstoffumgebung unter einem Druck von 0.8
bar verbessert werden (Fig. 5-4). Ein Hochspannungsnetzgerat lieferte die benbtigte Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode der untersuchten Diode.
Die Spannung wurde mittels Spannungsteiler direkt an der Probe und der Spenstrom als Spannungsabfall iiber einen Shunt-Widerstand gemessen. Der Strom im
es,
-53-
Messschaltungen
zur
Charakterisierung der Dioden
Durchbruch wurde auf I OmA
ganze
Messvorgang gesteuert
begrenzt. Mit
und
Hilfe eines
protokolliert
Computers
konnte der
werden.
Heinzinger HNCs
10000 lOump
-
Hoehspannungsnetzgerat
"T
100 MEGQ
Keithtey 617
Programm.
D-
Elektrometer.
Hochspannungswiderstand
DVT
_£
0
Erdung
N2
Keithley 136
System DMM
0.8 bar
T
5-4
Fig.
Messaufiiau
von
5.3
zur
Bestimmung
zu
der statischen
PC oder SUN
Sperr- Charakteristiken
Hochleistungsdioden.
Bestimmung des dynamischen Abschaltverhalten
Die
Abschaltvorgange
an
den getesteten
Hochleistungsdioden
wurden in zwei
Schaltkreisen untersucht.
Der Schaltkreis nach
a)
Fig. 5-5
zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem die
Abkommutierung des Stroms an der zu prufenden Hochleistungsdiode mit mbg¬
lichst geringer Schwingkreisinduktivitat LCT erfolgt, wobei La nicht diskret aufgebaut
ist, sondern lediglich
Umschwingkreis durch Zuleitung und
Komponenten bedingten Streuinduktivitat besteht. Dies bedingt, dass niederinaus
der im
duktive Elemente verwendet und alle
Verbindungen
im Testkreis
mbgUchst
kurz
gehalten werden.
Der iiber die
Ladespannung VF0 der Kapazitat CF
geleitete Strompuls,
DUT ("Device under Test")
LF
und der resultierenden
einstellbare und iiber die Diode
dessen Verlauf zunachst durch
Schwingkreiskapazitat Cr
-54-
=
1/CF
+
1/CS gegeben ist,
Bestimmung
wird nach SchUessen des Schalters
St ausgelost.
des
dynamischen
Abschaltverhalten
In der Diode DUT wird beim Er-
reichen des Maximalwertes des Durchlassstroms, dieser durch Zunden des
ristors FCTh
("Field Controlled Thyristor [97]") und dem
Vs der Kapazitat Cs
bewirkten
Gegenstrom,
mutierung auftretenden Stromsteilheit
und die Induktivitat
dlp/dt
Thy-
Ladespannung
der
abkommuuert. Die bei der Abkomwird dabei durch die
Spannung Vs
La bestimmt
dIp/dt
=
(5.5)
Vs/La
Nach Auftreten des Ruckstromscheitelwertes
Ruckstrom, abhangig
lastung
von
vom
IRRM
technologischen Aufbau
sehr rasch gegen Null
gehen
in
der Diode DUT kann der
der Diode und / oder der Be-
Mit der bei diesem
Vorgang auftretenden
Spannung proportional der im Kommutierungskreis Uegenden Induktivitat induziert, welche sich der Schaltspannung
Stromanderangsgeschwindigkeit
Vs uberlagert.
wird eine
Eine kleine Induktivitat reduziert also den maximalen Wert im
transienten Verlauf der
Spenspannung
siko einer zerstorenden
Pruning.
Da jedoch in der
wurde ein weiterer Schaltkreis mit veranderhch einstell-
barer Schaltkreisinduktivitat
der ABB
steht
b)
im
haufig
(Fig 5-6) angewandt
fur praxisnahe
wesenthchen
der Diode DUT und vermindert das Ri-
zumeist uber die Grosse der Schaltkreisinduktivitat
Anwendung
verfugbar ist,
nicht frei
an
aus
Belasmngstests
Diese
verwendet
Testschaltung wird bei
[78] Die Schalmng be-
dem Lastkreis und dem Abkommutierkreis
Fig 5-6 wird die Belastung der Diode DUT, durch das
Thynstors RLT! eingeleitet. Die Abkommutierang erfolgt uber das
rackwartsleitenden Thynstors RLT2 Der Strom des Hochspannungs-
Im Schaltkreis nach
Zunden des
Zunden des
kreises fliesst
in
Ruckwartsnchtung durch die Hochleistungsdiode
bis diese
Span¬
nung aufnimmt und den Strom spent
Wesenthches Merkmal dieser Prafschaltung
duktivitat
Ls (»La)
im
Kommutierungskreis
dem erstgenannten Schaltkreis
Parameters
dlp/dt ergibt
ist
(Fig.
5-5) einen
die
Anordnung
der diskreten In¬
Damit gewinnt
Freiheitsgrad
Die
man
gegenuber
Einstellung des
sich durch
dlp/dt= Vs/Ls
-55-
(5.6)
Messschaltungen
zur
Charakterisierung
der Dioden
Spannungs
Messung
^H>^
Messstand
Fig. 5-5
zur
Bestimmung des dynamischen Verhaltens
Hochleistungsdioden.
besitzt eine geringe Schwingkreisinduktivitdt
LG,
storungsfreie Messungen durchgefuhrt werden
il,2,3
v1.2.3.4
Vpr,
VS
=
Momentanwert des Stroms
=
Momentanwert der
=
=
Spannung
=
"Device Under Test"
FCTh
=
"Field Controlled
RF
^El
^E2
RShl,2
s,
S2
LF
Ln
Cs
=
=
Thyristor"
hochohmiger Ladewiderstand
hochohmiger Entladewiderstand
=
Entladewiderstand
=
Shunt-Widerstande
=
Relaisschalter
=
Schutzschalter
=
Induktivitat
=
=
damit
konnen.
Spannungsquelle
Schaltspannung
DUT
zur
von
Der Schaltkreis mit der zu testenden Diode
Schnellentladung
der
Kapazitat
(500uH)
Streuinduktivitat; ~0.8pH
Kapazitat (0.5mF, Maximalspannung 2kV)
-56-
erste zer-
Bestimmung
des
dynamischen
Abschaltverhalten
RLT2
Fig. 5-6
Schaltkreis mit einstellbarer Induktivitat fiir
dynamische
Mes¬
sungen wahrend des Abkommutierens der Testdwde. Dadurch
wird eine bessere
iF
iR
an
=
Momentanwert des Vorwartsstroms
=
Momentanwert des Ruckstroms
vF
=
vs
=
Vpo
Vs0
Cp
Cs
Lp
Ls
Rp, Rs
Anpassung
=
=
=
=
=
=
=
reale Anwendungen eneicht.
Vorwartsspannung
Spenspannung
Niederspannungsquelle (Laststrom)
Hochspannungsquelle (Sperrstrom)
Kapazitat im Lastkreis; 3300pF; Maximalspannung 350V
Kapazitat im Kommutierangskreis; 16pF; Maximalspannung
Induktivitat im Lastkreis; 30 pH
veranderbare Induktivitat im Kommutierangskreis
hochohmige Ladewiderstande
Momentanwert der
Momentanwert der
D
=Schutzdiode;DSD35-16
RLTi^
=
riickwartsleitende
Thyristoren; Maximalspannung
-57-
1200V
1600V
-58-
6. KAPITEL:
Statische elektrische Diodencharakteristiken
nach
6.1
Protonenimplantationen
Einleitung
Dieses
widmet sich den statischen
Kapitel
Eigenschaften
protonenimplanStrom-Spannung-Kennlinien einge¬
gangen, welche mit verschiedenen Implantationsdosen und -energien sowie
verschiedenen Bestrahlungsrichtungen erzielt wurden.
tierten Dioden. Dabei wird
von
allem auf die
vor
Anhand der statischen
Spenkennlinien der Dioden wird demonstriert, dass die
Durchbruchspannung bei Bestrahlungsdosen iiber 5«1012 cm'2 sich wesentUch erniedrigt wird. Eine Modellrechnung zeigt, dass dies durch die im Kapitel 3.7 erwahnten flachen wasserstoffkonelierten Donatoren erklart werden kann. Die
Definition der erwiinschten
Bestrahlungsdosis
Der Leckstrom
damit die maximal verwendbare
fest.
steigt
nach der
der unbestrahlten Diode
schaft aber massiv,
Spenfestigkeit legt
so
an.
Bestrahlung
Eine
um
eins bis zwei Dekaden
optimierte Temperung
dass der Strom bei 2kV
nur
noch
gegeniiber
verbessert diese
Eigen-
einen Faktor 5
grbsser
um
ist als bei der unbestrahlten Diode.
Bisherige
richtung
oberhalb
Annahmen
gingen davon
aus, dass der
massiv erhbht wird. Dies trifft
1*1014
oben erwahnten
cm
zu, dabei
Eigenschaften
handelt
zwar
es
halb
von
betragt,
1»1013 cm"2
der
Spannungsabfall in DurchlassImplantationsdosen im Bereich
sich aber
um
verfugbaren Teilchenstrbmen,
Durch diese Arbeit wird
Spannungsanstieg
gezeigt,
bei 12A
Eindringtiefen
erhbhen die
einem Faktor drei.
-59-
Uegen.
enorm
dass bei Dosen unter-
(~60A/cm2) kleiner als
sofern das Defektmaximum in der Nahe des
wird. Grbssere
Dosen, die aufgrund der
ausserhalb des sinnvollen Dosisbereiches
Ausserdem erfordern solche Dosen mit den
lange Bestrahlungszeiten.
fiir
20%
p+n'-Ubergangs gewahlt
Durchlassspannung
zusatzlich bis
zu
Statische elektrische Diodencharaktenstiken nach
Elektrische
6.2
Protonenimplantationen
Feldstarkeverteilung
in der
p+n'n+-Diode
Anhand der eindimensional berechneten elektrischen Feldstarke ist ersichtlich,
dass die
Raumladungszone
durch die
n+-Stoppschicht begrenzt
Oberhalb lkV
ist
starke bei der
expenmentell bestimmten Durchbruchspannung
beica 1
7M05
die ganze Mittelzone verarmt Der
Betrag
wird
(Fig 6-1)
der maximalen Feld¬
der Dioden
Uegt
V/cm
02
00
02
£
04
>
-0 6
O
-"6
-10
:eldstarke
1 2
n***
-
_
s
'
-ll V
-
-
i
'
_,-"
'
\
ik-V
2
:>-"'
1
^
.
.--'
,^-
-1 4
1
*"**
n ikV^
-0 8
in
,.--
kV
2 ikY
3k
-1 6
^"f 5kV
-1 8
•
20
-50
50
0
Anode
Fig.
6-1
100
150
Distanz
[pm]
200
250
300
Kathode
Mit ABBPISCES errechnete elektrische Feldstarken der p*n'n+-Diode
bet verschiedenen
konzentration der
l-1019cm
Was bewirkt die
angelegten Sperrspannungen Die Dotierungs¬
und fur die Emitter
cm
n -Basis betragt 2>10
3
Protonenimplantation bezugbch
rangskonzentrationen
im
des Feldes7
Solange
die Doue-
Bauelement dieselbe bleibt, darf sich die elektrische
Feldverteilung durch das Einbrmgen der Rekombinationszentren mcht andem Da
wirkungsvolle Rekombinationszentren in der Mitte des Bandgaps Uegen, sollte ihr
Beitrag zur Gesamtdotierang bei Raumtemperatur vernachlassigt werden konnen
Interessanterweise
ment
ist
aber nicht erfiillt,
Dotierung im ExpenAusfuhrungen folgen wird
die Annahme der unveranderhchen
wie aus
den nachsten
-60-
Statische IV-Kennlinien nach
6.3
Statische IV-Kennlinien nach
6.3.1
Dosis-und
der
anodensemger Implantation
anodenseitiger Implantation
Bestrahlungsenergieabhangigkeit
Durchbruchspannung
Der Durchbruch wird
eneicht,
das elektrische Feld
wenn
einen
matenalspezifi-
schen, kritischen Wert uberschreitet. Dieses hohe Feld beschleunigt die Ladungs¬
trager auf eine genugend grosse Energie,
zu
schlagen,
werden
die wiederum
lawinenartig
weitere
um
Trager aus
beschleunigt
Ladungstrager erzeugt.
werden. Durch
weitere
zusatzliche
dem Valenzband
Stossionisationen
Die damit wachsende
Stromdichte kann das Bauteil thermisch zerstoren.
Die Messresultate, welche mit der in
Fig. 5-4 gezeigten Apparatur
erhalten
wur¬
den, demonstrieren, dass die Durchbrachspannungen bei den bestrahlten Dioden
signifikant
von
der
Implantationsdosis abhangig
sind
(Fig 6-2)
Die massive
Erniedrigung der Durchbruchspannung bei Dosen hoher als
M012cm"2 (Fig 6-2) erstaunt.
Diese Eigenschaft ist nicht nur bestrahlungsdosis- bzw defektdichteabhangig,
sondern auch
gegebener
protonenenergieabhangig
Dosis kann die
Die
gewahlte Protoneneindnnguefe
Durchbruchspannung
stark beeinflussen
wirkt eine hohere Protonenreichweite ein starkeres Abfallen der
nung, msbesondere bei
Eine
Erklarung
bei
Dabei be¬
Durchbruchspan¬
kathodenseitiger Implantation.
findet sich in der
Erzeugung
von
zusatzUchen Donatoren und Ak¬
zeptoren in der Basis der Dioden. Mittels
de diese
Feststellung
an
einer Probe
gemessene Widerstand ist zwischen
gang und einer Tiefe
von
75 pm hoch. Hier schemen
ursprangliche n"-Dotierung
folgt
Spreading-Resistance Messungen wur¬
bestatigt (Fig 3-3 in Abschnitt 3.7). Der
dem in 23pm Tiefe hegendem p+n"-Uber-
zu
kompensieren.
eingebrachte Akzeptoren die
Am Ende der Protonenreichweite
ein Abschnitt mit kleinerem Widerstand als die unbestrahlte Mittelschicht
der Diode aufweist ZusatzUche Donatoren erhohen die n'-Konzentrauon Die mit
Widerstandsmessungen
profils betragt
7«1013cm"3 uber
ermittelte Halbwertsbreite des zusatzUchen
in unserem
Bei
der
Eine
Akzeptordichte
Folge
nahe
bzw kann
der ortUch erhohten
am
und
p+n"-tlbergang
vernachlassigt
Feldgradienten in der n"-Basis,
klemerer Spannung eneicht wird
-61-
liegt
betragt 9«1013cm"3.
fehlt der Abschnitt mit der
werden
Dotierungskonzentration
elektnschen
starke bei
Douerangs-
8 pm. Die maximale Konzentration
Gninddouerung 2«1013cm'3
Protonenimplantationen
hohen
Beispiel
ist die
Andemng des
die bewirkt, dass die knusche Feld¬
Statische elektrische Diodencharaktenstiken nach
Protonemmplantauonen
10
Nichl
10
g
E
10
-
10S
-
lmplanuert
lEllcm2
lEIJcm2
5E12cm2
!
-
v
t-
-I
15
20
-
t-
*
:' t
J(-
lEHcm2
o
£
10
~.'r
S
7
8
10
j_
10
00
05
10
25
30
3 5
4
0x10*
Spenspannung[V]
Fig.
Ruckwartsstrom
6-2
che
mit \
von
ungetemperten Hochleistungsdioden, wel¬
erschiedenen Protonendosen bestrahlt wurden Die Ein-
dringtiefe betrug jeweils
25 pm
von
der Anodenseite her
3500
3000
2500
£l
2000
at
>ffl
1500
1000
—i£d
500
0
10'
10
10
N,
Fig. 6-3
10
10
[cm"3]
Durchbruchspannung in Abhdngigkeit der Dotierungskonzentra¬
Ni eines schmalen Bereiches Ax hinter dem pn-Obergang.
Die Grunddotterung N0 betrug 2,1013cm'3.
o expenmentell;
modelhert mit Ax
8 \im.
tion
=
-62-
Statische IV-Kennhmen nach anodenseiuger
Dies kann
und n+
einem einfachen Modell gezeigt werden Nimmt
an
man
Implantauon
an, dass die
p+
sehr viel grosser ist als die n" Dotierung des Mittelstucks der Di¬
Dotierung
ode, und die Ubergange jeweils abrupt sind, kann das elektrische Feld des Mittelstuckes allein
Implantauon
Breite
von
dells unter
Fig.
6-3
8
berucksichtigt werden. Die erhohte Dotierung durch die
gerade hinter dem metallurgischen pn-Ubergang und weise eine
pm auf, was den Proben aus Fig. 6-2 entspncht (Herleitung des Mosei
Anhang C.l)
zeigt,
wie gut das einfache Modell mit den
expenmentellen
Daten uber-
einstimmt.
Die zusatzliche
nicht
n-Dotierung
ubersteigen,
schlechtern Dies
um
die
sollte demnach die Konzentration
Durchbruchspannung
einer zu implantierenden
von
2«1014 cm"3
nicht mehr als 10%
zu ver-
Protonendosis
von ca.
entspricht
5«1012cm-2.
der
Die
Erniedngung
und
anodenseitiger Bestrahlung
Eigentlich
ware
Kompensation
eine
p+n"-Ubergangs
ser
Bereich und die
ist
schwer
bei grossen
zu
Protoneneindringtiefen
verstehen
der Durchbruchspannung zu erwarten, da die
Akzeptoren den Betrag des Feldgradienten in der Nahe
Erhohung
durch die
des
steigt
Durchbruchspannung
verkleinert. Bei grosserer
Durchbruchspannung
Eindringtiefe
bei
gleicher
verbreitert sich die¬
maximaler Feldstarke
an.
Fig. 6-4 zeigt aber deutUch, dass ein anderer Effekt offensichtbch uberwiegt Dies
konnte damit
zusammenhangen, dass die kntische Feldstarke nicht konstant ist.
Fur den Lawinendurchbrach entscheidet nicht
dern ebenso die
Bei
Weglange,
geringem Betrag
Feldstarke durchaus
Die
des
wahrend der die
Feldgradienten
ausschlaggebend
nur
die Grosse der Feldstarke,
Ladungstrager beschleunigt
son¬
werden.
kann die Breite des Bereiches nut hoher
sein fur
emen
verfruhten Durchbrach.
Durchbruchsspannungsemiedngung bei kadiodenseitiger Bestrahlung
wird
in Abschnitt 6.4 diskutiert. In diesem Fall wird der Bereich der maximalen Feld¬
starke nicht beeinflusst und der oben erwahnte Effekt tntt nicht in
-63-
Erscheinung.
Statische elektnsche Diodencharakteristiken nach
i
Fig.
6-4
'
Protonenimplantationen
i
'
i
i
'
r
von ungetemperten Hochleistungsdioden mit
Protoneneindringtiefen von der Anodenseite
Implantationsdosis betrug bei alien Dioden 1x10
Ruckwartsstrom
verschiedenen
her. Die
cm
Fig.
.
6-4 demonstriert auch, dass der Leckstrom mit der
Protoneneindringtiefe zuImplantationsrichtung nicht symmetrisch.
Wahrend es nach Eneichen eines Maximalwertes in tieferen Regionen ganzlich
verschwindet, existiert in weniger tiefen Bereichen noch ein gewisser Prozentsatz
bis zur Oberflache Wird die Eindringtiefe der Protonen erhbht, vergrbssert sich
nimmt. Das erzeugte
Defektprofil ist
in
das Defektvolumen und damit auch der Generationsstrom.
-64-
Statische IV-Kennlinien nach
6.3.2
Dosisabhangigkeit
des Leckstromes
Der statische Leckstrom IR bei der unbestrahlten Diode
aus
dem
und Generationsstrom
Sattigungs-
zusammen.
Dabei ist der Generationsstrom
nerationslebensdauer bzw.
Die Breite der
proportional
Raumladungszone
das Defektvolumen. Da die
men
anodenseitiger Implantation
setzt
sich im wesentUchen
(siehe Gleichungen (2.32)
(2.37))
zu
der Ge-
Implantationsprofils
bestim-
IG umgekehrt proportional
zur
-
Defektdichte.
und die Form des
Ausdehnung
der
Raumladungszone
bei den
un-
tersuchten Dioden auf die Breite der n'-Basis beschrankt ist, sollte die
Strom-Spannungscharakteristik bei den unbestrahlten Referenzdioden oberhalb
lkV nur von der Bestrahlungsdosis bzw. von der mittleren Stbrstellendichte des
Implantationsprofils abhangen. Im Experiment fallt aber auf, dass auch nachdem
die Raumladungszone die Stoppschicht n+ eneicht hat, der Strom noch weiter ansteigt (Fig. 6-6 punktierte Linie).
Der Leckstrom wird demnach auch
(Fig. 6-5 und
Fig.
von
der
Strom zusatzlich durch die halbisolierende
muss
der Strom
spezifischen
vom
Uerenden Schicht, sowie
Simulationsrechnungen
von
beeinflusst
von
Spannung ansteigender
Passivierungsschicht fliesst. Dann
Widerstand und der Schichtdicke der halbiso-
der Geometrie des Randabschlusses
mittels PISCES haben
gezeigt,
lkV elektrische Felder auch in einem raumlich
sivierungsschicht
der
angelegten Spannung
6-6). Es ist denkbar, dass ein mit der
auftreten
Sperrspannung
dass ab einer
begrenzten
IP
zunehmen-
und fliesst in immer weiteren lateralen
Bereichen durch die SlPOS-Schicht. Im
strom, welcher mit der Breite der
Spannung
Gebiet in der Pas¬
[76]. Damit fliesst dort ein Strom IP. Bei
erhbht sich
nicht mehr zu, da sich die
abhangen.
Gegensatz
dazu nimmt der Generations¬
Raumladungszone koneliert, oberhalb
Verarmungszone
lkV
uber das ganze n'-Gebiet der Diode
erstreckt. Somit beeinflusst die
Spenspannung unterhalb 1 kV den Generations¬
strom Iq in der Raumladungszone und oberhalb dieses Wertes den Strom IP durch
die Passivierungsschicht.
Die mit der in
Fig.
5-4
gezeigten Apparatur erhalten Messresultate demonstrieren,
dass sowohl der Leckstrom, als auch die
ungetemperten Dioden
6-5 und
signifikant
von
Fig. 6-2).
Bei hohen
Blockierspannungen
ist der
Ein
Sattigungsstrom Is bei Raumtemperatur
Beitrage zum Leckstrom.
der
Defektdichte
sollte deshalb
Erhohung
kleiner als die beiden anderen
Grbssenordnungen
allfalUger Einfluss auf Ig durch
vemachlassigt werden kbnnen.
um
Durchbruchspannung bei den bestrahlten,
Implantationsdosis abhangig sind (Fig.
der
die
-65-
Statische elektrische Diodencharakteristiken nach
Die Proben wurden bei der
flussung des
Protonenimplantationen
Bestrahlung
Randabschlusses und der
maskiert.
Deswegen
sollte keine Beein-
Passivierang stattgefunden
haben. Es kann
also davon ausgegangen werden, dass derselbe Anteil des Stromes, wie bei der un¬
bestrahlten Diode durch die SlPOS-Schicht fliesst.
Erhohung
Mit der
der
Implahtationsdosis
wachst
vorwiegend
der Generations¬
aufgrund der erhohten Defekt-, bzw. Generationszentrendichte in der
Raumladungszone. Wie in Fig. 6-5 bei Raumtemperatur demonstriert wird, ist der
Spenstromanstieg im gemessen Bereich linear zur Implantationsdosis.
strom,
lR(D,V)
mit
und
=
IG(D,V)+Is(D)+Ip(V)
=o(V)-D
+
P(V)
(6.7)
3.88-1019, p(lkV) 0.91-10"7
a(2kV) 5.44-10"19, p(2kV) 1.42-10"7
a(lkV)
=
=
=
=
Eine Linearitat der Defektkonzentration
Dosen bis
5»10'' cm'2
und grosser
zu
dem Protonenfluss wurde fiir kleine
Protonenenergie
von
10 MeV auch durch
[37]
bemerkt.
Bei
hoher Dosis ist
zu
tigung
jedoch
vollstandigen Amorphisierang
wegen der
eine Sat-
zu erwarten.
10 0
75
1
-
1
'
'
1
1
'
1
*IRbeilkV
-
OlRbei2kV
E
O
50
1
<u
OD
25
00
-
S=?
1
1
1
1
.
1
10
Dosis [
Fig.
6-5
-2
cm
Leckstromanstieg durch Einbringen
Protonenimplantation.
Protoneneindringtiefe: 25pm
]
von
Rekombinationszentren mit¬
tels
-66-
von
12x10''
der Anodenseite
Statische IV-Kennlinien nach
anodensemger Implantauon
Es
muss beracksichtigt werden, dass die SpenkennUme auch empfindhch von der
Knstalltemperatur abhangt Bei gleicher Spenspannung nimmt der Spenstrom
steigender Temperatur, infolge erhohtem Anteil
mit
gem,
zu
(Fig 6-6) Modellrechnungen
ratur schon eine
zeigen, dass
Temperaturveranderung
intnnsischen
an
in
der Nahe der
3°C den
von
Ladungstra¬
Raumtempe¬
Leckstromanstieg
zwischen lkV und 2kV erklaren kann
10
'
i
'
i
i
i
-^
<10
60°
c
'
i
___-^rrrr^T
-
6
% 10*
40°
C
^"„y
____
CA
b
t/J
"^^
J5^£__
u
10
:
10
00
05
1
1
1
p
1
10
15
20
25
30
35
Spenspannung [kV]
Fig. 6-6
Leckstrom
einer
unbestrahlten (punktiert) und
plantierten (ausgezogen)
einer
protonenim-
Diode bei verschiedenen Kristalltem-
peraturen
Am
Anfang
oden,
des
je nach
Unterkapitels
angelegter Spannung, hauptsachhch
oder dem Strom
sich dabei
wurde erwahnt, dass der Leckstrom solcher Di¬
IP
wie em
durch die
Passivierung
dem Generationsstrom
aus
Iq
besteht Die SlPOS-Schicht verhalt
ohmscher Widerstand
Beide Strome wachsen wegen der
sentUchen
proportional
zu
Erzeugung thermischer Ladungstrager im we¬
exp[-AE/2kT] mit der Temperatur an (Fig 6-7) Dies
gilt
ebenfalls fur die unbestrahlte und die elektronenbestrahlte Diode
Der
uberwiegende
denen
um
Stromanteil besummt die
Ladungstrager
welches Material
Aus dieser
es
Energie
sich handelt, bzw
wo
belle 4 sind die
entsprechenden
Zum
ist die Tabelle noch nut der
Vergleich
dungstragem
in
der
gemessenen
Raumladungszone und
40 at% Sauerstoff erganzt
-67-
Akuvierungsenergie
AE der
konnen Ruckschlusse gezogen
der
Hauptstromanteil
gebun-
werden,
fliesst In Ta¬
Akuvierungsenergien eingetragen
Energie fur die Generauon von La¬
der
Energie
einer
SlPOS-Schicht mit
Statische elektrische Diodencharakteristiken nach
IU
1
v.
A
"^
1
1
Protonenimplantationen
'
1
'
'
1
'
1
1
;
%
f—'%
E
o
Ui
IkV
"N*^ ^S~S\.
8.10
^
C/3
10''
30
i
i
1
31
32
33
1
.
1
.
1
.
,
36
35
34
1
1
37
38
.
39
l/kT[l/eV]
Fig.
Stromanstieg
6-7
Spannung
in
einer bestrahlten Diode wie in
Um den Effekt des oberen
Stromanteil bei IkV
von
Aktivierangsenergien
gie
dem
von
Spannungsbereiches
demjenigen
betrachten
Trager,
Aktivierangsenergie
Raumladungszone vergleichbar
zu
kbnnen, wurde der
abgezogen. Vergleicht
bei 2.8kV
fiir die zusatzUchen
bei 1 kV eher mit der
gem in der
Fig. 6-6 bei fester
Abhangigkeit der Temperatur.
so
fiir die
Erzeugung
AE/2 bei IkV
AE/2 bei 2kV
(eV)
(eV)
Original
0.648±0.011
0.710±0.018
H+-implantiert
0.659±0.0O7
0.685±0.007
0.659±0.013
0.672+0.012
AE/2 (eV)
RZ[68]
SIPOS mit
0.64
0.68
40at7r 0 [76]
-68-
Ladungstra¬
entspricht gut
von
ist. Der Wert bei 2.8kV
Tabelle 4
-bestrahlt
die
ist erkennbar, dass die Ener¬
[76] ermittelten Wert fiir die SIPOS- Schicht (Tabelle 4).
e
man
Statische IV-Kennlinien nach
anodenseitiger Implantation
Bei den bestrahlten Dioden setzt ab etwa 2.5 kV ein zusatzlicher weicher
eller
Anstieg
gradu-
des Stromes ein und endet im Durchbrach. Dies konnte bei den
bestrahlten Elementen nicht beobachtet werden. Es
muss zuerst
eine
un¬
gewisse
Schwelle der Feldstarke iiberschritten werden, damit dieser Effekt auftritt. Diese
Eigenheit
kann nicht
von
strahlung abgedeckt und
Weitere
Randeffekten kommen, da die Randzone bei der Be¬
somit nicht beeinflusst wurde.
MbgUchkeiten sind Tunneleffekte und
mit Hilfe der
eingebrachten
friih einsetzende Stossiomsation
Stbrstellen.
Das Durchtunneln der Potentialbaniere im SiUzium mit Einbezug der Defekte be-
notigt
zu
wesentlich kleinere Felder als beim Tunneln der
Band
chen.
(Feldstarken
von
Voraussetzung ist,
iiber
1«106 V/cm)
um
Ladungstrager
signifikante Strbme
dass die Defekte nahe der Mitte des
mit die WahrscheinUchkeit des Tunnelns
vom
einen Band
von
Band
zu verursa-
Bandgaps Uegen, da¬
zur
Defektstelle, sowie
steigt der Besetzungsgrad der
Defekte an und sattigt sich bei vollstandiger Besetzung.
Die Temperaturabhangigkeit der Durchbruchspannung ist beim Tunneln anders
von
dieser ins andere Band etwa
gleich
ist. Sonst
als bei der Stossiomsation. Beim Tunneleffekt sinkt die
Durchbruchspannung bei
aufgrund der Erniedrigung der Energiebandbreite. Dage¬
die
Durchbruchspannung bei der Stossiomsation mit hbherer Temperagen steigt
nir an. Die Ursache liegt im Energietransfer, der durch das elektrische Feld
wachsender Temperatur
beschleunigten Ladungstrager
der
Raumladungszone
-69-
auf optische Phononen
[69].
Statische elektrische Diodencharakteristiken nach
Statische IV-Kennlinien nach
6.4
Bei der
Tiefe
Protonenimplantationen
kathodenseitiger Implantation
kadiodenseitigen Protonenimplantation
32 pm
von
wurden
gezielt
Stbrstellen in eine
Damit befinden sich die Defekte in der Nahe des
eingebracht.
n"n+-Ubergangs. Im Gegensatz zu der anodenseitigen Bestrahlung
der p+n'-Ubergang nicht beeinflusst.
Die Generation
von
Ladungstragem
am
Ort der maximalen elektrischen Feldstar¬
ken wird nicht durch zusatzUchen Stbrstellen
defektassistierten Tunnelns der
Trager
begunstigt.
Die
Mbglichkeit
eines
oder ein durch die Stbrstellen verursachtes
friihes Einsetzen der Stossionisation ist dadurch nicht
steigt deswegen,
wird dadurch
gegeben.
Der Stromfluss
wie bei der unbestrahlten Diode, erst im Durchbruch
enorm an
(Fig. 6-8).
Im Unterschied
gen unter
ne
sich
zu
der
anodenseitigen Bestrahlung
1 kV bei alien
Bestrahlungsdosen gleich.
ist der Leckstrom fiir
Erst
wenn
die
Spannun¬
Raumladungszo¬
genugend ausgebreitet hat und den Teil des Bereiches mit der erhohten
steigt der Leckstrom entsprechend an. Auch dies
Defektdichte miteinschliesst,
wird in
Fig.
6-8 demonstriert,
n+n"-Ubergang liegen
und
wo
erst
die
bei
protoneninduzierten
ca.
900 V
von
der
Stbrstellen nahe beim
Verarmungszone einge-
schlossen werden.
Bei grbsserer
kleineren
Eindringtiefe
Spannungen
der Protonen eneicht die
Raumladungszone
das Volumen mit der erhohten Stbrstellendichte
Befinden sich die Defekte in der Mitte der n"-Basis, ist fiir den
Betrag
schon bei
(Fig. 6-9).
des Leck-
Spannungsbereich zwischen 0 und 2kV zwischen der Anoden- und der
Kathodenimplantation kein wesentlicher Unterschied sichtbar. Oberhalb 2kV
stroms im
nimmt der Leckstrom nach
anodenseitiger Implantation graduell
kathodenseitiger Implantation
der
Ubergang
Je naher die Stbrstellen aber beim
erniedrigt
sich
Durchbmch
zu, wahrend
abrupt
n-Dotierung
entsprechend.
-70-
ins Gewicht und die
bei
verlauft.
metallurgischen p+n"-Ubergang Uegen,
mehr fallt auch die zusatzliche
nung
zum
desto
Durchbruchspan¬
Stausche IV-Kennlinien nach
1.0
2 0
15
2 5
kathodenseitiger Implantauon
3 0
Spenspannung [kV]
Fig. 6-8
Ruckwartsstrom
mit
von
ungetemperten
tiefe betrug jeweils
32 \im
Nicbt
:
IO"3
io-4
<
IO"7
-
64 um
\
-
90\ua
—-
IO"9
-
-
*'
^>
*
1
-
j-
i
£i-^**^—
lf^
-I-'
.
_+
.
JT
—1-
-
-
--h_i_l
~"~
.
/->kS
r
'
1
i
138 um
oo
IO'8
'
"
-*•
I
g IO"6
I
'
47 um
i
o
1
Implanuert
32 um
;
Eindring¬
der Kathodenseite her
von
1
F
„
Hochleistungsdioden, welche
verschiedenen Protonendosen bestrahlt wurden Die
~
f
i
*
•
•
1
i
-
7
7
0
-
-
7
r
~
1
1
.
.
05
1
10
.
1
1
15
20
,1.1
25
30
35
40
Spenspannung [kV]
Fig.
6-9
von ungetemperten Hochleistungsdioden mit ver¬
Protoneneindringtiefen von der Kathodenseite her Die
2
Implantationsdosis betrug bei alien Dioden IxW12 cm
Ruckwartsstrom
schiedenen
-71-
Statische elektrische Diodencharakteristiken nach
Einfluss der
6.5
Bestrahlung
Protonenimplantationen
auf den Randabschluss und die
Passivierungsschicht
Es hat sich
gezeigt, dass die Maskierang
Passivierang
der
und des
darunterliegen-
den Randabschlusses erheblich bessere Resultate Uefert, wie ohne
Die
Bestrahlung
mit MO
die
der Dioden ohne
A etwa eine Dekade hoher
Passivierung
schatzung ergibt
nen
nur
Veranderung
Uegen.
liegt als
einen
nur
Folge
die
einen
um
des
grbsseren
Abdeckung.
Leckstrom, der
denjenigen Dioden,
bei
durch eine 1mm dicke Aluminiummaske
6-10). Dies kann nicht
der
Maskierang verarsacht
geschiitzt
bei denen
war
(Fig.
Defektvolumens sein. Eine Ab-
den Faktor 2 grbsseren Strom. Die Ursache kann in
der elektrischen
Eigenschaft
der
Passivierang durch
die Proto¬
denkbar, dass zusatzUche Generationszentren in der
Es ist aber auch
Grenzschicht SIPOS-SiUzium dazu beitragen. Die schematische
Fig.
6-11
zeigt,
dass im
Randgebiet die
Darstellung in
Raumladungszone eine erhbhte Ge-
ganze
nerationszentrendichte aufweist, wahrenddem unter der
p+-Schicht nur ein schma-
ler Bereich hoher Defektdichte erzeugt wird.
Daneben
erniedrigte
sich die
i
IO"3
Durchbruchspannung um
''
i
'
i
,
,
.
|
,
,
,
,
|
,
ca.
,
,
,
IkV auf 2kV.
,
|
/H+impiantiert
—
,
,
r-r~
/
-1
IO"4
S
ohne Maske
10-5
mit Maske
r
j
"I
g IO"6
8. IO7
—!
/
L
-i
—
unbestrahlt
V5
10s
IO"9
1
-;
-
~!
..
0
i
i
....
0.5
....
1.0
i
I
.
1.5
2.0
2.5
3.0
,
3.5
4.0
Spenspannung [kV]
Fig. 6-10
Vergleich zwischen Protonenimplantationen mit
der Passivierung am Rand der Dioden.
Maskierung
Protonenergie: 1.25 MeV; Implantationstiefe: 25pm;
Dosis:
5-1012cm'2;
Maskierung: Aluminium der Dicke
-72-
lmm
und ohne
Einfluss der
Bestrahlung
auf den Randabschluss und die
Passivierungsschicht
Ig
RZ
n-
Fig. 6-11
Schematische
Darstellung
eines Ausschnittes der Diode im Randbe-
reich nach einer unmaskierten
Bestrahlung. Die bestrahlte Zone
Defektdichte (grauschattiert) gegeniiber der unbehandelten Diode auf. Eingezeichnet sind der Leckstroms lP durch
weist eine erhbhte
die SIPOS Schicht und der Generationsstrom
Iq
durch die Raumla¬
dungszone und entlang der Grenzschicht SIPOS-Silizium.
Diese Resultate
zeigen deutUch, dass Bauelemente mit planaren Randabschliissen
nicht umbedingt fiir Protonenimplantationen ohne Maskierung geeignet sind. Die
meisten modemen Leistungsbauelemente haben aber einen pn-Ubergang, der sich
bis zum Rand ausdehnt. Zur Vermeidung hoher Feldstarken durch Randeffekte
haben diese Bauteile schrag angeschUffene Kanten, welche die Feldverteilung
verandern. Diese Elemente diirften fiir eine maskenlose
eignet
sein.
-73-
Implantierung
besser ge¬
Statische elektrische Diodencharakteristiken nach
Einfluss der
6.6
Fig.
Temperung
Protonenimplantationen
auf die IV-Kennlinien
6-12 demonstriert, das nach einer
Temperung durch die Reduktion der Ge-
samtzahl der Rekombinations bzw. Generationszentren auch die Leckstrbme
niedrigt
werden. Nach einer
isothermen
optimalen
Tempemng
wahrend einer Stunde wird der Leckstrom stark reduziert und ist
nur
er-
mit 290°C
typischerweise
noch einen Faktor 4 bis 5 Uber dem Wert der unbestrahlten Dioden.
Die ebenfalls beobachtete
sen, dass
bei der
der
Verbesserung
lasst darauf schlies-
Spenfestigkeit
der wasserstoffkoneUerten Donatoren
Temperung auch einige
ausheilen.
1
HT3
'
'
'
'
1
'''
'
1
'
'
'
'
1
'
'''|'''' l"'
,
.
/
/
r
,•
t
H+ implantiert
l(y4r
r
i
1
/
*
;
;
i
/
r
i
:
»
i
l
i
i
/
„
$ IO"5
'
'
'
!
'(
—
:
.
•
;
:
;
-j
io-6
Q.
unbestrahlt
10
,-8
!
e" bestrahlt
IO"9
getempert
-
i....
0
0.5
i
....
i
....
i
....
2.0
1.5
1.0
i
...
2.5
.
i
....
3.0
i
n
...
3.5
.
4.0
Spenspannung [kV]
Fig.
6-12
Ausheizen (290°C, 60Min.) reduziert den Leckstrom
tonenimplantierten
Dioden
(Protonenergie:
tationstiefe: 25\im; Dosis:
nichtimplantierten
von
1.25 MeV;
pro-
Implan-
5'1012cm'2). Verglichen
mit
Dioden ist der Strom der getemperten Di¬
oden bei
VR=2kV nur einen Faktor 4 5 hoher.
Gegeniiber elektronenbestrahlten Dioden (Energie: 1.5 MeV;
Dosis: 1.2'1015cm'2; Temperung: 280°C, 20h) ist der Leck¬
strom mit einem
-
Faktor
von
-74-
-1.3
nur
unwesentlich grosser.
Durchlasskennhmen
6.7
Die
im
Vorwartsbetneb
Durchlasskennlinien im Vorwartsbetrieb
Strom-SpannungskennUnien
Raumtemperatur
Spannungsabfall
(~24A/cm-2)
der Dioden wurden mittels Curve-Tracer bei
und bei 150°C gemessen. Wie
Einbringen
durch das
wachst der
Spannungsabfall
auf 1.45 V fur Dioden mit
erwarten, erhoht sich der
von
p+n-Ubergang.
(Fig. 6-13).
Bei 5A
1.1 V fur
Implantationsdosen
fektdichte 5 pm hinter dem
zu
der Storstellen
von
Dies
nichtimplantierte Dioden
1*1013 cm'2 und gosster De¬
entspricht
einer
Erhohung
von
30%.
Durch eine
geeignete Temperung regeneriert
sich das
zerstorte
Knstallgitter
auf die erwiinschten Rekombinationszentren. Damit verbessert sich der
nungsabfall
erhebUch. Die
Durchlassspannung
minderte sich durch das Ausheizen
Wegen
um
18%
der erhohten Dichte thermischer
triebstemperaturen in
der
10
Regel geringer
10
als bei
die
Spannung
10
'
10'
]
Durchlassrichtung bei Raumtemperatur
Abhangigkeit der Protonemmplantationsdosis.
Die Eindringtiefe betrug 25\lm von der Anode her
Spannungsabfall
in
und bei 125°C in
Im
Vergleich dazu
bei 12 A:
Original:
RT: 1.1 V; 125°C: 0.9 V
e-bestrahlt:
RT: 3.3 V; 125°C: 2.6 V
-75-
ver-
bei grossen Be-
Raumtemperatur.
10
cm
Beispiels
1.45 V auf 1.2V.
Trager ist
Dosis [
Fig. 6-13
des oben erwahnten
von
bis
Span¬
Statische elektrische Diodencharaktenstiken nach
Protonenimplantationen
Vergleich nut elektronenbestrahlten Dioden zeigt deutlich, dass
nungsabfall von protonenimplantierten Dioden wesentUch niedriger ist.
Der
betragt
nung
1.9V bei
der
Span¬
Span¬
12A, wahrenddem elektronenbestrahlte (Dosis. 1.2«1015
Die
), getempene Dioden des gleichen Typs bei 12 A einen Spannungsabfall
cm
verniinftigen Vergleich
Abschalteigenschaften mitberucksichtigt werden,
3.27 V haben Fdr einen
schen
mussen
aber auch die
dynami¬
Kapitel
welche in
von
7. dis-
kutiert werden
50
Fig.
6-14
Spannungsabfall
und bei 125° C
Eine
grossere
tor 2
Durchlassrichtung bei Raumtemperatur
Abhangigkeit der Protoneneindnngtiefe
her Dosis: l'1012cm'2
Vergleich dazu
bei 12 A
Original-
RT 1 1 V; 125° O 09 V
RT 3 3 V, 125°C- 2 6V
des Defektdichtemaximums in die Mitte der n'-Basis durch
Protonenenergien vergrossert
bei 1A und
von
•
e-bestrahlt-
Verlagerung
150
[pm]
in
der Anodenseite
Im
in
100
75
Tiefe
einen
die
Faktor 3 bei 12A
Vorwartsspannung
(Fig. 6-14).
etwa
um
Dies ist die
einen Fak¬
Folge
eines
ver-
grosserten Storstellenvolumens in der Diodenbasis Interessanterweise kreuzen
sich bei Strdmen uber 6A die beiden Geraden fiir
einer Tiefe zwischen 50 und 60 pm Nahe
hohen
fe ist
Temperaturen geringer
es
genau
als bei
Raumtemperatur
ist die
pn-Ubergang
Raumtemperaturmessungen
am
umgekehrt
Fur dieses Phanomen konnte keine
Erklarang gefunden
-76-
werden.
und 125°C in
Spannung
bei
In grosser Tie¬
7. KAPITEL:
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation und
optimierter Temperung
7.1
Im
Einleitung
vorhengen Kapitel
fall in
wurden die statischen Charakterisuken,
oder
wie
in
Spannungsab¬
ProtonenDurchlassrichtung
Blockierfahigkeit
Spemichtung,
implantierten Dioden diskutiert und demonstriert, bei welchen Protonenenergien
und Dosen die Verschlechterang dieser Eigenschaften gering gehalten werden
von
kann.
Der grosse Vorteil der
Protonenimplantation Uegt aber in der signifikanten Ver¬
besserung der dynamischen Abschalteigenschaften, insbesondere der Ruckstromspitzen und der Abschaltzeiten. Gegenuber den elektronenbestrahlten Dioden
besticht das "soft-recovery" Verhalten, welches gewahrleisten, dass beim Schalten solcher Elemente die induzierten Uberspannungen vermindert werden.
Die
dynamischen Abschalteigenschaften
der bestrahlten
Hochleistungsdioden
werden mittels zwei verschiedenen Schaltkreisen demonstriert und diskutiert.
Wahrend im einen Aufbau ohne
RC-Beschaltung
brach der Umiuerende Faktor ist,
begrenzen
der
der
in
dynamische
zweiten
verarsacht durch hohe Stromdichten
Uberbelastungen,
Leistungsfahigkeit.
7.2
Das transiente Abschaltverhalten
Die in
Vorwartsrichtung geschaltete
weniger
von
Ladungstrager
von
Diode wird
uberschwemmt
je
am
Lawinendurch-
Schalmng
thermische
Rand der Dioden, die
Hochleistungsdioden
nach Stromdichte mehr oder
(Fig. 7-1) Die mittlere Elektronen¬
abhangig [67]
Mo-
dichte uber dem
Mittelgebiet
dellrechnungen
haben gezeigt, dass bei den untersuchten unbestrahlten Dioden
die
Minoritatstragerdichte die,
tatstragerdichte
Die
ist
ausserdem
der
von
Dotierung
dessen Breite
der Basis
bereits bei Stromdichten ab 1 Acm
Bedingung fur Hochinjektion
entsprechenden, Majori-
um ein
Vielfaches
ubersteigt.
ist also schon bei relativ geringen Stromdichten
gegeben.
-77-
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation
und
optimierter Temperung
1020T
IO'8
IO16
IO14
e
o
•a
IO12
a
b
c
N
C
o
U.
u
60
IO10-
IO8
IO6
OAcm
:C5
IO4
Elektronen
Lbcher \
IO2
-50
0
50
Fig. 7-1
150
100
Anode
Tiefe
200
300
250
Kathode
[pm]
Elektronen- und Ldcherkonzentration im statischen Durchlassbe-
trieb der unbestrahlten Dioden bei verschiedenen Stromdichten.
Berechnet mittels ABBPISCES.
Damit die Diode nach dem Abschalten den Stromfluss spenen
tallurgische p+n"- Ubergang
aufnehmen kbnnen. Dazu
befreit werden. Dies
p+-Emitter
die
die voile in
muss
dieser
geschieht
muss
der
me-
Ruckwartsrichtung angelegte Spannung
vollstandig
von
einerseits durch
und der Elektronen in den
kann,
den freien
Absaugen
Ladungstragem
der Lbcher in den
n+-Emitter, durch Diffusion
der Lbcher in
n+-Schicht, bzw. Elektronen in die p+-Schicht mit folgender Rekombination,
aber auch durch Rekombination
Verzbgerangszeit
dung
ist also
von
gegeben
Elektron-Loch-Paaren in der n'-Basis. Die
dutch Rekombinationsrate,
gespeicherte
La-
und durch den ausseren Schaltkreis, welcher den Stromfluss bestimmt, mit
welchem die
Trager
in die Emitter
getrieben
werden. Die
Tragerverteilungen
Abkommutiervorgangs sind in Fig. 7-2 und Fig. 7-3 zu verschiede¬
nen Zeitpunkten dargestellt. Ausgegangen wird von einem Vorwartsbetrieb mit
einer Stromdichte von 225 Acm'2 und einem Vorwailsspannungsabfall von 2.4 V.
wahrend des
Umgeschaltet
wird auf eine
gang des Stromes
betragt
Ruckwartsspannung
die berechnete
-lkA/ps.
-78-
von
-1700 V. Beim Nulldurch-
Stromanderung
pro Zeiteinheit
ca.
Das transiente Abschaltverhalten
\
von
\
1
Hochleistungsdioden
\
>.
.
a\ % a\si3s»
OC;
I
OO
o*
II
oc
\ C^.'s
^J
^ j
—
j
oo
; r-.
id;
C
I
»
jd'o':/ %
''
1 « i II
.
d
—
II
!
-
-
-,_
-
J_
0
50
100
Anode
Fig.
Modellierung
7-2
150
Tiefe
Kathode
[pm]
der Abschalttransienten
Lochern in
von
derp+n'n+-
Diode (ABBPISCES).
10
ia20l
'
'
'
'
1
'
'
'
1
'
'
1
1
1
'
'
'
'
1
'
'
r"t=0us
e
o
•a
s
c
u
[4'
ii
C
O
a
u
{
IO15 7 a I
1% I
N
M
/""
f
i a
~
jS
IO10
-
-...
c
o
\
y
1°
1 i
I
"
/
I
I
! a
i d
o
'""-•.
"'\
^l
\\..\:^:::in
(
i a
IP
I 3!
a
OO
°°
30
'!
d
S
i
II
II
••~s
.-
a
3
o
d
ii
h
s
105
/
-
ft
i
.•$,''"
\ /;•;#'"
p^r,,
0
Anode
Fig. 7-3
i,,,,
50
i
.
.
,
100
1
150
Tiefe
.
1
.
.
.
1
.
.
250
[pm]
Modellierung der Abschalttransienten
p+rin*-Diode (ABBPISCES).
-79-
.
200
Kathode
von
Elektronen in der
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation
und opumierter
Temperung
S
,0
>
o
5
1
1
50
0
1
1
I
1
7-4
1
1
..
Tiefe
Berechnete axiale elektrische
p+n
1
I
1
150
100
Anode
Fig.
098us
0 88us
0 73us 0 81ns
J*
u
200
[pm]
Feldverteilung
j
250
Kathode
der untersuchten
n+-Diode (ABBPISCES)
10
Zeit t
Fig.
7-5
Berechnete Strom- und
[ps]
Spannungstransiente
p+n n+-Diode (ABBPISCES)
-80-
der untersuchten
Abschaltverhalten der
protonenimplanuerten Hochleistungsdioden
Etwa eine halbe Mikrosekunde nach Einsatz des
Tragerkonzentrationen infolge
die
von
nach
optimierter Temperung
Abschaltvorgangs beginnen
sich
Riickstromfluss und Rekombination
merklich abzubauen. Der Abbau der Lbcherinjektionsdichte setzt dabei kathoden-
seitig
ein und breitet sich mit zunehmender Dauer sukzessive gegen die Anode
Gleichzeitig wird aber
des p+n"- Ubergangs reduziert.
hin
aus.
auch der Lbcheranteil in der n-Basis in der Nahe
anodenseitig und breitet sich gegen die KaSpenspannung wird schneller aufgebaut als sich die Raumladungs¬
zone ausbreiten kann. Folge davon ist eine Uberhbhung der elektrischen Feldstarke
Fiir die Elektronen beginnt der Abbau
thode
aus.
Die
wahrend des
welche den maximalen Wert des
Abkommutiervorgangs,
erreichten stationaren Falls
um
175%
ubersteigt (Fig.
7-4 und
am
Schluss
Fig. 6-1).
Tragerdichteabbau im wesentlichen vollendet
Spenspannung (Fig. 7-5) uber der Diode aufgebaut.
Nach einer Mikrosekunde ist der
(Fig. 7-2+Fig.
7-3) und die
Nettotragerdichte
Die
der aktiven n'-Zone
wahrend des
am
Abschaltvorganges
bleibt im Mittelbereich
langsten hoch und tragt wahrend dieser Zeit zum Strom
(Fig. 7-2) zeigt, dass in einer sehr kurzen Zeitspanne
bei. Das modellierte Beispiel
10
von
ns
auch dieses Gebiet verarmt
ist,
was
bewirkt, dass der infolge des Tr3-
gerstaueffektes fliessende Spenstrom plbtzlich abreisst und eine Spannungsspitze
an der Induktivitat erzeugt, welche die Bauteile im Schaltkreis gefahrdet.
Eigenschaft wurde experimentell
statigt.
Diese
Abschaltverhalten der
7.3
Hochleistungsdioden
Fig.
7-6
zeigt
Spenspannungen
ab 1400V be-
protonenimplantierten
optimierter Temperung
nach
typischen Verlauf der Stromtransienten von protonenimplanti¬
Vergleich mit den nichtbehandelten und den elektronenbestrahl-
den
erten Dioden im
ten
fur hohe
Dioden.
Im Falle
Volumen
von
elektronenbestrahlten Dioden wurde die Lebensdauer im ganzen
erniedrigt.
Die Grafik
zeigt, dass innerhalb
ca.
400
ns
die ganze Basis
entleert ist und kein wesentlicher Strom mehr fliessen kann. Im Gegensatz dazu
protonenimplanuerten Bauelementen im nichtbestrahlten Bereich unverandert niedrig und das Gebiet dient als Trageneservoir,
welches laufend Trager in die Raumladungszone injiziert. Damit erniedrigt sich
ist die Rekombinationsrate bei
der
Betrag des Riickstrom
nur
langsam
ionaren Leckstrom.
-81-
von
dem Riickstrommaximum
zum stat¬
Transientes Abschaltverhalten nach
5"
ProtonemmplantaUon
und
optimierter Temperung
-50
o
b
t/3
100:
-150:
-200
Zeit
Fig.
7-6
[ps]
Typisches dynamisches Abschaltverhalten
Dioden. Em Vorwartsstrom
Txpen
von
wurde
auf eine Sperrspannung VR
A
B
Onginaldiode
Protonemmplantierte Diode-
=
von
von
IF
Elektronenbestrahlte Diode Dosis
60 Min.
2'1014cm'2,
der Abschaltzeiten durch
Verkiirzung
In der Literatur henscht
Dies erschwen den
Philips
mes
zum
20 h.
Protonenimplantation
Uneinigkeit bezuglich der Definition
Vergleich
Beispiel
A/cm'2)
l,10J2cm'2;
Dosis
Elektronenenergie 1.5 MeV, Temperung 200°C,
7.4
(95
20A
-540V geschaltet.
Eindringtiefe 48 pm; Temperung 292°C,
C
drei verschiedenen
=
der Abschaltzeit X„.
zwischen den Dioden verschiedener Hersteller.
nimmt die Zeitdauer zwischen dem Nulldurchgang des Stro-
Riickstromspitze (Fig. 7-7a).
Nulldurchgang der Stromtransienten und
und dem Eneichen des 10% Anteils der
Bei anderen ist t^ durch den
Punkt B, welcher durch den
definiert wird
Schmttpunkt
(Fig 7-7b), gegeben
-82-
der Geraden
(AjA2)
mit
einem
der Zeitachse
Verkiirzung der Abschaltzeiten durch ProtonemmplantaUon
25%
90%
*RRM
von
von
IRRM
Irrm
RRM
t
10%
10%
10%
Irrmo
von einer
!rRM2
Vergleichsdiode
!rrmi
Irrmi
Fig.
7-7
RRM
Schematische
schreibung
Darstellung verschiedener Definitionen
zur
Be-
der Abschaltzeitdauer trr
a) tTT beschreibt die Zeitspanne der Stromtransienten zwischen
Nulldurchgang
und Eneichen des 10% Anteils der Ruckstrom-
spitze
b) Strom-Nulldurchgang und Schmttpunkt B der Geraden (AtA2)
mit
der Zeitachse bestimmen die Abschaltdauer trr
c) Verschiedene Irrm
-
Werte fuhren
zu
unterschiedlichen trr, die
schlecht mitemander
verghchen werden konnen
Eine
d)
Vergleichsdiode bestimmt den 10% Anted
stromspitze Dieser Wert
definiert den
bei alien untersuchten Dioden
-83-
zu
ihrer Ruck-
erreichenden Ruckstrom
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation und optimierter Temperung
Beide Definitionen haben den Nachteil, dass Dioden mit verschiedem dIR/dt nicht
miteinander
spitzen
der
verglichen
werden kbnnen,
vergleichenden
zu
wenn
die Absolutwerte der Ruckstrom-
Dioden nicht den
gleichen Wert aufweisen. Es
macht namlich keinen Sinn eine Diode bei einem eneichten Ruckstrom
als
abgeschaltet
stromspitze
zu
bei einem Ruckstrom
erst
von
20A
betrachten, wahrend ein anderes Element mit kleinerer Riick¬
von
2A als
spenend gilt (Fig. 7-7c).
Die in dieser Arbeit bestimmten Abschaltzeitdauern sind deshalb auf den 10%
Anteil der
Riickstromspitze von unbestrahlten Originaldioden (Referenzdioden)
bezogen (Fig. 7-7d). Dieser Anteil betragt 20A. ^ ist also fiir alle Dioden die Zeitspanne zwischen Nulldurchgang und dem Eneichen der 20A des Riickstromes in
der Erholungsphase.
Tabelle 5
Alle
zeigt
Angaben
temperatur
einen
Vergleich
der
Spenverzbgerangszeiten einiger Beispiele.
beziehen sich, sofem nicht anderst
von
angegeben,
auf eine Betriebs¬
25°C.
Riickstromspitze Irrm» aber auch ein kleineres dIR/dt fuhrt bei der
protonenimplantierten Diode dazu, dass die Sperrverzbgerungszeit ungefahr idenEine kleinere
tisch mit der
von
einer elektronenbestrahlten Diode ist.
Gegeniiber
den unbe¬
strahlten Originaldioden weist die protonenimplantierte Diode eine signifikante
Verkiirzung der Abschaltzeit um ca. 70% auf.
Zum Vergleich sind ebenfalls zwei kommerziell erhaltliche "soft recovery" Hoch¬
leistungsdioden angegeben,
welche
der gleichen
aus
Leistungsklasse
sind.
Tabelle 5
Ir
!rrm,
[A/cm2]
vF
Vr
TF
[V]
[V]
[A/cm2]
Originaldiode
1.6
1000
100
<0.48
960
1780*
<1210
H+
1.9
1000
100
<1
230
560*
<31
2.3
1000
100
<1.3
285
550*
<268
bestrahlt
e' bestrahlt
(statisch)
[pA/cm2]
dIR/dt
[A/ps]
trr
[ns]
*
IF=20A;
-dlp/dt
=
VR=500V;
lOOA/ps bei
I=0A
Philips
1.7
850
-100
7.
BYV24
WO3
?
Tj:125C
(Epitaxie)
450
<7
(IF=10A
VR=30V
-dlp/dt
(I>2A
VR=30V
-dIp/dt=2A/ps)
=10A/us)
AEG/Siemens
1.1
1000
IFAV:1.5A
10mA
ERC 01-10
-84-
?
10000
?
Optimale Protonenimplantationsdosis
7.5
fiir
Leistungsdioden
Optimale Protonenimplantationsdosis fiir Leistungsdioden
Mit der
Erhbhung
der Diode
an.
der
Implantationsdosis steigt
Anstieg bis zu einer
Wahrend der
der
Vorwarts-Spannungsabfall
noch
von ca. l«1013cm
Dosis
gering ist (< 20%), steigt
die Potentialdifferenz fiir hohere Dosen schnell
gegen nimmt der
der
gnifikant
Betrag
an.
Da¬
Riickstromspitze bei einer Dosis bis l»1012cm'2siSattigung statt (Fig. 7-8).
ab. Fiir hohere Dosen findet eine
Technologiekurve zeigt, dass die optimale Dosis zwischen l«1012cm'2 und
5»1012cm'2 liegt. Bei dieser Dosis ist typischerweise ein Vp-Anstieg von 20 bis
25% zu erwarten, wahrenddem sich der Betrag von IRRM um 80 90% erniedrigt
Die
-
(Fig. 7-9).
Die eleku-onenbestrahlte
lich
Vergleichsdiode
und die
Originaldiode
haben wesent¬
ungunstigere Lagen im Diagramm.
-250
10
10
A.
11
10
1012
Dosis
Fig. 7-8
0
lA-
10
13
1014
[cm'2]
Implantationsdosen produzieren mehr Rekombinations¬
zentren und damit, aufgrund der reduzierten Trdgerlebensdauer,
sinkt der Absolutwert von Irrm- Zusatzlich wachst VF aber an.
Die Implantationstiefe betragt 25\i.m von der Anodenseite her ge¬
Hohere
messen.
-85-
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation und opumierter Temperung
10
10
cm
cm
-Bestrahlung
e
IF 20A(95Acm-i)
VR
-500V
Originaldwde
3
_L
_L
J_
-250
15
2
3
25
4
35
45
5
55
Vorwartsspannung [V]
Irrm und VFfur protonemmplantierte Dioden mit verschiedenen
Dosen (Protoneneindnngtiefe
25pm anodenseitig) Ebenfalls
Fig. 7-9
=
eingezeichnet sind
die Werte fur
typische
elektronenbestrahlte
und ntchtbehandelte Dioden
7.6
Optimale Protonenimplantationstiefe
Nicht
nur
Durch das
wird die
die
von
Leistungsdioden
andert das elektrische Verhalten der Dioden
Bestrahlungsdosis
Einbrmgen
fiir
lokal defmierten Defekten innerhalb der Bauelemente,
Moghchkeit eroffnet, mittels Variation der orthchen Lage des Implanta¬
tionsprofils,
ebenfalls Dioden
mit
verschiedenen elektnschen
Eigenschaften
her-
zustellen
Dioden, welche
stneren diesen
von
mit
der Anode oder
entsprechend
verschiedenen
einer
von
der
Eindnngtiefe
Die gemessenen Werte fur den
IRRM
Protonenenergien bestrahlt wurden,
demon-
Protonenimplantation geschah dabei entweder
Kathode her mit einer Energie bis maximal 4 MeV,
Sachverhalt Die
von
140 pm
und die Ruckstromspitze
Tragerlebensdauerprofil mcht einer symmetri-
Spannungsabfall VF
deuten darauf hm, dass das
entspricht, sondem dass im ganzen durchstrahlten Gebiet
eine Andemng
Tragerlebensdauer verarsacht wird. Dabei nimmt die Lebens¬
dauer von der bestrahlten Oberflache in Richtung des Implantationprofilmaximums leicht ab, steigt anschhessend stark an und geht in den Wert des
schen Gaussverteilung
der
-86-
Optimale Protonenimplantaiionstiefe
unbestrahlten Bereiches iiber.
Vp wurde
sonst
nicht
von
der
fiir
Lage
Leistungsdioden
des Lebensdau-
erprofils abhangen. Die Gesamtzahl der Rekombinationszentren nimmt bei grbs¬
seren Protoneneindringtiefen entsprechend zu und damit erhoht sich naturlich
auch VF. Offensichtlich besteht, bezuglich der Vorwartsspannung kein Unter¬
schied zwischen den beiden Implantationsrichtungen. Die Spannung wird bei
Temperatur demnach
konstanter
tionszentren beeinflusst
Bei
Betrachtung
der
nur
durch die Gesamtanzahl der Rekombina¬
(Fig. 7-10).
Ruckstromspitzen
zwischen den Werten der beiden
p+-n--n+-Struktur
erkennt
man
aber einen deutlichen
Implantationsrichtungen,
welcher
Sprang
der asym-
von
der Diode und dem
asymmetrischen Stbrstellenproabhangig wie schnell sich der
(Fig. 7-11). IrrM
pn-Ubergang entleert und die Diode zu sperren beginnt. Dabei ist ersichtlich, dass
das asymmetrische Rekombinationsprofil im einen Fall den pn-Ubergang beein¬
flusst und im anderen Fall nicht. Dies zeigen auch Modellrechnungen (Fig. 8-3)
metrischen
ist stark davon
fil herriihrt
Technologiekurve in Fig. 7-12 lasst erkennen, dass bei einer tieferen Lage des
Stbrstellendichtemaximums die Spannung massiv ansteigt. Demgegenuber ist die
Verminderung der Riickstromspitze gering. Die optimale Lage der Zentren ist
nahe beim pn-Ubergang und nicht im Zentrum der Diode, wie es von Temple [56]
Die
wird.
vorgeschlagen
"i""i""i""i'"T",r",r",r"T",i""r",r,,T
Dosis:
Implantation
>
4
MO12 cm"2
Ausheizen: 292°C, 60Min.
von
der Anodenseite
IF:
20A
[95Acm""]
5
3
S
c
ed
O.
Implantation
£
,1.... I,...»
0
0
40
80
Anode
Fig.
7-10
von
der Kathodenseite
,...
120
200
160
1
...
1.... I....
280
240
Kathode
Eindringtiefe [pm]
Wegen des asymetrischen Tragerlebensdauerprofils steigt die Vor¬
wartsspannung mit der Protoneneindringtiefe an. Dieser Effekt ist
unabhdngig davon ob
plantiert
vom
p-Emitter
wurde.
-87-
oder
vom
n-Emitter
aus
im-
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation
T
und
^^
I
•
optimierter Temperung
'
Dosis:
*"
I''"' I'''" I"''
MO12 cm"2
Ausheizen: 292°C, 60Min.
-40
Implantation
v
IF:
von
20A
[95Acnf2]
VR: -500
der Anodenseite
M
*
I
V
-80
a.
J-120
o
a
oi
-160
Implantation
von
der
Kathodenseite
I....I..
-200
0
80
40
Anode
Fig.
200
160
120
280
240
Kathode
Eindringtiefe [pm]
IjfXM hangt von der Bestrahlungsrichtung ab. Im Fall der anoden¬
seitigen Implantation beeinflusst das erzeugte Trdgerlebensdauer-
7-11
profil den pn-Vbergang
um
direkt und damit die Zeit, welche
es
braucht
Spannung aufzunehmen.
0
Anodenseitige
-50
20fim
<
3ZJI
I40um
Bestrahlung
-100
140um
-
Kathodenseitige
D.
C/3
Bestrahlung
E
o
str
-150
±t
u
Dosis:
:3
ftf
-200
x
Originaldiode
-250
l«1012cm"2
Temperung: 290°C; 60 Min.
IF: 20 A (95 A/cm2)
VR: -500 V
_L
1.5
2
2.5
3
3.5
Vorwartsspannung [V]
Fig.
7- 12
"Technologiekurve zeigt, dass bei hohen Eindringtiefen der Be¬
trag von IRRM nicht mehr wesentlich verkleinert wird. Demgegen-
Die
"
iiber erhoht sich aber die
Vorwartsspannung
massiv.
Grenzen der Belastbarkeit
Grenzen der Belastbarkeit
7.7
Frage nach der Belastbarkeit der untersuchten Hochleistungsdioden ist ein
wichtiger Punkt. Gerade unter dynamischen Gesichtspunkten stellt sich meistens
heraus, dass die Leistungsbauelemente nicht soviel aushalten, wie durch die Ei¬
Die
im statischen Betrieb erwartet werden kann.
genschaften
welchem Schaltkreis das Bauelement
den
7.7.1
an
Verwendung findet
zwei verschiedenen Schaltkreisen
Wichtig
dabei ist, in
Dies wird im
gezeigt (Messschaltung
in
folgen¬
Kapitel 5.3).
Niederinduktiver Schaltkreis
Die
Hochleistungsdioden
wurden in einem niederinduktiven Schaltkreis
(Fig.
5-5) mit Streuinduktivitat LCT~0.8pH getestet. Fig. 7-13 zeigt das typische Verhal¬
ten
der Strom- und
Spannungskurven
Umschalten eines Vorwartsstromes
von
600V. Versuche,
lust der
zu
hbheren
von
von
unbestrahlten
20A
(95Acm"2)
Spannungen
Originaldioden
beim
Spenspannung
gelangen, scheiterten am Ver-
zu
auf
eine
Spenfahigkeit.
400
300
-
300
200
100
0
-100
y^
-200
-
'
-300
V
-300
-
-400
T
-200
CO
c
3
c
c
a
\
-
-
-100
\l 1 \
-
0
\/\ \~~'
-,\
-
c/3
•
\
100
a
200
v2
-
-400
v,
-500
</>
t
u
Q.
-500
/
'
Q.
-600
-
-600
-700
0
2
1
3
Zeit
Fig. 7-13
Typische
transiente
und wahrend dem
4
5
[ps]
Strom- und
Durchschlag
-89-
Spannungskun en kurz
von
vor
unbestrahlten Dioden
(Ij, Vj)
(I2, V2).
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation und optimierter Temperung
Es fallt auf, dass der Durchbruch unmittelbar auf ein
Ruckstromes
Spannung zeigen,
und
Spannung
bei einer
Ausdehnung
tere
der
ansteigt,
geringen
und somit die
Breite der
Raumladungszone
Spenschicht
Strom
metallurgischen
einen grossen Teil
Raumladungszone aufnimmt. Die wei¬
zur Stoppschicht geht einher mit der
Spannungsanteils. Folge davon ist die
der maximalen Feldstarke auf den Wert des stationaren Zustandes. Das
Senkung
dynamischen Felduberhbhung wird
Verlustleistung maximal wird [67]. Eneicht
Maximum dieser
die
von
bis
Ubernahme des restlichen, viel kleineren
wo
Anwachsen des
plbtzliches
des zeitlichen Abschaltverhaltens
dass die elektrische Feldstarke uber dem
zunachst stark
Ubergang
der
folgt. Simulationen
schen Wert, bei der die
Beschleunigungsstrecke und
zu
dem
Zeitpunkt erreicht,
die Feldstarke einen kriti-
die Anzahl der in die Raum¬
ladungszone injizierten Trager ausreicht, genugend Stossionisationen durch die
freien Ladungstrager zu verursachen, wird die Spenschicht mit neuen Tragern
iiberschwemmt, und die
Spannung
bricht
zusammen
(dynamischer
Lawinen-
durchbruch).
Solche
dynamischen Felduberhbhungen sind dafiir verantwortlich, dass die
Di¬
oden schon beim Umschalten auf
Lawinendurchbriichen, zerstbrt
gen dabei
Eine
re
ca.
300kWcm"
Spannungen zwischen 500-1000V, infolge von
werden. Die maximalen Verlustleistungen betra-
.
Verbesserung des Schaltverhaltens
zeitliche
Anderung
der
Spannung
tung oder durch eine schnellere
Einstellung
mittels
der
Tragerlebensdauer
parallel
dabei in Serie
zur
zum
Ausbreitung
geschaltetem
abgestimmt
entsprechende
der
aussere
Beschal-
Raumladungszone mittels
eneicht werden. Erste
Mbglichkeit
RC-Glied realisiert. Die
Widerstand R. Dabei miissen
genau aufeinander
RC-Beschaltung
Diode
der Bauelemente kann durch eine kleine-
durch eine
wird
haufig
Kapazitat C ist
Diode, Kapazitat und Widerstand
werden. Bei Freilaufdioden
von
GTO's wird die
meist durch ein RCD-Glied ersetzt. Dabei sind ein Widerstand R
und eine schnelle
C in Serie
zu
R
Entkopplungsdiode D zueinander parallel, sowie eine Kapazitat
und D, geschaltet. An der Freilaufdiode treten dabei wesentlich
Verluste als bei einer RC-beschalteten Diode auf. Diese beiden Be-
geringere
schaltungslbsungen
haben aber entscheidende Nachteile wie erhbhter Platzbedarf
parasitare Induktivitaten und Kapazitaten,
Schaltfrequenzen stbrend auswirken kbnnen.
und unerwiinschte
schnellen
Die zweite
welche sich bei
Mbglichkeit kann durch die Erhbhung der Rekombinationsrate im Mitbewerkstelligt werden. Dadurch ist die gespeicherte Ladung
telbereich der Diode
Qs
zu
vor
dem Abkommutieren
einer
geringer.
Die Diode
beginnt
niedrigeren Ruckstromspitze Irrm fiihrt.
-90-
friiher
Auch der
zu
spenen,
Ubergang
von
was
der
Grenzen der Belastbarkeit
-100
-
a -200
-
fi
-300
x/i
M
o
Vorwartsstrom-
3
OS
belastung nahe
Zerstorung
-400
der
der Dioden
-500
_L
10
30
20
40
50
Vorwartsstrom [A]
Fig.
Ruckstromspitze in Abhangigkeit des Vorwartsstromes,
auf eine Spenspannung von -600V umgeschaltet wird
7-14
welcher
(dIf/dt=750A/ns)
Unbestrahlte Onginaldwde
a)
Elektronenbestrahlte Diode,
b)
Energie 1 5MeV,
2, Temperung 280°C, 20h
Anodenseitig protonenimplantierte Diode,
Eindringtiefe 48\im, Dosis- l'lO12 cm'2,
Dosis
c)
Stromspitze
man eine
zum
1
2'1015
stahschen Leckstrom wird
schnellere
etwas
cm
entsprechend
Ausbreitungsgeschwindigkeit
bei festem maximalen dV/dt die Feldstarke nicht
erhalt
Wie
man eine
Fig
Zehntel
den
genngere maximalen
grosse
Ruckstromspitzen
Stromspitzen von
der
Spenschicht,
was
stark anwachsen lasst Zudem
Verlustleistung
7-14 demonstriert, erzeugen die
so
so
verkurzt Dadurch hat
protonenimplantierten
wie
Dioden
unbestrahlte Dioden Im
nur einen
Vergleich
elektronenbestrahlten Elementen sind die Werte
nur
2/5
zu
so
gross Bemerkenswert ist, dass noch Vorwartsstrome abkommuuert werden kon¬
nen, welche den Strom von
Onginaldioden
um
den Faktor 2
Die mehr oder weniger grosse Abhangigkeit der
wartsstrom
sen
Ip
Parameter
ist
ubersteigen
Ruckstromspitze IRRM vom Vor¬
mcht selbstverstandlich und wird wesentlichen durch den gros¬
dlp/dt gefordert
Die
Abhangigkeit
-91-
wird
von
der
Hochinjekuons-
Transientes Abschaltverhalten nach
Protonenimplantation und optimierter Temperung
ladungstragerlebensdauer Xt^ beeinflusst. Ist thl grbsser als die zur Kommutierung des Stroms benbtigte Zeitdauer tk, befindet sich beim Nulldurchgang des
Stromes
cherten
noch die ganze
praktisch
wird direkt
IF beeinflusst.
von
Ladung
in der Diode und
gespeicherte Ladung Q$
Gilt tk
>
t^ wird ein wesentlicher Teil der
Q$
gespei¬
durch Rekombination vernichtet, bevor der Strom kommutiert
wird. Dies bedeutet, dass bei kleinen
IrrM unabhangig
vom
dlp/dt und kleinem x^
Vorwartsstrom IF werden kann.
Wird der Vorwartsstrom auf 20A
festgelegt
die
Ruckstromspitze
und beim Abschalten die Umschalt-
spannung variiert, fallt auf, dass die Originaldioden beim Schalten auf eine Spen¬
spannung
von
(iber 600V zerstbrt werden. Bauelemente mit durch lokaler
Protonenimplantation erniedrigter Tragerlebensdauer eneichen dagegen maxima¬
le Ruckstromspitzen von weniger als 30A bei einer gemessenen Blockierspannung
von
1000V, welche die Limite der Messapparatur darstellt (Fig. 7-15).
Damit wurde demonstriert, dass bei
implantation
eine
Schaltkreisen
zu
enorme
Hochleistungsdioden eine optimale Protonen¬
Verbesserung der Belastbarkeit in niederinduktiven
eneichen ist.
\
-40
'S.
E
Anodenseitige Implantation
Protonenreichweite 48 pm
a
Dosis: lxE12cm
-80
Temperung: 290°C; 60 Min.
IF 20A;dIp/dt 750A/ps
o
=
=
o
:3
-120
-160
-200
-400
-600
-800
-1000
Angelegte Spenspannung [V]
Fig.
7-15
Die unbestrahlten Dioden erleiden bei
angelegten Sperrspannun¬
dynamische Lawinendurchbriiche, wahrend die
protonenimplantierten Dioden weit mehr aushalten.
gen
von
iiber 600V
-92-
Grenzen der Belastbarkeit
Kommutierungskreis mit variabler Induktivitat
7.7.2
Eine im Schaltkreis
induktive Last beeinflusst bei fester
angeschlossene
Span¬
nung gemass (2.40) die zeitliche Anderung des Stromes. Je grbsser die Induktivi¬
tat ist, desto weniger steil verlauft die Steigung des Ubergangs zwischen dem
Vorwartsstrom
IF und
der
Ruckstromspitze Irrm-
Fig. 7-16 zeigt, dass die Stromspitze linear mit der angelegten Spenspannung ansteigt. Bei grossem dlp/dt ist die Riickstromspitze grbsser als bei keinem dlp/dt.
Demnach besteht die Gefahr, dass bei zu kleiner Last die Stromspitzen unerwiinscht hohe Werte annehmen. Dies fiihrt bei raschem
spannung
Bei
zu
zu
einer erhohten
Anstieg
der Riickwarts-
Verlustleistung.
grosser Induktivitat existiert die Gefahr der
ungewollten Uberspannung.
-150
-140
+ dl/dt: -227 A/us
-130
* dl/dt: -325 A/us
-120
X dl/dt: -528 A/us
u
-110
O dl/dt: -700 A/us
ii
5.
-100
O
__,,c
-d
E
-90
o
:3
OS
-70
-60
-50
o„
-^""'
-80
^""O-""*
£
^^-^"^
O
-
^"9.
-
_-*
_„-+
x
--
_^-%c"
,^-"*"
x-
^
.-
X
'""
,
-
.+
-.
3K
+
""
r±
-40
-500
_1_
_L
J_
_L
_L
_L
j_
-600
-700
-800
-900
-1000
-1100
-1200
-1300
Spenspannung [V]
Fig. 7-16
Lineare
Abhdngigkeit
der
Riickstromspitzen
von
den
angelegten
Sperrspannungen bei fester Induktivitat.
Die
men
dere
Abschalteigenschaften mittels einer zweiten, vollkomanders konzipierten Messapparatur (Fig. 5-6), zeigen erstaunlicherweise an¬
Eigenschaften der Hochleismngsdioden. Die protonenimplanuerten Dioden
Untersuchungen
der
-93-
Transientes Abschaluerhahcn nach
halten
einer
angelegten Spannung
nungen brechen die Dioden
konnte keine
werden,
Protonenimplantation
am
bevorzugte Stelle
was eine
von
und optimierter
maximal 1 2 kV stand Bei hoheren
Span¬
Metallisierung durch (Fig 7-17) Dabei
Rand der
Beschadigungen
der
Temperung
systematische Fehlprozessiemng
der
Umrandung festgestellt
der Bauteile ausschhesst
Uberbelastung konnen thermischer oder dynamischer Natur sem
Auswertung der transienten Kurven fur Strom und Spannung lassen erkennen,
Ursache dieser
Die
bei der ersten
dass der Durchbruch nicht,
wie
lustleistung auftritt sondern
erst ca
die Zeitdauer
um einer
Fig.
sein, in
thermischen
der sich das Bauteil
Zerstorung
zu
Simulationen des
Ubergang
eine
an
gewissen Stellen
aufheizt
erhegen
von
Durchschlagen
dynamischen Abschaltvorgangs zeigen,
Tendenz
zu
nontatstrager nahe beim
Silizium
genugend
am
Metallisierung
erhohter Stromdichte
p+
etwas
im
dass der
planare
pn-
Randabschluss aufweist Mi-
abgebaut als solche in der
Raumladungszone entwickelt sich daher unter
Emitter werden schneller
Nahe des p -Randabschlusses Die
p+
bei maximaler Ver¬
halbe Mikrosekunde spater Dies konnte
Zerstorung der Sperrfahigkeit aufgrund
7-17
Rand der
dem
eine
Beschaltung,
fruher Der Stromfluss weicht auf die
penpheren
Gebiete
aus
Dies
gilt
im
besonderen Masse fur die maskiert bestrahlten Dioden
Aufgrand
der
Diode in die¬
ermedngten Tragerlebensdauer nahe des p+-Bereiches begmnt die
wahrend
Stromfluss
Der
7
wird,
zu
fruher
19)
noch
Volumen
(Fig
sem
spenen
-94-
Grenzen der Belastbarkeit
200
oo
c
-400
I
-
-600
-800
3
c
B
a.
6
a
1000
Zeit
Fig.
[ps]
Zeitabhdngiger Verlaufdes Stromes,
7-15
der
Spannung und
der
Leistung
angeleg¬
wahrend des Abkommutierens. Index 1 ist fiir Kurven einer
ten
Belastung, welche die Diode
noch nicht zerstort, wahrend die
Kurven mit Index 2 den Durchbruch darstellen.
des Abkommutiervorgangs, besonders schnell
Damit erhbht sich die Stromdichte
dieser Stelle. Bei
umgitters
und
genugend
zum
p+p'-Ubergang
hoher
am
an
Belastung
fuhrt dies
fiir eine Zeitdauer
extrem
von ca.
beim
p+n'- Ubergang
an
Zerstbrang
an
des Silizinahe
am
die uber
hoch ist.
Uberhbhung, welche
V/cm eneichen kann. Dies alleine reicht
stbrang durch Stossiomsation
Diode
zur
Modellrechnungen entsteht
0.5ps eine Lbcherstromdichte
Die elektrische Feldstarke erfahrt dabei eine
ja
gedriickt.
Durchbruch. Gemass den
6000A/cm2 betragt und
2.5'lfJ5
den Rand
Rand und das Bauteil erwarmt sich lokal
zu
jedoch
nicht aus,
Werte bis
um
eine Zer¬
erhalten. Die Maximumfeldstarke befindet sich
und nicht beim Randabschluss und eine
Zerstbrang
der
einem zentralen Ort der aktiven Flache konnte nicht beobachtet werden.
Der vorhandene
planare pn-Ubergang scheint insofern etwas ungeeignet zu sein,
Originaldioden kritisch gewahlt wurden. Eine
der Protonenimplantation angepasste Dimensionierung des Randabschlusses
da die Dimensionen schon fur die
diirfte erhebliche
Verbesserangen bringen.
-95-
Transientes Abschaltverhalten nach
Anode
Protonenimplantation
Passivierung
und
optimierter Temperung
Passivierung
Anode
Kathode
Kathode
Anode
Passivierung
Fig. 7-19
Stromfluss
zu
drei verschiedenen
Zeitpunkten wahrend des Abkommutierens der Diode
Kathode
1.2mm
-96-
(ABBPISCES).
8. KAPITEL:
8.1
Modellierung
Einleitung
In diesem
Kapitel
wird kurz auf das
Simulationsprogramm ABBPISCES einge¬
gangen, mit welchem verschiede Modellrechnungen durchgefuhrt wurden. Dabei
wird angegeben, welche physikalischen Modelle bei den Berechnungen mitberiicksichtigt werden.
Mit Hilfe eines Modells fiir die
Berucksichtigung
lung durch Protonenimplantation
der
Tragerlebensdauereinstel-
experimentell beobachteDiodeneigenschaften nachvollzogen werden. Eindimensionale
Modellrechnungen mit Berucksichtigung der experimentell gegebenen Diodenstrakmr und eines ausseren Schaltkreises, zeigen eine gute qualitative Ubereinstimmung mit den experimentell bestimmten Werten aus Kapitel 7. Aus diesen
Resultaten kbnnen einerseits Riickschliisse auf die Form des Tragerlebensdauerprofils, andererseits auf die Richtigkeit bzw. Verwendbarkeit der einbezogenen
physikalischen Modelle gezogen werden.
ten
kbnnen verschiedene
elektrische
Im weiteren wird anhand
che lokale
von
modellierten
n-Dotierung, welche
Beispielen gezeigt,
bei der
dass die zusatzli-
Protonenimplantation
entsteht
(Kapitel 3.7), wesentUchen Einfluss auf den Ruckstromfluss einer Diode nehmen
kann.
8.2
Simulationsprogramm
ABBPISCES als
Werkzeug
ABBPISCES basiert auf dem bekannten PISCES-IIB Bauteil-Simulator, welcher
an
der Universitat Stanford entwickelt wurde
keit der Simulation elektrischer
[105] [106] und bietet die Mbglich¬
Eigenschaften
von
individuell definierten Halb-
leiterbauelementen.
Dazu wird die
gewiinschte Bauteilstruktur und ein entsprechendes Gitter (ca. 800
Gitterpunkte)
definiert. Das Gitter dient der
uber das simulierte Modell
gelegt.
Diskretisierung
und wird virtuell
Bei der Simulation werden fiir
jeden Gitter-
(2.2), so¬
Bewegungsgleichungen (2.1)
Poissongleichung
wie die KonUnuitatsgleichungen fiir Elektronen (2.3) und Lbcher (2.4) berechnet
und durch Iteration die Lbsung, welche alle fiinf Gleichungen erfullt, bestimmt.
punkt
die
(2.5), die
-97-
und
Modellierung
Im weiteren bietet das
ausseren
Schaltkreises.
und schnelle
Programm die Mbglichkeit der Berucksichtigung eines
Voraussetzung fiir den Erfolg der Simulation ist eine gute
Konvergenz der Iterationen.
Eine Simulation bzw. Modellation des
fiihrt stehts iiber die
dingungen
8.3
Verwendete
In den
tronen,
Berechnung
fiir die weiteren
Berechnungen
physikalische
Modellrechnungen
Anfangsbe-
liefert.
werden zwei verschiedene
von
Ladungstragersorten (Elek¬
300°K in Betracht gezogen.
Augenekombination (2.23), sowie
nation (2.15) mit
eines Bauteils
Modelle
Lbcher), sowie eine Temperatur
Es sind die
dynamischen Verhaltens
eines stationaren Falls, welcher die
die
Shockley-Read-Hall
dotieningskonzentrationsabhangigen
Rekombi¬
Lebensdauem beriicksich-
tigt.
Tragerdichten wird angenommen, dass fiir die meisten Berechnungen die
Vereinfachung durch die Beniitzung der Boltzmannstatistik mbglich ist. Die Energiebandverschmahlerung wird vernachlassigt. Die Tragermobilitat (2.13) ist Dotierungskonzentrationsabhangig und von der Trager-Trager Streuung beeinflusst.
Fiir die
Zur besseren
zeit- und
nen
Konvergenz
wurde die voile Newton-Methode beniitzt, welche sehr
speicheraufwendig ist,
konvergieren.
aber eine grbssere Garantie
gibt,
dass die Iteratio¬
Bei der Newton-Methode diirfen alle Variablen des
zu
lbsen-
Kopplungen zwischen den
der Newton-Algorythmus sehr sta-
den Problems wahrend der Iteration andem, und alle
Variablen werden
mitberiicksichtigt.
Damit ist
bil, und die Zeitdauer fiir die Berechnung der Lbsung ist annahernd unabhangig
von
den
liertere
Anfangsbedingungen,
Erklarung
selbst fiir den
der Methode beachte
man
-98-
Hochinjektionsfall (Fiir eine detai-
die Litheratur [105][106]).
Einbezug eines Schaltkreises
8.4
in die
Einbezug eines Schaltkreises
Der aussere Schaltkreis
(Fig. 8-1) wird in
wirklicht. Die Konstante
beschreiben
stand
definiert die
I0
parasitare Werte.
in
die
Modellrechnungen
Modellrechnungen
der Simulation sehr vereinfacht
Stromquelle.
ver-
Last L und Widerstand R
Als Schalter dient ein zeitlich veranderbarer Wider-
Rs(t).
Die Potentialdifferenz
IU3-U0I
definiert die
angelegte Spenspannung.
Ein grosser
den Stromfluss durch die Diode. Die Potentialdifferenz
Widerstand
Rs zwingt
IUi-U2l beschreibt dabei den Durchlassspannungsabfall der Diode. Beim Schliessen des Schalters bzw. Verringern des Widerstandes Rs wachst der Stromfluss
durch Rs. Die Potentialdifferenz IUi-U0l geht gegen Null, wahrend die Diode die
Riickwartsspannung aufnimmt. Damit nahert sich IU]-U2I der Spenspannung
IU3-U0I.
Diese
Schaltung entspricht im wesentUchen dem experimentell verwendeten, nieaus Fig. 5-5 in Kapitel 5.3.
derinduktiven Schaltkreis
I2(t)
-*
DUT
L
R
U3I
I
ii(o
U,oO
Fig. 8-1
Den
Modellrechnungen zugrunde liegender Schaltkreis
tion des Diodenabschaltverhaltens.
-99-
zur
Simula¬
Modellierung
8.5
Modell fiir die
Berucksichtigung
Tragerlebensdauer
Den Simulationen
liegt
zu
inhomogenen
Protonenimplantation
nach der
der
Grande, dass die Tragerlebensdauer bei unbestrahlten
Dioden iiber die ganze Mittelzone konstant ist und in den hochdotierten Zonen
sig¬
Berucksichtigung der Protonenimplantation geschieht iiber
brtlich inhomogenen effektiven Tragerlebensdauerprofils. Wie
nificant abnimmt. Die
die
Festlegung des
in den ersten
dene Arten
raten. Die
Kapiteln erwahnt, erzeugt
von
die
Protonenimplantation
viele verschie¬
Rekombinationszentren mit unterschiedlichen Rekombinations-
effektive Lebensdauer der
Trager wird beeinflusst
durch alle Zentren
und ist gemass Gleichung (2.22) eine Kombination der spezifischen
Lebensdauern, verarsacht durch die einzelnen Zentren.
zusammen
Defekte entstehen wahrend der ganzen
wo
Eindringphase
der Protonen. Wann und
welche Stbrstellen erzeugt werden ist dabei unklar. Die hbchste Gesamtde-
fektdichte wird aber gegen Ende der Protonenreichweite erzeugt. Welche Rekom¬
binationszentren schlussendlich aktiv sind, bestimmt die Art und Weise des
Ausheizverfahrens. Es
fil wegen seiner
liegt
also in der Natur der Sache, dass das
Komplexitat physikalisch schwierig
In den eindimensionalen
zu
Lebensdauerpro¬
beschreiben ist.
Modellrechnungen wird deshalb in der Mittelzone ein Le¬
bensdauerprofil angenommen, welches aus drei verschiedenen Abschnitten besteht
(Fig. 8-2). Die drei Zonen beschreiben das Profil fiir den Fall einer anodenseitigen
Implantation. Der Bereich I stellt dabei den Abschnitt dar, welcher zwar bestrahlt
wird, dessen Defektdichte aber nicht sonderUch hoch ist. Der mittlere Bereich beschreibt das Profil
am
Ort,
wo
das Maximum der Rekombinationszentrendichte
auftritt. Der dritte Abschnitt stellt den unbestrahlten Bereich dar. Fiir die Beschrei-
bung
der
kathodenseitigen Implantation
sind die Bereiche I und II vertauscht.
Die Lebensdauern der Bereiche I und III werden als
wird die mittlere Zone II als
Gaussprofil
homogen betrachtet. Dagegen
angenommen.
Fiir die Elektronen- und Lbcherlebensdauer wurde das selbe
Tiefenprofil,
aber mit
verschiedenen Absolutwerten vorausgesetzt. Die Elektronenlebensdauer ent-
sprach
dabei einem drei bis vier Mai
grbsseren Wert als bei den Lbchem.
Bei diesem Modell wird zudem angenommen, dass die
rend des ganzen
lebensdauer
dynamischen Vorgangs
entsprechen.
Hochinjektionstragerlebensdauer der unbestrahlten Dioden
experimentellen Bestimmungen mittels OCVD-Messungen (Anhang
Die Werte fiir die
wurden
aus
Lebensdauerprofile wah¬
Hochinjektions¬
konstant bleiben und der
-
100-
Modelliertes Abschaltverhalten
A
Fig A-2) erhalten
oden sind
betragen
ca
den
moghchst gut
experimentellen
1012cm"2
entsprechen
FerUgstellung
Neuste
dieser Arbeit
fur die bestrahlten Bereiche noch etwas uefer als die hier
pubU-
verwen-
begen (<lps)
I\
u
mit e
n
I
Emm
in
uj
k.
1)
i
C
&
3
sda
/
>
V
1
s
JS
3
\J
1
0
50
150
100
Anode
Fig. 8-2
Daten
[83], zeigen dass die Lebensdauern fur Bestrahlungsdosen grosser
ziert wurden
als
Hochleistungsdioden
40-50 ps Die Werte fur die bestrahlten Di¬
Messmethoden und Resultate, welche bei der
deten Werte
bestrahlten
angepasst, dass die Ruckstromspitzen des modelherten Transienten-
so
verhaltens
und
von
Tiefe
Schematisches Modell des
200
250
300
Kathode
[pm]
Tragerlebensdauerprofils,
welches fur
die eindimenswnalen Simulationen mittels ABBPISCES
verwen-
det wurde In den Bereichen I und III wurde die Lebensdauer kon¬
gesetzt, wahrend fur den Bereich 11
angenommen wurde
stant
-101-
em
Gaussprofil
Modellierung
8.6
Modelliertes Abschaltverhalten
von
bestrahlten
Hochleistungsdioden
Wird das Modell, welches im
Simulationen
einbezogen,
mungen mit den
vorhergehenden
erhalt
man
experimentellen
Abschnitt
erstaunlich gute
vorgestellt
qualitative
wurde in die
Ubereinstim-
Daten. Dies ist ein Zeichen dafiir, dass die im
Programm ABBPISCES beniitzten physikalischen Modelle die Physik der Ab-
schaltdynamik
ausreichend beschreiben kbnnen. Eine
dass die
quantitative
Diode konstant bleibt. In
Wirkbchkeit verschiebt sich aber der Wert der Lebensdauer
derinjektionswert.
Zweitens sind dies
nur
Problematik des Randabschlusses und der
der Kurven
Bei
Betrachtung
den
experimentellen
Daten
a
und
c aus
(Fig. 7-11)
zunehmender Breite des Bereiches I
drigt.
Dies
strahlung
gilt
Hoch-
zum
Nie-
Passivierang
wurde nicht
einbezogen.
Fig. 8-3
erkennt man, dass genau wie bei
sich der
Betrag
der
Ruckstromspitze mit
monoton aber mit sinkendem
Gradient ernie¬
kathodenseitige Be¬
modellieren.
Diodenbasis
ern
vom
eindimensionale Berechnungen. Die
ebenso fiir die Kurven b und d, welche die
Es failt besonders
beiden
Ubereinstim-
einerseits bei der Annahme,
liegt
Tragerlebensdauer beim Abkommutieren der
mung konnte nicht eneicht werden. Der Grand
auf, dass
gelegt wird,
wenn
eine
Bestrahlungsrichtungen
das
Gaussprofil
des Bereiches II in die Mitte der
Diskrepanz zwischen den Riickstromspitzen
existiert. Dabei wurden
nur
der beiden Bereiche I und TQ miteinander vertauscht. Dies
ebenfalls beobachtet.
-102-
der
Tragerlebensdau¬
wird experimentell
die
Optimiening
120
Tiefe
Fig.
8-3
160
durch
neue
240
[pm]
Dotierungsprorile
280
Kathode
qualitative Obereinstimmungen mit
experimentellen
Kapitel 7 6 (siehe Fig 7-11)
Die Grafik stellt die berechneten Ruckstromspitzen, bet entsprechend
maximalen Protoneneindringtiefen relativ zur Anode, dar Die gestrichelte Gerade gibt den Wert der Ruckstromspitze bet homogenen Tra¬
gerlebensdauern fxn3=30us, Tp3=10psy) in der Basis Die Kurven a und c
modellieren Dioden mit anodenseitiger Bestrahlung, wahrend b und d
entsprechend Dioden mit kathodenseitiger Bestrahlung zeigen
Die Modellationen zeigen gute
den
a)
Daten
I
n
HI
c)
I
D
m
aus
xnl=0 7ps,Tpl=03ps
1^,2=0 3ps, Tp2=0 lus
Tn3=30ps, Tp3=10ps
Tnl=7ps, Tpi=3us
Tn2=3ps,Tp2=lps
Tn3=30us, Tp3=10us
-
103-
b)
I
II
III
d)
I
n
HI
Tni=30Ms.Tpl=10us
Tn2=0 3us Tp2=0 1US
Xn3=0 7us Tp3=0 3us
Tnl=30us,Tpl=10us
Tn2=3us,Tp2=lps
Tn3=7us Xp3=3us
,
,
,
Modellierung
Optimierung durch
8.7
neue
Dotierungsprofile
Kapitel erwahnte Effekt der zusatzUchen n-Dotierung durch die Pro¬
tonenimplantation hat wesentliche Folgen im Recovery-Verhalten der Dioden
Der im 6.
beim Umschalten eines
Durchlassstromes auf
Spannungen uber
"Snap-Off'-Verhalten. So wird
Riickstromes, wahrend der Erhohlungsphase ge¬
gegebenen
1.5kV. Gewbhnliche Dioden zeigen namUch ein
Abreissen des
plbtzliche
das
nannt. In
Fig. 8-4
ist ein solches Abreissen des Stromes bei
ferenzdiode erkennbar. Die Ursache
Die emitternahen Bereiche sind
Uegt
zwar
in dem
schnell
bei
Tragerstau
beziigUch
3.2 ps fur die Re-
ca.
der
ca.
200pm Tiefe.
Ladungstrager
ver-
solange im Mittelbereich noch genugend Trager vorhanden sind, wer¬
ausreichend Ladungen in die Raumladungszone injiziert und liefern einen
armt, aber
den
hohen
sam
Beitrag
an
den Riickstrom. Die
ausbreiten. Ist der
Tragerstau
als
Raumladungszone kann
Folge
Raumladungszone sofort zum n+-Emitter, da
ausgeschwemmt wurden, bzw. rekombinierten.
die Grenze der
Trager
schon
50
~
sich
der Rekombination
nur
sehr
lang-
abgebaut, springt
in dessen Nahe die
r
0
<,
-50
e
o
-
is -100
Original
l*10Ucm-3
-l*1015cm'3
on
-150
1*10
17
-3
cm
-200
12
0
3
Zeit
Einfluss
Fig. 8-4
de
gibt
ximum,
einer
4
[ps]
zusatzUchen gaussfbrmigen n-Dotierung. Die
die Maximalkonzentration der
befindet sich
Wird die zusatzliche
6
5
von
der Anode
Dotierung
aus
gesehen
an.
in
Das
LegenProfilma-
130\im Tiefe.
n-Dotierung als gaussformig angenommen und der MaxiGrunddotierang und 1 •1017cm'3 bei einer Tiefe von 130pm
fest, dass der Snap-Off verschwindet bei Dotierangsdichten
malwert zwischen der
variiert,
uber
so
stellt
1015cm'3.
man
Dafiir wird das dl/dt bei
Dosen bildet die zusatzliche
ca.
n-Dotierung
-104-
(Fig. 8-4). Bei zu hohen
Stoppschicht, welche die Ausbrei-
1.3 ps steiler
eine
Optimiening
durch
neue
Dotierungsprofile
Elektronen
Lbcher
1
00
as
50
0
100 150 200 250 300
Tiefe
Fig. 8-5
0
50
100 150 200 250 300
Tiefe
[pm]
[pm]
Trdgerdichte wahrend des Abschaltvorgangs. Dotierungskonzentra¬
I'lO1 cm'3. Profilmaximum in 130\m Tiefe.
tion
a) 0[is b) 0.86\is c) 1.25\is d) 2.20\is e) 2.53\uf) 10\is
tung der Raumladungszone verhindert. Dies fiihrt
der
Durchbruchspannung.
Aber die
zu
Berechnungen
Emiedrigung
Fig. 8-5 zeigen auch, dass
einer massiven
in
die verarmte Zone nahe des n+-Emitters wieder leicht
schwemmt wird. Dies ist eine
dem Ort des
beobachtet
Tragerstaus
Folge
der
Wegdiffusion
von
der
und wurde bei den Dioden ohne
Tragern
iiber¬
Ladungstrager
Zusatzdotierang
(Fig. 7-2 und Fig. 7-3), da sich die Raumladungszone
zu
schnell
von
nicht
aus-
breitete.
Uberlauft die Grenze der Raumladungszone die
vor
dem n+-Emitter ausreichend hoch,
stromes zu
um
veningerten Spenfahigkeit soil
der
noch
hoch, dass der Snap-Off ausbleibt.
Bei
plbtzUches
Abreissen des Riick-
Dotierung
klein sein, aber den-
vermeiden.
Wegen
so
Stoppschicht, ist die Tragerdichte
ein
geringer
Maximaldichte
von
die
l*1014cm'3
Werte grbsser als 80 pm unwesentlich. Eine
gang dttrfte das beste Abschaltverhalten
-105-
ist der Einfluss der Schichttiefe fur
Lage mbglichst
zeigen.
nahe
am
pn-Uber¬
Modellierung
50
'
1
<
-50
'
1
'
1
'
1
'
\! /
hi -100
GO
"
1
!
'
\-7^
o
'
1
!
•
;
Original
~
'
80urn
'
!
—
Y
-150
I
:
i
i
i
2
3
4
i
Zeit
Fig.
Variation der
8-6
l'!Cr4cm
50
<,
-50
£
-100
oo
-150
-200
.
Lage
\
;
des
'
I
[ps]
'
'
1
'
1
A^'~~.
.
.
i
.
i
Variation der
Dotierung
von
1
'•
Original
80pm
-—200pm
-
.
3
Zeit
bei einer
andert sich nicht wesentlich.
:\y/I::.
i
i
Profilmaximums
12
Fig. 8-7
240um
Snap-off Verhalten
Das
1
_
200pm
-
i
-200
•
:
-240pm
i
i
4
5
6
[ps]
Lage des Profilmaximums bei einer Dotierung von
1*1& cm'3. Bei tiefen Schichten ist der Snap-Off weniger ausgepragt
als bei der Originaldiode Er verschwindet bei einer Schichttiefe von
80\lm.
-
106-
DV
1
i
i
0
<
—\~-
-50
i
S
£
-loo
Original
i
GO
80um
1
1
—
i
-150
i
200p.ro
240pm
*
t
i
i
OflA
i
.
0
i
12
3
Zeit
Fig.
8-8
Bei einer Dotierung
von
4
5
6
[ps]
l*10I7cm'3 verschwindet zwar der ursprimg-
Snap-Offfur n-Schichten nahe dem p+n'-Ubergang, aber die
Stromdnderung ca. 0.5 pj nach der Ruckstromspitze vergrbs¬
sert sich signifikant.
liche
zeitliche
Bei hbheren
Dotierungskonzentrationen (Fig. 8-6 bis Fig 8-8) verschwindet der
Snap-Off
niedrigen Schichttiefen. Allerdings zeigen die Simulauonen auch,
dass bei hohen Dotierungskonzentrationen von l»1017cm'3 die zeitliche Stromanbei
derung ca. 0.5ps
nach der
Ruckstromspitze sich signifikant vergrossert Das
Dotierung zwischen l»1014cm'3 und 1*10
Verhalten durfte also bei einer
bei einer
Lage
Diese
der n-Schicht nahe des
p+n-Ubergangs
beste
cm
zu erwarten sein
Dotierung entspncht
optimalen Protonenbestrahlungsdosis von
1»1012 cm"2 5«1012 cm'2 (Kapitel 6.3.1). Auch die bevorzugte Lage der Schicht
genau der
-
stimmt mit der
optimalen Eindringtiefe
geeignete Protonenimplantation
verringem, sondem auch wesentlich
nicht
der Protonen uberein Damit durfte eine
nur
zur
beitragen.
-107-
Abschaltzeiten und
Vermeidung
des
Rucksu-omspitzen
abrapten Stromabrisses
-108-
9. KAPITEL:
9.1
Diskussion und
Schlussbetrachtungen
Was wurde erreicht?
Diese Arbeit hat
experimentell
die
der
Protonenimplantation auf
Eigenschaften von bipolaren Hochleistungsdioden aufgezeigt.
Dabei wurden speziell die Spannungsabfalle im Durchlassbereich, die Blockierfahigkeit in Sperrichtung und die Abschalttransienten betrachtet. Das Verhaltnis
der drei Eigenschaften zueinander konnte optimiert und anhand massiv verbesserAuswirkungen
die elektrischen
ten
Dioden demonsniert werden. Die eneichten
experimentellen
und modelUer-
ten Resultate tragen wesentlich zum Verstandnis der physikalischen
Eigenschaften der durch hochenergetische Protonenimplantationen erzeugten Re¬
kombinationszentren, sowie deren Einfluss auf den Ladungstransport und das dy¬
namische Verhalten
Der Einfluss der
von
SiUzium
Leistungsdioden,
bei.
Protoneneindringtiefe, der Implantationsdosis und des AusheizEigenschaften wurde erstmals systematisch un-
prozesses auf die oben erwahnten
tersucht.
Anhand eines
zen von
Vergleiches
der
Vorwaitsspannungsabfalle
Es wurde demonstriert, dass das
unbestrahlten Dioden
bis
zu
Riickstromspit¬
optimale Ausheiztemperatur ermittelt
verschiedenen Proben, konnte die
werden, welche bei einer Temperdauer
signifikant
und der
von
60 Minuten bei 290°C
liegt.
dynamische Abschaltverhalten gegeniiber
besser ist. Die
Ruckstromspitze verringerte
den
sich
90% bei
25% bei
gleichzeitig geringem Anstieg des Vorwarts-Spannungsabfall um
400A/cm'2. Die Spenverzbgerungszeit veningerte sich um 70%. Zum
Vergleich gemessene elektronenbestrahlte Dioden mit identischen
Ausmassen, haben
nur
weisen bei definierten
eine Reduktion
von
Voraussetzungen
protonenimplanuerten Elemente.
Die
sich aber bei den beiden bestrahlten
70% der
die
Strakturen und
Ruckstromspitze eneicht und
gleichen
Abschaltzeiten auf wie die
Erholungsphase des Ruckstroms entwickelt
Typen vollkommen anders. Elektronenbe¬
strahlte Dioden weisen ein steiles
eneicht.
Dagegen haben
demgemass etwas langer
dIR/dt auf. Der stationare Leckstrom ist schnell
Protonenimplantierte Dioden eine flache Steigung und
bis der stationare Zustand eneicht wird.
Eindringtiefe, welche den Hauptanteil der Stbrstellen nahe am pn-Ubergang
erzeugt, zeigt die grbsste Wirkung die Ruckstromspitzen. Bei dieser Tiefe erhalt
man den besten Kompromiss zwischen niedriger Vorwartsspannung und niedriger Riickstromspitze.
Eine
-109-
Diskussion und
Schlussbetrachtungen
Die Leckstrbme der getemperten Dioden sind
nur
einen Faktor 4 bis 5 hoher als
Speneigenschaft der gewahlten
Originaldioden.
auch
dass
die
optimal bestrahlten Dioden mit
gewahrleistet aber,
Strbmen kleiner als lpA, wesentlich geringere Leckstrbme aufweisen als kommerziell erhaltliche Dioden gleicher Leistungsklasse (lmA-lOmA).
Die gute
bei den unbestrahlten
Diodenstruktur
zeigte sich deutUch, dass eine zu hohe Implantationsdosis (> 5»1012cm"2) die
Durchbruchspannung massiv erniedrigt.
Anhand Spreading Resistance Messungen konnte die dafiir verantwortliche zusatzUche n-Dotierung, verarsacht durch die Protonenimplantation, nachgewiesen
Es
werden. Die zusatzUche
zur
Dotierung
Ruhe kommen. Sie hat ein
8 pm bei hohen
Eindringtiefen.
beschrankt sich auf den Ort,
gaussfbrmiges Profil
Arbeit wurde ein Unearer
die Protonen
mit Halbwertsbreite
von ca.
In der Literatur wird diese
n-Dotierung einem fla(Ec-ET=26mV) zugewiesen. In die¬
chen wasserstoffkoneliertem Donatorzustand
ser
wo
Zusammenhang
zwischen
Maximumdotierang
und
dieses Zusammen-
Einbezug
vorgestellt.
Implantationsdosis gefunden
hanges in Modellrechnungen zeigt die gute Ubereinstimmung der berechneten
und experimentell bestimmten Durchbrachspannungen.
und
Der
Modellationen mit ABBPISCES demonstrierten, dass solche tiefen n-Schichten das
Snap-Off Verhalten von Hochleistungsdioden effektvoll verbessem kbnnen. Bei
Eindringtiefen und Dosen im Bereich zwischen 1 1012cm'2 und 5« 1012cm'2
verschwindet der Snap-Off vollends. Die Simulationen zeigen aber auch, dass die
beniitzten physikalischen Modelle eine gute quaUtative Ubereinstimmung der modelUerten mit den experimentellen Eigenschaften ergeben. Quantitative Abweikleinen
•
chungen sind auf die vereinfachten
binationsratenprofils
und der
Annahmen
Beschrankung
zur
Beschreibung
des Rekom-
auf eine Dimension zuriickzufuhren.
Kompromisse zwischen Verbesserangen
eingegangen werden muss. Wie diese Kom¬
aussehen
und welchen Eigenschaften den Vonang
aber
schlussendUch
promisse
gegeben werden, hangt vom Anforderangsprofil der Dioden ab. Die Resultate der
vorliegenden Arbeit bieten die Grundlagen zu solchen Optimierangen und geben
die notwendigen Anhaltspunkte in welche Richtung sich die Eigenschaften veranEs ist deutUch
geworden,
dass mehrere
und unerwiinschten Nebeneffekten
dern und welche Werte
zu
erwarten sind.
optimal entwickelten Dioden eignen sich aufgrund der niederen Ruckstromspitzen und der sanften Erholungsphase besonders gut fiir
schnelle nieder- und hochinduktive Schaltkreise. Also zum Beispiel fiir Gleichrichter mit hohen Frequenzen (>lkHz) oder fiir Chopper zur Steuerung von
Gleichstrom-Motoren. Sie eignen sich aber auch als Freilauf- oder Entkopplungsdioden fiir schnelle Thyristoren oder Transistoren im Spannungsbereich IkV.
Die in dieser Arbeit als
-110-
Wirtschaftlichkeit der
9.2
Wirtschaftlichkeit der
Der wirtschafthche
Protonenimplantation
Gesichtspunkt
mittels
sind die
der
Anschaffungskosten
Faktor fur die
ProtonemmplantaUon
Produktionsapparaturen,
das Vorhandensein
sowie
wichtiger
ist ein
Tragerlebensdauereinstellung
Bauelemente
ProtonemmplantaUon
eines
Etabherang der
Entscheidend dabei
Produktionsraten der
guten Absatzmarktes fur die pro-
tonenimplantierten Leistungsbauelemente
Bis
vor ca
5 Jahren
schungszwecken
gab es ausschliesshch nur Hochenergiebeschleuniger zu
Sie
mussten
demnach
moghchst vielseitig
schiedene Zwecke verwendet werden konnen
keine Produktion
von
Massenwaren
Deswegen
sein
und fur
ver¬
lassen diese Maschinen
Dazu kommt, dass diese teuer
zu
For-
im
Unter-
praktisch nur durch staathche Unterstutzung betneben werden kon¬
Beispiel dafur ist der Van de Graaff Tandem-Beschleuniger der ETH,
halt sind und
nen
Em
der schon wegen
seiner
Grosse und
seines
Energiebedarfs
fur die pnvate Industrie
mcht finanzierbar ist
In
neuerer
kompakte Hochenergieimplanter
Zeit sind aber
ben-Manipuhervornchtungen
entwickelt worden, die
ellen Betneb optimiert wurden
[99]-[104] Beispiele
und Halbleiterschei-
speziell
fur den kommerzi-
solcher
Implanter
"GENUS INC IX-1500"
sind das
Hochenergie-Ionemmplantations-System
"High Voltage European, Holland" [99] und das "MV-T30"-System von National
Electrostaucs
der Firma
Corp (NEC) [102]
Das zweite Modell eneicht
grossen Bereich
an
Teilchenenergien
Ioneneindnngtiefen
von
200 keV bis 4 MeV,
zulasst Die
Homogenitat
was einen
des Strahls be¬
tragt dabei zwischen 0 8 und 2% fur die Energie und die Dosis
Der Platzbedarf (ca 10m
x
7m
x
2 5m) ist relativ bescheiden
verghchen
nut
den
altenHochenergie-Teilchenbeschleunigern
Neben dem
Teilchenbeschleumger
vomchtungen
Electrostatics
100 und 200
ebenso
Corp
mm
die
Halbleiterscheiben-Manipuherwichtig Unter der Bezeichnung VP 7-200 bietet National
eine
Vornchtung
ausgelegt
wurde
ist
an, die fur Scheibendurchmesser zwischen
[100][101] Der Strahleinfallswinkel
zur
Schei-
ben-Oberflachennormalen ist zwischen 0° und 10° mittels Servomotor veranderbar
Damit kann
eine
Kanalisierung
werden Tabelle 6 zeigt den
Teilchenstromen und
2»1013 cm"2
der lonen
Scheibengrossen
Die dabei
uber die ganze Scheibenflache
-111
im
Kristallgitter vermieden
Durchsatz pro Stunde bei verschiedenen
mogbchen
-
homogen
implantierte
verteilt
Dosis
betragt
Diskussion und
Schlussbetrachtungen
Tabelle 6
Scheibendurchmesser
[mm]
Teilchenstrom
[uA]
100
125
150
200
Durchsatz:
Scheiben/h
Dosis:
2«1013cm"2
20
98
76
58
38
40
146
119
80
66
100
204
179
136
115
200
236
215
177
155
400
256
239
208
186
268
252
231
196
Maximum
Durchsatz
Da auf einer Scheibe mit 200mm Durchmesser
Halbleiterbauelementen iiber 5 Elemente
satz von
je nach Grosse der elektrischen
plaziert werden kbnnen, ist ein Durch¬
iiber 1000 Einzelelementen pro Stunde schnell
cherter Absatz und eine
angenommen, dann
Produkt innerhalb
mit
ergibt ein Preisaufschlag
von
Anschaffungspreis
Fiinftagewoche
vier Wochen einen
von etwas
mbglich.
zehnstundigem
von
Wird ein
gesi-
Betrieb pro
Tag
zwanzig Franken auf das fertige
Betrag von vier Millionen
Franken. Der
mehr als zweieinhalb Millionen Franken fiir Be-
Scheiben-Manipulationsvonichtung zusammen amortisiert sich
Implantationen miissen sich auch nicht zwangslaufig auf Proto¬
nen beschranken, vielmehr ist jegliche Art von Implantation oder fiir die Halbleiterelektronik wichtige Dotierung (z.B. Bor oder Phosphor) mbglich. Das
Zahlenbeispiei soil nur eine gewisse Ubersicht vermitteln, denn in WirkUchkeit
miissen selbstverstandUch auch die Unterhaltskosten und gewisse Riickstellungen
mitberiicksichtigt werden. Aber es zeigt, dass mit den heutigen Scheibengrbssen
schleuniger
und
also schnell. Die
und Durchsatzen Stiickzahlen eneicht werden kbnnen, welche den Halbleitern
preislich noch genugend grosse Konkunenzfahigkeit ermbgUchen. Die gezielte
anwendungsspezifische Verbesserung bestimmter elektrischer Eigenschaften
rechtfertigt
auch einen wesentlich
grbsseren Produktepreis, solange kein Konkur-
renzprodukt diesbeziiglich existiert,
welches
wenders abdeckt.
-112-
nur
annahernd die Wunsche des An-
Ausblick
9.3
Ausblick
Da heute die
Elektronenbestrahlung ein anerkanntes und industriell oft verwendeTragerlebensdauerkontrolle ist, bestehen gute Chancen fiir die Protonenimplantationstechnik, sich ebenfalls zum Standardwerkzeug in der
industriellen Fertigung zu entwickeln.
Mittel
tes
Nicht
nur
zur
die
Leistungselektronik wird
davon
profitieren,
male Halbleiterelektronik. Es ist sogar anzunehmen, dass
sondem auch die
gerade
nor-
in dem Bereich
ein Durchbrach erzielt werden
wird. Grosse
kann, da entschieden mehr Manpower investiert
Konkunenzkampfe, hohe Produktionen, kleine Stiickpreise und
vielfaltige Anwendungspotentiale
Aber auch in der
keiten
an.
sind sicher gute
Leistungselektronik bieten
Da in diesem Bereich
ten bei extremen
sich
Voraussetzungen.
genugend Anwendungsmbglich-
niedrige Verlustleistungen,
Belastungen
und
niedrigen
hohe
Zuverlassigkeiwichtig sind, wird
Halbleiterscheibe zu pla-
Kosten sehr
immer bfter versucht, verschiedene Bauteile auf einer
zieren.
Die
Integration [98]
einer Freilaufdiode
Beispiel auf der gleichen Scheibe
wie ein GTO ergibt eine Reduktion der diskreten Komponenten und damit eine
Veningerang des Platzbedarfes und eine Vereinfachung der Kiihlvorrichtung.
Dies wird fiir Anwender eine Kostensenkung bringen. Eine punktuelle Bearbeitung der Scheiben
lung
ist besonders
am
Ort der Dioden oder der GTO's mittels Protonenbestrah-
wichtig.
einzelnen Bauelemente
Auch
zeigt
Es kann dabei auf die
eingegangen
sich eine Tendenz
hohere Strbme in
zum
zu
und jede
schaften, damit die Belastung
an
sowie hohere
erzielen. Es
fiir sich
Spenspannungen
zu
nes
rein statistischen
werden.
muss
aber
Uberlegungen
standig
aushalten
gross wird und das Bauteil
Protonenimplantation
kann hier
folgendes beriicksichtigt
Je grbsser ein Bauelement ist, desto schlechter sind die
mentes aus
optimiert
der
gute Homogenitat der Materialeigen-
einer Stelle nicht
diesem Punkt zerstbrt wird. Die
gleichende Wirkung
Grappe
immer grbsseren Bauelementen, welche
Durchlassrichtung,
miissen. Diese Bauelemente brauchen eine
an
spezifischen Eigenschaften
gezielt
aus-
werden.
Eigenschaften
des Ele-
praktische Optimum ei¬
dasjenige eines kleinen
heraus. Das
grossen Elementes ist also schlechter als
Bauelementes.
In dieser Arbeit wurde die Existenz einer
Designs optimierten
fertig entwickelten
und
bezugUch des
Diode vorausgesetzt. Das Bauelement soil also auch ohne
Nachbehandlungsschritt bestmbgliche
-113-
Resultate liefern. Es ist aber durchaus
Diskussion und
Schlussbetrachtungen
denkbar, dass das Design besser auf die Protonenimplantation abgestimmt werden
kann und das Bauteil erst nach der
ergibt
sich eine Unzahl
von
optimales Zusammenspiel
Implantation
die voile
Wirkung eneicht.
Damit
Parametem die angepasst werden kbnnen und deren
mittels
Modellrechnungen
werden kann.
-114-
relativ einfach
gefunden
Literaturverzeichnis
[1]
J Bartko.KH Sun
Patentschnft DE 27 11 361 C2
"Lebensdauereinstellung mit Protonen
Westinghouse
[2]
Electric
"
Corp Pittsburgh,
,
PA
,
USA, 1977
J L. Brown
United States Patent
3,877,997, Appl No 343,070
"Selective Irradiation for Fast
Switching Thyristor
with Low Forward
Voltage Drop"
Westinghouse Electric Corp., Pittsburgh, PA, USA,
[3]
B. Dietmar and P
"Verfahren
in
zum
Roggwiller,
BBC AG,
Einstellen der Lebensdauer der
Halbleiterschaltern
mit
1977
Protonenstrahlen
Minontatsladungstrager
"
German Patent DE 31 17 202 Al, Nov 11, 1982
[4]
W.
Shockley and W.T. Read
"Stabstics of the Recombinations of Holes and Electrons"
Phys. Rev.,
[5]
Vol. 87,
R N. Hall
"Germanium
Phys.
[6]
(5), pp. 835-842, 1952
Rev
,
Rectifier Characteristics
Vol.
83, p 387,1951
R N. Hall
"Electron-Hole Recombination
Phys.
[7]
"
Rev., Vol. 87, p.
in
Germanium"
387,1952
R.N. Hall
"SiUcon Photovoltaic Cells"
Solid-State Electronics, Vol 20, pp. 279-283, 1977
[8]
Ch. Kittel
"Einfuhrung
1
in
die
Festkorperphysik"
Auflage, Oldenburg Verlag, Munchen,
-115-
1988
Literaturverzeichnis
[9]
H. Buri
"Leistungshalbleiter: Eigenschaften und Anwendungen
"
BBC&CIE AG, Mannheim, (1982)
[10]
J. Dziewior and W. Schmid
"Auger Coefficients for Highly Doped
Lett. Vol.31, pp. 346-348,
Appl. Phys.
[11]
and
Highly
Sept. 1977
J.-M. Dorkel
"Physique des Redresseurs de
Courant:
Aspects Electriques
Puissance
et
J.-M. Dorkel and Ph.
Tres Forts Niveaux de
aux
Thermiques"
These, Universitd Paul Sabatier de Toulouse,
[12]
Excited Silicon"
mars
1982
Leturcq
"Carrier Mobilities in Silicon
Doping and Injection
Semi-Empirically Related to Temperature,
Level"
Solid State Electronics, Vol. 24, pp. 821-825, 1981
[13]
D.J. Roulston, N.D. Arora and S.G. Chamberlain
"Modeling
in
and Measurement
Diffused Layers ofn+-p
IEEE Trans,
[14]
on
of Minority-Carrier Lifetime
Silicon Diodes"
Electron Devices, Vol ED-29, pp
Phys. Rev., Vol. 83,
P.P.
"
p. 879, 1951
Properties ofn-Type
Phys. Rev., Vol. 93,
pp. 693-706,
Germanium
February
"
1954
N.H. Fletcher
"The
High
Current Limit for Semiconductor Junction Devices"
Proc. of the IRE, Vol. 45, pp.
[17]
in Semiconductors
Debye and E.M. Conwell
"Electrical
[16]
284-291, 1982
H. Brooks
"Scattering by Ionized Impurities
[15]
versus
S.
862-872, June 1957
Chapman and T.G. CowUng
"The Mathematical
Theory of Non-Uniform
Gases"
Cambridge University Press, Cambridge, Eng.
-116-
pp. 177-179, 1952
Doping
Literaturverzeichnis
[18]
S.C. Choo
"Theory of a Forward-Biased Diffused-J unction P-L-N Rectifier.
Part I: Exact Numerical Solutions
BEEE Trans,
[19]
H.
on
Electron Devices, Vol. 19, pp. 954
Conf. record,
Soc. Ann.
966, August 1972
Meeting
IEEE-IAS-1984,27A (1984)
F. Fasce et al
2nd Int. Conf. Home Electronics
IEE Conf. Publ. No. 264
[21]
-
Berg, B.Thomas, H.Schlangenotto and D.Silbert
Industry AppUcations
[20]
"
Variable-Speed Drives
(1986)
E.Spenke
"pn-Ubergdnge"
Halbleiterelektronik, Springer-Verlag Berlin, 1979
[22]
E.
Spenke
"Elektronische Halbleiter"
2.
[23]
Auflage, Springer-Verlag, BerUn,
1965
S.M. Sze
"Physics of Semiconductor Devices"
2nd Edition,
[24]
B.J.
Wiley,
New York, 1981
BaUga
"Silicon
Integrated Circuits"
Part B, ed., D., pp. 110-274,
[25]
B.J.
BaUga
"Modern Power Devices"
J.
[26]
Wiley
&
Sons, Inc., New York, 1987
J. Reisinger and L. Palmetshofer
"Fermi-Level
Appl. Phys.
[27]
Dependence of Defect Profiles
in
H*-bombarded Silicon'
Lett. 59 (27), pp. 3583-3585, 30. Dec. 1991
N.V. Kolesnikov, V.N. Lomasov and S.E. Mal'khanov
"Spectrum and Spatial Distribution of Radiation Defects
Irradiated Silicon
Sov.
"
Phys. Semiconductor, 22(3),
-
March 1988
117-
in Proton
Literaturverzeichnis
[28]
V.V. Karavaev, N.V. Kuznetsov and V.N. Filatov
"Simple Model of Radiation Defect Accumulation
Irradiated with
Sov.
[29]
Hydrogen
and Helium Ions
Phys. Semiconductor, 24(7), July
Defects
1990
in Semiconductors"
Nuclear Instruments and Methods, 182/183
"Measurement
J.
to
L.C.
Phys.
Damage
et
Sections and
"
pp. 1543, (1982)
al
Conf. Ser. 46, 273, (1977)
et
"Correlation
[33]
Gold and Platinum in Silicon
Kimerling
G. Ferenczi
J.
of Minority Carrier Capture Cross
Appl. Phys., 53, (3),
Inst.
[32]
Bradley
S.D. Brotherton, P.
Application
(1981), pp. 457-476,
Publishing Company
Norm-Holland
[31]
n-Type Silicon
J.W. Corbelt, J.P. Karins
"Ion-Induced
[30]
in
"
al
of the Concentration of the Carbon-Associated
Radiation
Levels with the Total Carbon Concentration in Silicon
Appl. Phys., 63, (1),
pp. 183,
"
(1988)
B.G. Svensson, C.
Jagadish,
"Generation Rate
of Point Defects
J.S. Williams
in Silicon Irradiated
by
MeV Ions"
Nucl. Instr. Meth., 1993
[34]
B.G. Svensson, A. Hallen, B.U.R.
Sundqvist
"Hydrogen-Related Electron Traps
Float Zone Silicon
Materials Science and
[35]
Engineering,
B4
(1989),
pp. 285-289
K. Irmscher, H. Klose, K. Maass
"Hydrogen-Related Deep
J.
[36]
in Proton-bombarded
"
Phys.
C: Solid State
Levels in Proton-Bombarded Silicon
Phys., 17, (1984),
pp. 6317-6329
K. Irmscher
Dissertation, Humbolt Universitat, Berlin, (1985)
-118-
"
Literaturverzeichnis
[37]
M.-A
Trauwaert, J. Vanhellemont, E. Simoen, C. Claeys,
B. Johlander, L. Adams, P. Clauws
"Study of Electrically Active
Irradiated Diodes
Lattice
IEEE Trans. Nucl. Science, Vol.
[38]
Defects
in
Cf-252 and Proton
"
NS-39, No. 6, December 1992
Fairfield, B. V. Gokhale
J.M.
"Gold
Recombination Center in Silicon
as a
"
SoUd State Electron., Vol. 8, No. 8, pp. 685-691, 1965
[39]
M.D. Miller
"Differences between
Platinum and
Gold-Doped Silicon
Power Devices"
IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-23, No. 12, pp. 1279-1283, 1976
[40]
K.P. Lisiak, A.G. Milnes
"Platinum
J.
[41]
as a
Appl. Phys.,
B.J.
BaUga,
Lifetime Control Deep Impurity
in Silicon
"
Vol. 46, No. 12, pp. 5229-5235, 1975
S. Krishna
"Optimization of Recombination Levels and their Capture Cross Sections
in Power
Rectifiers and Thyristors"
SoUd State Electron., Vol 20, No. 3, pp. 225-232,1977)
[42]
J. Burtscher, F. Dannhauser und J. Krause
"Die Rekombination in
Einfluss
Thyristoren und Gleichrichtern
aus
Silizium: Ihr
auf die Durchlasskennlinie und das Freiwerdezeitverhalten"
Sohd-State Electronics, Vol. 18, pp. 35-63, 1975
[43]
P.
Rai-Choudhury et al.
"Electron Irradiation Induced Recombination Centers in Silicon
Carrier
IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-23, No. 8, pp.
[44]
A.O.
Minority
Lifetime Control"
Evwaraye,
B.J.
814-818, 1976
BaUga
"The Dominant Recombination Centers in Electron Irradiated
Semiconductor Devices"
J. Electrochem.
Soc, Vol. 124, No. 6, pp. 913-916, 1977
-119-
Literaturverzeichnis
[45]
A.O.
Evwaraye, E. Sun
"Electron-Irradiation-Induced Divacancy in Lightly Doped Silicon
J.
[46]
Appl. Phys.,
"
Vol. 47, No. 9, pp. 3776, 1976
S. Mottet
"Defaults
Dans Le Silicium De
Type p lrradie
Par Protons"
These No. 754
Universite Paul Sabatier de Toulouse, 1977
[47]
M.
Hiippi
"Protonenbestrahlung
von
Silizium:
Vollstdndige
elektrische
der erzeugten Rekombinationszentren"
Charakterisierung
Diss. No. 8755
ETH Zurich, 1989
[48]
W. Wondrak
"Erzeugung
von
Strahlenschdden in Silizium durch
Elektronen und Protonen
Diss.
[49]
hochenergetische
"
Johann-Wolfgang-Goethe-Universitat,
Frankfurt
A. Hallen
"Lifetime Controll
in Silicon
by
Fast Ion Irradiation
"
Thesis, Uppsala University
Uppsala,
[50]
1990
S. Oosterhoff
"High Energy
Ion
Implantation for IC Processing"
Thesis, TH Twente
Twente, 1986
[51]
T. Mouthaan
"Deep
Ion
Implantation for Bipolar Silicon
Devices"
Thesis, TH Twente
Enschede, 1986
[52]
R. Middleton, J. Klein, and D. Fink,
"A
C02 Negative
Ion Source for
14C Dating"
Nuclear Instruments and Methods B43 (1989)
-120-
p.231
am
Main, 1985
Li te raturverzeichnis
[53]
TRIM 89: PC-Version
developed by
J. P. Biersack and J. F.
Ziegler
IBM-Research, Yorktown, New York, 10598 USA. [1989]
[54]
D.
Silber, W.D. Nowak, W. Wondrak, B. Thomas, H. Berg
"Improved Dynamic Properties of GTO-Thynstors
Implantation
and Diodes
by
Proton
"
Conf. Proc. IEDM 85, pp. 162-165
[55]
R.
Schlosser, P. Voss
"Protonenbestrahlung
von
Dioden und Thyristoren,
erganzende
Untersuchungen"
Conf.
[56]
Nov. 1990
Proceedings, Freiburg,
V.A.K.
Temple,
"Optimizing
F.W.
Holroyd
Turn-Off and Forward Drop
Technical
Profile for Improved Trade-Off between
Carrier Lifetime
"
Report No. 82CRD312,1983
General Electric
[57]
D.
Braunig
"Wirkung hochenergetischer Strahlung auf Halbleiterbauelemente"
Springer-Verlag BerUn, 1989
[58]
Y. Ohmura, Y. Zohta, M. Kanazawa
"Electrical
Properties of n-Type
Si
Layers Doped
with Proton
Bombardment Induced Shallow Donors"
Solid-State Communications, Vol.11, pp. 263-266, November 1972
[59]
Y.
Ohmura, Y. Zohta, M. Kanazawa
"Shallow Donor Formation in Si Produced
Phys. Stat. Sol. (A),
[60]
Y. Zohta, Y.
by
Proton Bombardment"
Vol. 15, pp. 93-98, 1973
Ohmura, M. Kanazawa
"Shallow Donor State Produced by Proton Bombardment
Japan.
[61]
J.
Appl. Phys.,
of Conduction
"
Vol. 10, pp. 532-533, 1971
Yu.V. Gorelkinskii, V.O.
"EPR
of Silicon
Sigle, and
Zh.S. Takibaev
Electrons Produced
in
Silicon
Implantation"
Phys. Stat. Sol. (A), Vol. 22, pp. K55-K57, 1974
-
121-
by Hydrogen
Ion
Literaturve rze ic hnis
[62]
G.W. Neudeck
The PN Junction Diode; second ed.
Modular Series
Reading,
[63]
"Modelling
Diffused Layers ofn+-p
cop. 1989
B.J.
BaUga,
versus
Doping
M.S. Adler
of Carrier Lifetime Profil
Semiconductors
IEEE Trans,
on
H. Benda, E.
"Reverse
of Minority-Carrier Lifetime
Silicon diodes"
Devices, Vol. ED-29, pp. 284-291, February 1982
Electron
on
"Measurement
in
Diffused Layers of
"
Devices, Vol. ED-25, 4, pp. All-All, 1978
Electron
Spenke
Recovery
Processes in Silicon Power
of the IEEE, Vol. 55, No.
Proceedings
[66]
Addison-Wesley,
and Measurements
IEEE Trans,
[65]
Solid State Devices Volume JJ, 180 pages
Massachusetts:
D.J. Roulston, N.D. Arora and S.G. Chamberlain
in
[64]
on
[1989]
Rectifiers"
8, August 1967
A. Herlet
"The Forward Characteristic
of Silicon Power Rectifiers
at
High
Current
Densities"
Solid-State Electronics, Vol. 11, pp. 717-742, November 1968
[67]
H.M. Lawatsch
"Leistungsdioden
mit
Lastkreis; Physikalisches Modell undExperimente"
Diss. Nr. 10126,
ETH Zurich, 1993
[68]
S.K. Ghandi
"Semiconductor Power Devices
Wiley,
[69]
"
New York, 1977
M. Kubat
"Power Semiconductors
"
Springer-Verlag, BerUn, 1984
[70]
J.N. Sandoe, J.R.
"Properties
Insulating
Hughes
of the SIPOS-Silicon
Films
on
Interface"
Semiconductors, Elsevier Science PubUshers B.V.
(North-Holland), pp. 217-221, 1986
-122-
Literaturverzeichms
[71]
T Matsushita, T Aoki.T Ohtsu.H Yamoto.H
Hayashi.M Okayama,Y
Kawana
"Highly Reliable High-Voltage
Transistors
by Use of the SIPOS Process"
IEEE Trans Electron Device, Vol ED-23, pp
[72]
826-830, 1976
I Strzalkowski
"Ion
Implantation Induced Electron Traps
Insulating
Films
on
in
Si02
Films
"
Semiconductors, Elsevier Science Publishers B V
(North-Holland), pp 169-177,1986
[73]
E P. Burte, G H Schulze
"The Correlation Between the Breakdown
Passivated
Voltage of Power Devices
by Semi-Insulatmg Polycrystalltne Silicon
and
Effective
Density of Interface Charges"
IEEE Trans Electron Devices, Vol ED-38, No 6, pp
1505-1509, June
1991
[74]
EP Burte
"Interface Trap Density
Crystalline
[75]
Silicon
near
Midgap of SIPOS
SOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY,
pp 1017-1019,
1988
April
J W Osenbach, W R Knolle
"Humidity Induced Structural Changes
in
SIPOS"
Abstr,87, pp 147-148, 1987
Th Stockmeier
"Passivierung
von
Leistungsbauelementen mit sauerstoffdotierten
polyknstallinen Siliziumschichten
"
Diss Techmsche Fakultat der Umversitat
[77]
Deposited on
J Electrochem Soc
Electrochem Soc Ext
[76]
Films
"
Persohnhches
Gesprach
mit
M Dobeli
Paul Schener Institut (PSI)
Mittelenergiephysik-ETH
8093 Zunch / Schweiz
-
123-
Erlangen-Numberg [1990]
Literaturverzeichnis
[78]
Persbhnliches
Gesprach
mit
W. Zoller
ABB Semiconductors AG
5600
[79]
R.
Schweiz
Lenzburg
Stengl
Planar Junctions
"High-Voltage
Investigated by
the OBIC Method"
IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-34, No. 4, 1987, pp. 911-919
[80]
Th. Flohr
"OBIC-
undphotoakustische Untersuchungen
pn-Uebergdngen:
Ermittlung
die
von
an
hochsperrenden
Diffusionsldngen, Lebensdauern,
Oberflachenrekombinationsgeschwindigkeiten und elektrischen
Feldverteilungen
Diss Universitat
[81]
Th. Flohr, R.
"
Erlangen / Niirnberg 1989
Helbig
"Determination
of the Spatial
Proton-Irradiated Si
n+-n-p+
Variation
Diode
of the
Carrier
Lifetime
in
a
by Optical-Beam-Induced-Current
Measurements"
IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-37, No. 9, 1990
[82]
Th. Flohr, R.
Helbig
"Determination
of Minority-Carrier Lifetime and Surface Recombination
Velocity by Optical-Beam-Induced-Current Measurements
Light Wavelengths
J.
[83]
Appl. Phys.
different
66 (7), 1989,
J. Linnros, P. NorUn and A. Hallen,
"A New
Technique for Depth Resolved
Measurements
Applied to
Carrier Recombination
Proton Irradiated
Thyristors"
IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-40, No. 11, 1993
[84]
at
"
F. Berz, H.K. Kuiken
"Theory of Life
the
Scanning
Time Measurements with
Electron
Microscope: Steady
State"
Solid-State Electronics, Vol.19, 1976, pp. 437-445
-124-
Literaturverzeichnis
[85]
H.K. Kuiken
"Theory of Life
the
Scanning
Time Measurements with
Electron
Microscope: Transient Analysis
SoUd-State Electronics, Vol.19,
[86]
R.J.
Soukup,
1976, pp. 447-450
J.P. Ekstrand
"Electron-Beam-Induced Currents collected
Junction
J.
[87]
by
a
p-n Junction
offinite
Depth"
Appl. Phys. 57 (12), 1985, pp. 5386-5395
D.E. Ioannou, C. A Dimitriadis
"A SEM-EBIC Minority-Carrier
Diffusion-Length
Measurement
Technique"
IEEE Trans. Electron Devices, Vol.
[88]
ED-29, No 3, 1982, pp 445-450
C. Donolato, M. Kittler
"Depth Profilling of the Minority-Carrier Diffusion Length
Gettered Silicon
J.
[89]
Appl. Phys.
by
63
in
Intrinsically
Electron-Beam-Induced Current"
(5), 1988, pp. 1569-1579
J.D. Kamm, H. Bernt
"Theory of Diffusion Constant-, Lifetime-, and Surface Recombination
Velocity-Measurements
with the
Scanning Electron Microscope
"
SoUd-State Electronics, Vol. 21. pp 957-964
[90]
C. Hu, C.
Drowley
"Determination
of Diffusion Lentgth and Surface Recombination Velocity
by Light Excitation
"
SoUd-State Electronics, Vol. 21. pp 965-968
[91]
R.Rosch
"Verfahren
Messen
[92]
H.
+
zur
Messung der Lebensdauer von Ladungstragem
Dioden
Prufen/Automatik .November 1978
Schlangenotto,
"On the
in
W. Gerlach
Effective Carrier Lifetime
in p-s-n
Rectifiers
Levels"
Sohd-State Electronics, Vol. 12, 1969, pp 267-275
-
125-
at
High Injection
"
Literaturverzeichnis
[93]
H.
Schlangenotto,
"On the
Levels
W. Gerlach
Post-Injection Voltage Decay ofp-s-n Rectifiers
at
High Injection
"
SoUd-State Electronics, Vol. 15, 1972, pp. 393-402
[94]
J. Waldmeier
"A Contactless Method for Determination
of Carrier Lifetime, Surface
Recombination
Velocity, and Diffusion Constant
in Semiconductors"
Brown Boveri Research Center Red
[95]
I.
Ruge
"Halbleiter-Technologie
"
Halbleiter-Elektronik 4, zweite
Auflage
1984
Springer-Verlag,
[96]
Report Nr. CRB87-81C, 1987
M. Saritas, H.D McKell
"Comparisation of Minority-Carrier Diffusion Length Measurements
Silicon
by
the Photoconductive
J.
[97]
H.
Appl. Phys.
Griming,
63
Decay
(9), 1988,
and
Surface Photovoltage Methods
"
pp. 4561-4567
J. Voboril
"Der feldgesteuerte
Thyristor (FCTh)
-
Ein
weitgehend optimalen Eigenschaften fiir
Leistungsbereich
Leistunggsschalter
mit
den Einsatz im oberen
"
Archiv fur Elektronik, 72,
[98]
in
(1989), pp. 69
-
82'
P. Streit
"High Power Reverse Conducting GTO"
Power Semiconductor Devices and Circuits
Edited
[99]
by
A.A.
JaeckUn, Plenium Press. New York, 1992
J.P. O'Connor, N. Tokoro, J. Smith, M. Sieradzki
"Performance Characteristics of the
Implantation System
Genus INC. IX-1500
High Energy Ion
"
Nuc. Inst, and Methods in
Phys. Research B37/38
-
126-
,
pp. 478-485, 1989
Literaturverzeichnis
[100]
R.D. Rathmell, J.E. Raatz, B.L. Becker, R.L. Kitchen, T.R. Luck,
J.H. Decker
"The VP 7-200
Batch-Processing Wafer Handler"
Nuc. Inst, and Methods in
[101]
R.D.
Research B37/38
Phys.
,
pp.
497-499, 1989
Rathmell, J.E. Raatz, B.L. Becker, R.L. Kitchen, T.R. Luck,
J.H. Decker
"High Throughput Batch Wafer Handler For
[102]
G.A. Norton, G.M.
"Performance
Klody,
[103]
Current
Implantation
Research B24/25
Phys.
,
pp. 793-796, 191987
"
Research B40/41, pp. 515-517, 1989
Phys.
of Single-Ended
and Ion Beam
Nuc. Inst, and Methods in
M.R. Pinto, C.S.
Stanford Electronics
Stanford
"PISCES-II:
Research B50, pp. 455-459, 1990
Phys.
Continuity Equation Solver"
Technical
Laboratory
Rafferty,
H.R.
Report,
1984
Yeager,
R.W. Dutton
Supplementary Report"
Stanford Electronics
Stanford
Graaff Accelerators for Ion
Analysis"
University, September
M.R. Pinto, C.S.
Van De
Rafferty, R.W. Dutton
"PISCES-II: Poisson and
[107]
High Energy Implantation System
H.A.P. Van Oosterhout
"A New Generation
[106]
"
Loger
Pelletronfor Ion Implantation
Nuc. Inst, and Methods in
[105]
Wafers
J.B. Schroder
"High
[104]
R.L.
of the NEC Production
Nuc. Inst, and Methods in
mm
Research B40/41, pp. 543-546, 1989
Phys.
Nuc. Inst, and Methods in
100 To 200
Laboratory Technical Report,
University, 1985
R. Pacheco, T. Stockmeier
"Simulation
Research
ABB
of Fast Power Diodes using ABBPISCES
"
Report CRB 91-004 C
Corporate Research Center, Baden-Dattwil,
-
127-
1991
"
-
128-
Liste der verwendeten
Da sich in der
Symbole
Halbleiter-Physik verschiedene
wurden hier die Einheiten
in
der
Regel
im
Konventionen etabliert haben,
Sl-System angegeben Ausnahmen bil¬
Energien (eV oder MeV), Konzentrationen
(pm, nm) und Zeitendauern (ps)
den
(cm'3),
Flachen
(cm'2), Langen
Tabelle 7
Symbol
Definition
Dimensi
A
Querschmttsflache
cm
b
V-iJV-p
B
(Un-Up)/(Un+Up)
c
Lichtgeschwindigkeil
C
Kapazitat
F
Dnp
Diffusionskoeffizient fur Elektronen, Locher
cm2/s
Da
Ambipolarer Diffusionskoeffizient
D
Implantationsdosis
V
Dicke der
p+-Sctucht
pm
«W
Dicke der n+-Schicht
pm
dn
Dicke der n'-Schicht
um
e
Ladung
E
Elektrische Feldstarke
Vcm
EKnt
Kntische elektnsches Feldstarke
Van1
Ec
Leitungsbandkante
eV
EV
Valenzbandkante
eV
Eg
Energiebandlucke
eV
EF
Fermienergieniveau
eV
E,
Inuinsisches
eV
Ej
Energieniveau
Eo
Bestrahlungsenergie
MeV
£o
Dielektnzitatskonstante des Vakuums
CV'm
eines
7
im
Vakuum
m
s'1
cm"
C
Elektrons
Fermienergieniveau
der StSrstelle
-
129-
'
eV
Liste der verwendeten
Symbole
Tabelle 7
Dimension
Definition
Symbol
Er
Relative Dielektnzitatskonstante
Es
Dielektnzitatskonstante
G
Generationsrate
cm
h
Plancksche Konstante
Is
I
Strom
A
If.Ir
Vorwartsstrom, Ruckwartsstrom
A
teck
Leckstrom,
im
Material eo'Ef
CV-'m1
3
s
A
Sperrstrom
ki JRec JS
Generationsstrom, Rekombmationsstrom, Sattigungsstrom
A
!rrm
Ruckstromspitze (Reverse Recovery Maximum)
A
J
Stromdichte
A/cm2
JFJR
Vorw Srtsstromdichte, Ruckwartsstromdichte
A/cm2
JD
Dnftstromdichte
A/cm2
JDif
Diffusionsstromdichte
A/cm2
JG- JRec
Generauonsstromdichte, Rekombinauonsstromdichte
A/cm2
•
•
A/cm2
Locherstromdichte
Jn.Jp
Elektronen
JS
Sattigungsstromdichte
Jv
Dynamische
k
Boltzmann Konstante
Lnp
Diffusionslange fur Elektronen,
La
Ambipolare Diffusionslange
pm
L
Induktivitat
H
La
Parasitare Induktivitat
H
1
Wellenlange
nm,
m0
Elektronen Ruhemasse
kg
rade
Effektive Elektronenmasse
kg
mdh
Effektive LBchermasse
kg
Mc
Anzahl
Mo
Magnetische
A/cm2
Verschiebestromdichte
equivalenter
1
A/cm2
Js
Minima
im
Locher
pm
Leitungsband
Permeabihtat des Vakuums
-130-
pm
VsA'm-1
Liste der verwendeten
Symbole
Tabelle 7
Definition
Symbol
Dimension
craV's-1
Un.Up
Elektronen-, Locherbeweghchkeit
NC
Effektive Zustandsdtchte
im
Leitungsband
Nv
Effektive Zustandsdichte
im
Valenzband
NA
Akzeptorkonzentration
N"A
KonzentraUon lonisierter
nd
Donatorkonzenuauon
cm3
cm
cm'3
Akzeptoren
cm
.3
3
cm
.3
J
N'd
KonzentraUon lonisierter Donatoren
cm
NT
Trapkonzentrauon
cm
n,p
Dichte freier
n0-P0
Gleichgewichtsladungstragerdichte
cm"3
An, Ap
Uberschussladungstragerdichte
cm"3
An(0),Ap(0)
Uberschussladungstragerdichte
Raumladungszonengrenze
n,
Intnnsische Elektronendichte
cm'3
nie
EffekUve intnnsische Elektronendichte
cm
P
Verlustleistung
W
PpPR.Ps
Durchlass-, Sperr-, Schaltverlustleistung
W
q
Elementarladung
C
Q
Gesamtladung
C
Qs
Gespeicherte Ladung
c
p
Spezifischer Widerstand
ftcm
R
Ohmscher Widerstand
Q
R
Netto Rekombmationsrate
cm'
cm'3
Ladungsuager
an
der
cm'3
-3
RAug
RSRH
D
s
-3 -1
Auger-Rekombinationsrate
cm
Shockley-Read-Hall-Gleichgewichts-Neiio-
cm"
^s
Rekombinationsrate
Rsr
Ausbreitungswiderstand(Spreadmg-Resistance)
n
T
Absolute
K
t
Zeit
Temperatur
s,
-131-
ps
s
Liste der verwendeten
Symbole
Tabelle 7
Symbol
Definition
Dimension
tn
Sperrverzbgerungszeit
s, ps
tk
Kommutierungszeit
s, US
ts
Spannungsnachlaufzeit
s, us
tf
trr-ts
s,
*a
Ambipolare Ladungstragerlebensdauer
ps
*eff
Effektive
us
V*p
Ladungstragerlebensdauer
xrl> tLL
Hoch-, Niederinjektionslebensdauer
*G
Generationslebensdauer
US
vn,p
Driftgeschwindigkeit
cm/s
V
Spannung
V
VBR
Durchbruchspannung
V
V,nd
Induzierte
V
v
Spannungsabfall
uber hochdotierte
vm
Spannungsabfall
iiber der
VF
Vorwartsspannungsabfall
V
Vr
Sperrspannung, Riickwa'rtsspannungsabfall
V
VRM
Maximaler
V
VT
kT/q(
w
Raumladungszonenbreite
pm
¥
Potential
V
n,p
=
Ladungstragerlebensdauer
fiir Elektronen, Locher
Spannung
niedngdotierten
RUckwartsspannungsabfall
25mVbeiT=300K)
-132-
us
ps
der Elektronen, Locher
n+, p+
ps
Randschichten
V
Mittelschicht
V
V
Liste der verwendeten
Abschalttransienten fur Strom und
Spannung
l
mit
entsprechenden Bezeichnungen:
trr
i
VF,IF
".
ts
t
„
t
'f
1
I
^k
I
i
1
1
\
i
V
1
t
\
VdV/dt
-
dlp/dt \
Qs'
\
10%
I
\
j
VVrm
/ dIR/dt
Vr.Ir
'RRM
'
-
Irrm
t
\
133-
Symbole
'Leek
-
134-
Anhang
Anhang A.
A.l
A
Charakterisierungsmethoden
Resistance
Spreading
zur
Implantationsprofilbestimmung
Die Spreading-Resistance Messung bemht auf der Bestimmung des elektrischen
Ausbreitungswiderstandes zwischen zwei Sonden, welche auf die Sihziumoberflache gedmckt werden. Damit man nun in die Tiefe der Probe messen kann, wird
die Probe mit
einem
bestimmten Winkel
Probenhalter
Fig. A-l
angeschhffen
und
pobert
vordefimertem Winkel
mit
Spreading-Resistance Technikfur Defektprofil-Messungen
Die Sonden werden auf die obere Schhffkante jusuert und anschliessend auf der
angeschhffenen Oberflache
Schntt findet
eine
schnttweise verschoben
Widerstandsmessung
tion
sehr hoch ist, erkennt
tem
Schhffwinkel kann die Tiefe der
Lage
Die
Dort,
Veranderung
man erne
Anhaufung
wo
(Fig A-l) Nach jedem
die Storstellenkonzentra-
des Widerstandes Mit bekannerrechnet werden Damit ist die
der Storstellen bestimmt
Spreading-Resistance Technik
vergleichende
p-Typ
A.2
statt
hefert keine absoluten Werte Sie
Messmethode, die mit
Silizium kabbnert werden
entsprechenden
ist nur eine
Eichwerten fur
n-
und
muss
Ladungstrager-Lebensdauerbestimmung
Es hat sich gezeigt, dass fur Simulauonen der
beim Abkommutieren
von
dynamischen Abschalteigenschaften
Hochleistungsdioden, die ungenaue Kenntnis der La¬
eine ungenugende quantitative Ubereinsummung zwi¬
expenmentellen und modellierten Daten ergibt Der Wunsch nach kleinerer
Diskrepanz und damit besserer Vorhersage setzt voraus, dass das Tragerlebens-
dungstragerlebensdauer
schen
dauerprofil
in
der Probe
so
genau
wie
moghch
-135-
bekannt
ist
Nun
gibt
es
mehrere
Anhang
A.
experimented Moglichkeiten
verschiedene
diese Techniken
setzen
die Lebensdauer
aber bestimmte
Bedingungen
Giiltigkeitsbereich oder sind
ben einen beschriinkten
"Open Circuit Voltage Decay (OCVD)" [91J[92][93]
effektive Hochinjektionstragerlebensdaueriiber
Methode ist
voraus,
zu
bestimmen. Alle
beziehungsweise ha¬
sehr
aufwendig.
zum
Beispiel ergibt nur eine
das ganze Bauteil
falls die lokale Lebensdauer eines
ungeeignet,
(Appendix A.3).
gemittelt. Diese
inhomogenen Profils zu
bestimmen ist
Die Zwei Laser Infrarot (ZLIR) -Technik [94] braucht geeignete Proben kleiner Aus¬
dehnung
mit
planparallelen polierten
zwei
je
und rauhen Kanten, welche grosse
Oberflachenrekombination erzeugen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode wird
in
[83] vorgestellt,
mit der die lokale
Hochinjektionstrdgerlebensdauerfiii niedrig
dotierte Proben bestimmt werden kann.
Electron Beam Induced Current
hohe
Ortsaufidsung
aber nur eine geringe
von etwa
(EBIC) [84][85][86][87] erreicht
0.1 bis 1 pm
je
nach
Energie,
zwar
eine sehr
die Elektronen haben
Eindringtiefe von wenigen Mikrometem. Damit fallt die Ober¬
flachenrekombination stark ins Gewicht und verfalscht das Resultat. Zudem kann
die hohe
Ladungskonzentration der Elektronen
Feld der
Raumladungszone
Auch die
"Optical
stellt eine
storend wirken oder das elektrische
den Strahl ablenken.
Beam Induced Current (OBIC)" [79] [80][81][82] Messmethode
Mbglichkeit
dar eine ortlich
aufgeloste Minoritatstrager-Lebensdauerder Ladungsunabangigkeit des einfallenden Lichtstrahls und der relativ grossen Eindringtiefe bei richtig gewahlter
Wellenlange. Der Nachteil dieser statischen Methode ist, dass bei hoher Tragerinbestimmung
machen. Der Vorteil
zu
liegt in
jektion, die Tragerdiffussion das Resultat verschmiert, zudem wird die Lebensdauer
iiber die Diffusionslange bestimmt, was einen konstanten Diffusionskoeffizient voraussetzt.
Dieser
muss
iiber eine andere,
unabhangige
Messmethode bestimmt
wer¬
den.
A.3
OCVD
zur
Mit Hilfe der
Bestimmung
"Open
Circuit
dungstragerlebensdauer
von
durch einen Vorwartsstrom
terbrechung
Diode
der effektiven
Tragerlebensdauer
Voltage Decay"
Dioden bei
Methode lasst sich die effektive La¬
Hochinjektion
(4 A) Ladungstrager
bestimmen. Dabei werden
in die Diode
injiziert.
Nach Un-
des stromfiihrenden Pfades baut sich die Potentialdifferenz iiber der
infolge
von
Ladungstragerrekombination
Aus dem linearen Teil des zeitlichen
ab.
Spannungsabfalls ergibt sich
die effektive Le¬
bensdauer.
x
=
-2kT/(q dV/dt)
-136-
(A.l)
Anhang
x, Boltzmannkonstante
(Lebensdauer
A
k, Temperatur T, Tragerladung q,
Spannungstransiente dV/dt)
Dabei ist
zu
beachten, dass die gemessene Lebensdauer uber das ganze Bauteil ge-
mittelt ist, und sich
Der Vorteil
gibt
aus
der Summe der Locher- und der Elektronenlebensdauer
hegt dann, dass das Bauteil
zur
nicht
Messung
zerstort
er¬
werden
muss
unbestrahlte
Referenzdiode
a)
,__,
-,U, ..*
-~
1 J
«
n
O nicht
Ui
U
9
getempert
getempert, 285 C, 60
m
mm
o
Protoneneindnnguefe 20um
anodenseitige Implantation
c
o
J2
rle
30
-
u
OS
es
H
t
20
-
3
M
UJ
10
10
11
1012
Dosis
10
13
10
14
[cm'3]
b)
24
i
16
'
'
i
i
'
•
i
i
O
anodenseitige Implantation
D
kathodensemge Implantation
ungetemperte
Dosis
p+n n+
Dioden
5«10l2cm"3
u
en
M
a
0
_i_
0
40
80
120
Anode
Fig.
A-2
Tiefe
160
200
[pm]
240
280
Kathode
Effektive Hochinjektionstragerlebensdauer gemessen
mit
OCVD-Methode bei 300°K
a) In Abhangigkeit der Bestrahlungsdosis
b) In Abhangigkeit der Lage des Implantationsprofilmaximums
-
137-
der
Anhang
B
Anhang
Physikalische Begriindung der
B.
Effektivitat
nahe
B.l
Die
-
in der Diode
Vorwartsrichtung
In
in
Rekombinationszentren
p+n Ubergang
am
Ladungstrager verteilung
B.l.l
von
hohen
Vorwartsrichmng geschaltene Leistungsdiode
wird
vom
Diffusions- und
Rekombinationsstrom durchflossen Sie ist mit Lochern und Elektronen iiber¬
schwemmt, da standig Elektronen
mittels Diffusion in die Basis
gen die beiden
konzentration
Ort
injiziert
Ladungstragerdichten
Nd
sie
n+-Emitter bzw. Locher
sich
aus
p und
p+-Emitter
n (Fig. A-3) dabei die Dotierungs¬
(Nd=non. bei T=300K), womit der
ist. Dies hat fur die
Tragerlebensdauer
die Konse-
der Summe der Elektronen- und Lbcherlebensdauer
am
2.4 1).
ergibt (Kapitel
Ladungstragerdichten steigen, infolge
Beide
trabtat,
am
Rand der Basis
Durch die hohe
strager
ten
vom
werden. Bei hohen Stromdichten uberstei-
der n"-Basis bei weitem
Hochinjektionsfall gegeben
quenz, dass
vom
der
Beibehaltung
der
Ladungsneu-
(Vergleiche Fig A-3 und Simulauonen Fig 7-1).
Tragerkonzentration werden mittels Diffusion auch Minoritat-
(n^, pn+)
an
in die hochdotierten Emitter
nehmen aber mit zunehmender
injiziert.
Entfernung
Rekombination ab und erreichen die Werte
nop+
von
Die
Minoritatstragerdich-
der Basis
infolge starker
und pon+ des thermischen Gleich-
gewichts
n
-Emitter
metallurgische
Ubergange
Fig.
A-3
Tragerdichte
innerhalb
einer in
Diode (schematisch)
-138-
Durchlassrichtung geschaltenen
Anhang
Die
eingestellte Tragerverteilung
Trager aufrecht erhalten bleiben
Ladungstrager fliesst ein
Die Rekombination
als
in
kann
Im
nur
durch
Gleichgewicht,
standiges Nachfuhren
bei konstanter
B
neuer
Verteilung der
konstanter Gesamtstrom durch die Diode
den hochdouerten Zonen ist
Grossenordnungen
um
hoher
-Basis Daher ist die
Minontatstragerdichte in den Emittern sehr geMmoritatstrager Pagen somit nicht stark zum Gesamtstrom bei
Die Rekombination in der n"-Basis ist um Grossenordnungen gennger als in den
hochdouerten Zonen Der vorwiegende Locherstrom des p+-Emmers wird in der
in
der
n
nng Diese
n"-Basis zunehmend
vorwiegend fliesst
vom
Elektronenstrom ubernommen, welcher
Die resultierende
Spannung
schen
und durch die
wird durch die Potentialschwellen der
Ubergange
festgelegt Der Widerstand
in
sigbar (ohmscher Kontakt)
Der Widerstand
nicht,
im
n+-Enutter
Der Gesamtstrom bleibt dabei konstant
physikahsch zu
Spannungsabfalle
den hochdouerten Emittern
in
der
metallurgi¬
uber den Bahnwiderstanden
ist
jedoch
vernachlas-
niedngdouerten Basis dagegen
Energiebandverbiegung fuhrt (Fig A-4 a) In der
Regel
Energieband ausserhalb der Verarmungszone flach und horizontal eingezeichnet Der Grund dafur hegt in der Annahme,
dass uber den neutralen Gebieten kein Spannungsabfall auftntt Als Konsequenz
muss naturbch die ganze Spannung uber der Verarmungszone abfallen Diese An¬
nahme ist im Grande allgemein gultig Sie verliert aber ihre Gultigkeit bei nur
was
wird aber
in
einer
Illustrauonen das
leicht dotiertem Matenal (hoher Widerstand) und bei sehr hohen Stromen
a)
'
Fig.
A-4
~
b)
c)
Energieniveauschemen einer p^n n*-Diode
a) In Vorwartsrichtung geschaltene Diode
b) Unbeschaltene Diode
c) In Ruckwartsnchtung geschaltene Diode
-139-
~^~
Anhang
B.
In
B.1.2
Riickwartsrichtung
Beim Abkommutieren wird das in
Umpolung
durch die
Trager
Vorwartsrichmng
mehr in die Basis. Die
trager in
erreichte
der Anschliisse gestort. Die Emitter
injizieren
Bandverbiegung
Richtung niedriger Energie treiben konnen (Fig.
fliessen gegen den
Gleichgewicht
keine
andert sich so, dass die
A-4
neuen
Ladungs¬
c:). Die Locher
p+-Emitter, wahrend die Elektronen in Richtung n+-Emitter ge-
trieben werden.
Durch die Abnahme der
Tragerkonzentration
Driftstrom den Diffusionsstrom in der
an
der
Basisgrenze beginnt
Raumladungszone
zu
der
iibertreffen. Damit
Minoritatstrager mehr in die Emitter injiziert. Die verbleibenMinoritatstrSger der Emitter rekombinieren oder bewegen sich durch Diffu¬
werden netto keine
den
sion in die
Raumladungszonen RLZj und RLZ2, wo sie infolge des elektrischen
Minoritatstragerdichten in den Emittern nehmen
Feld'-s in die Basis driften. Die
also durch Diffusion in die
Raumladungszonen
und durch Rekombination ab
(Fig.
A-5).
np+
Fig.
Schematische
A-5
Pn+
Darstellung der zeitlichen Anderung
noritdtstrdgerdichten
der Mi-
in den Emittern wahrend des Abkommuti¬
ervorgangs.
Die Ldcherkonzentration der Basis sinkt daher zuerst
wahrend sich die Elektronendichte
uber die Emitter keine
zu
einem
kathodenseitig
der Anode her vermindert
Ladungstrager injiziert werden,
Rekombination auch die
Dies fiihrt
von
Majoritatstragerdichte
ab (Fig. 7-2),
(Fig. 7-3). Da
reduziert sich durch die
der Emitter nahe der
Ubergange.
Obergewicht des Driftstroms am Ubergang, welcher dem Dif¬
fusionsstrom entgegengesetzt ist. Dadurch driften die Lbcher in den
p+-Emitter
p+n"-
zuriick. Durch diesen
Vorgang
Ubergang
gegeniiberliegenden Ubergang abgebaut.
Raumladungszone am p+n"-Ubergang (RLZ,) diffundieren,
wird in der Basis die Ldcherdichte auch
und die Elektronendichte
Locher, welche in die
werden durch das elektrische Feld in
von
am
am
Richtung p+-
sinkt die Lbcherdichte der n"-Basis nahe der
-140-
Folge da¬
Raumladungszone und wegen
Emitter gesogen. Als
Anhang
B.
der Quasineutralitat auch die Elektronendichte. Sobald der
p+n'-Ubergang
ent-
leert ist, kann sich die
Spenspannung
auf-
Raumladungszone
ausbreiten und die
nehmen
B.2
Homogene Rekombinationszentrendichte
Das
Einbringen
einer
homogenen Rekombinationszentrendichte
iiber die ganze
Basis, wie sie durch die Elektronenbestrahlung verarsacht wird, beschleunigt den
Prozess des
lich die
Tragerabbaus innerhalb der Diode. In Durchlassrichtung wird nam¬
injizierte Tragerdichte in der ganzen n"-Basis herabgesetzt. Beim Abkom-
mutiervorgang
ist somit der
dungszone kann
p+n"-Ubergang
sich fruher aufbauen. Ein
schneller entleert und die Raumla¬
gewichtiger Nachteil
der Elektronen¬
bestrahlung ist, dass die kleinere Tragerdichte und allenfalls eine geringere
Tragermobilitat (Streuung
an
den Zentren), die
Leitfahigkeit
in Durchlassrich¬
tung massiv verschlechtert und den elektrischen Widerstand erhoht.
P
v
=
—,
(A.D
r
ff(»P„+PPp)
Damit
B.3
ergibt
sich ein unerwunscht hoher
Durchlassspannungsabfall.
Inhomogene Rekombinationszentrendichte
Die
Protonenbestrahlung bietet die Mbglichkeit eines inhomogenen Zentrenpro-
fils. Somit kann lokal
sierte
Einbringen
Tragerdichte veningert werden. Das lokaliverringert die Leitfahigkeit nur an dieser Stelle. Der
begrenzt
der Zentren
die
Gesamtwiderstand wird dadurch
unwesentlich erhoht.
nur
Welche Tiefe der Zentrenschicht ist
nun
sinnvoll?
Wie schon in Abschnitt B.1.1 erwahnt wurde, ist die Rekombinauonsrate in den
hochdotierten Emittern
Grossenordnungen hoher als in der Basis. Daher beeingebrachte Rekombinationszentren in den Emittern keine
Steigerung der Rekombinauonsrate. Demgegeniiber ist eine Zentren¬
um
wirken zusatzlich
enorme
schicht in der Basis besonders effektiv.
Da der p+n"-
Ubergang
der Diode
spannung aufnimmt, und
muss
dieser
Ubergang
von
derjenige ist,
welchem sich die
beim Abkommutieren
Rekombinationszentren, welche nahe
deshalb den grdssten Einfluss auf die
gische Ubergang
am
welcher
praktisch die ganze Spen¬
Raumladungszone
mbglichst
lokalisiert sind, haben
Geschwindigkeit,
Raumladungszone
-141-
entwickelt,
rasch entleert werden.
p+n'- Ubergang
entleert wird, und sich die
aus
mit welcher der metallur-
aufbauen kann.
Anhang
C.
Anhang C.
C.1
Herleitungen
Berechnung
der
Durchbruchspannung bei erhohter n-Dotierung
Mittelregion einer p+n"n+-Diode.
in einem Teilbereich der
p+n'n+-Struktur bei Raumtemperatur betrachtet. Die
es gelte p+,n+ » n". Damit kann die Feldverteilung
Ubergange seien abrupt
in den hochdotierten Gebieten vernachlassigt werden. Der p+n"-Ubergang befinde
0 und der n"n+-Ubergang am Ort x
sich am Ort x
xm. Im weiteren wird ange¬
Es wird eine eindimensionale
und
=
=
nommen,
an
dass bei einem
den n+-Emitter
Es kann
nun
stosst
mittels
kritische Feldstarke
Gemass Definition
Spannungsdurchbruch
(Fig. A-6 a:).
experimentell
bestimmten
der Diode die
Raumladungszone
Durchbruchspannung U0 (< 0)
die
EK (> 0) bestimmt werden.
gilt:
X
E(x)=EK-$- JND(x)dx
E(x)
U0
=
(A.2)
qNQx
£*-——
(A.3)
-JE(x)dx
=
(A.4)
0
N0
ist die
nommen.
Gmnddotiemngsdichte
Wird
EK aufgeldst,
EK
nun
bekommt
ist damit durch die
Zur
Bestimmung
des n"-Bereiches und wird als konstant ange¬
(A.3) in (A.4) eingesetzt, und die entstehende Gleichung nach
der
man
folgende Beziehung:
gegebenen
Werte
N0,
U0
bestimmt.
Auswirkungen einer protonenimplantationsbedingten,
satzlichen n-Schicht mit
Dotierungskonzentration
(Fig. A-6 b:).
von x
zu-
Ni, wird der Mittelteil der Di¬
ode in drei Teilbereiche unterteilt
Grunddotierung reicht
xm und
=
0 bis
x
=
xi,
-142-
Der Teilbereich 1 mit der
wahrend der Teilbereich 2 mit der Do-
Anhang C.
tierungskonzentration Nj sich
reich
hegt
zwischen
x
=
zwischen
x2 und
x
=
x
=
Xj und
x
=
x2 befindet. Der dritte Be¬
xm und besitzt ebenfalls die
Grunddotierang
N0.
Damit setzt sich die
Gesamtspannung
U
aus
den
Teilspannungen Uj, U2
und
U3
zusammen.
a)
-<
No
b)
No
I
x=0
c)
i
>
X
l\
\2. V^,
x°l
x=0
x,x°zx2
Eindimensionale schematische
starke in
xm
IYa;
Elektr.
A-6
x2
EK
Felds
Fig.
1
Abhangigkeit des
Darstellung der elektrischen Feld¬
Dotierung. Beracksich¬
Ones und der
tigt ist eine zusdtzliche n-Schicht innerhalb der Basis der Diode.
Je nach Konzentration
N0
und
Nj
miissen verschiedene Falle betrachtet werden
(Fig. A-6 c:).
-143-
Anhang C.
1. Fall:
Bei
N0 >
EKe
liegt x01 zwischen 0 und
Dabei
keinen
Beitrag.
Fiir
V\ (^0)
nun
Die
xi.
-£K*oi <"o>
=
nur
Teilspannungen U2
bis
x0i(N0)
und
U3 ergeben
sich:
Uj ergibt
mit
Wird
Raumladungszone (RZ)
reicht die
9*1
+
qN0x20l(NQ)
=^
*o.<"o>
<A-7>
(A.7) in (A.6) eingesetzt, bekommt
VX (N0)
=
(A'6)
-^
man:
-gi
(A.8)
2. Fall:
Bei
Nn <
0
EKe
und
9*i
zwischen Xj und x2.
N, >
'
Ej(N0)
Ei(N0)z
liegt die Grenze
—
q(x2-xl)
am
Ort x12
beschreibt die Feldstarke bei X\.
£t^o) =^K--r1
(A-9>
S
Fiir die
Spannungen ergeben
sich:
U3
=
0
y|(wo)=-Vi
+
«Vl
ir
qNx(xn (NvN0)-x,)2
L_
U2(NVN0) =-El(N0)(xn(NvN0)-xl)+—1 "^
bzw.
mit
U2(NVNQ)
xn(NvN0)
=
—L^p
=_JL-£+Jr,
-144-
(A'10)
(A.ll)
(A.12)
(A.13)
AnhangC
3. Fall:
E2(NvN0)z
Bei
ri^NCl<
—,
q(xm-x2)
der Feldstarke
mit
£A
u
£,(*„)£,
und
N,<—-,
'
9*i
E2(Ni,N0)
am
-
9(*2"xl)
Ort x2
qN,(x2-xl)
E2 (Nv N0)
gilt fur
die
U2
U3
und
=
Spannung \JX
-£, (N0)
die
+
—l—i
L
(A.14)
fci
Gleichung (A 10)
und fur die
Teilspannungen
qNx(x2-x)2
U2(NJ
-£, (NQ)
=
(x2-xx)
+
Tz
ri>Nn<
—;
u
q(xm~x2)
und
N,
<
E (N )e
—^—-—^
9 (x2 ~xx)
E&
—-^l(*2-*l)
Damit bekommt
man
Efr
Nn<-^-,
bzw
o
qxx
stosst
(AJ6)
^vf—
4. Fall:
Bei
(A.15)
E\(Nx,N)zs
U3(NX,N0)=
E2(Nx,N0)zs
is
die
fur die
—
(xm-x2
Raumladungszone
an
+
x0
den n+-Emitter
Teilspannungen \JX, U2
die
Gleichungen
(A 10) und (A 15) und fur U3
U3(NX,N0) =-E2(Nx,NQ)
(xm-x2)
+
qN0(xm-x2)2
Gesamtspannung U in Abhangigkeit der Breite,
Dotierungsdichte der zusatzUchen Schicht berechnet werden
Damit kann die
Fur die
erhohten
betragt 3
der
Beispiele
in
=
=
Dotierungskonzentrabon Nj
expenmentell
der Tiefe und der
Kapitel 6 wurde fur die Basisbreite xm 240
Grunddotierang N0 2«1013 cm"3 eingesetzt Die Schicht mit der
Berechnung
pm und fur die
(A-17)
2"
ermittelte
reichte
von
Durchbrachspannung U0
4kV
-145-
X|
=
0 pm bis x2
=
8 pm Die
der Diode ohne Zusatzschicht
Anhang
D.
Konstanten & Einheiten
Anhang D.
D.l
Wichtige physikalische Konstanten1
Tabelle 8
Konstante
Avogadro
Konstante
Boltzmann Konstante
Symbol
Wert
NA
6.02204*IO23 mol"1
k
1.38066-10'23J/K
8.61713«10"5eV/K
Elementar
Ladung
Elektron Ruhemasse
Protonen Ruhemasse
e
1.602189»1019C
m0
9.1095-10"31 kg
m0cz
0.5110034 MeV
mP,
mpc'
938,2796 MeV
16726«10'27kg
mn
1.6749«10'27kg
mncz
939,5731 MeV
Feldkonstante im Vakuum
"0
1.256637'10-6VsA'1m'1
Elektr. Feldkonstante im Vakuum
£o
8.8542«10'12CV1m'1
Planck'sches
h
Protonen Ruhemasse
Magn.
Wirkungsqiuantum
Lichtgeschwindigkeit
Energie bei 300° K
Thermische
D.2
im Vakuum
Einige
6.62618'10"34Js
4.1357«10'21MeVs
c
2.99792-108 m s'1
kT
0.0259 eV
niitzliche Einheiten
Tabelle 9
Menge
Symbol
Wert
Welleniange X
nm
1
X
1.23977 pm
eV
leV
kT/e
0.0259 V
"
2.54
Wellenlange eines
1-eV
Quantums
Elektronenvolt
Thermische
1 inch
Spannung
bei 300°K
(Zoll)
lTorr
1 nach CRC Handbook of
Torr
Chemistry and Physics, Edition 1978.
-146-
nm
10"3
=
=
pm
=
IO'9 m
1.60218'10',9J
cm
1/760 Atm. -1.333224 mbar
pp F-250
Anhang
Anhang
E.l
E.
Siliziumeigenschaften
Eigenschaften und typische Werte
von
reinem Si bei 300 K
Tabelle 10
Eigenschaften
Si
fiir:
Ordnungszahl
14
Atomdichte (cm
Atomgewicht
in
5.0*1022
)
(1
u
u
=
1/12 der Masse
von
12
C)
28.09
Kristall Struktur
Diamant
Dichte p (g/cm)
2.328
Relative Dielektnzitatskonstante £,.
11.9
Effektive Zustandsdichte
2.8-1019
im
Leitungsband, tic (cm-3)
1.04-1019
Effektive Zustandsdichte
im Valenzband,
Nv (cm )
Effektive Massen
m/mo
Elektronen
m,
=
0.98
m,
=
0.19
mn,
Locher
=
my,
=
0.16
0.49
Elektronenaffinitat, x (V)
4.05
Energiebandliicke Eq (eV)
1.12
Intrinsische Ladungstrager
1.45-10
Konzentration n;
Intrinsische Debye
(cm"3)
Lange Lq (um)
Kritische elektrische Feldstarke
24
Exrit (V/cm)
a
(A)
Tetraedischer Radius rg
-3-I05
2.3-105
Spezifischer Widerstand (Qcm)
Gitterkonstante
10
5.43095
(A)
1.18
2.6-10"6
Koeffizient der linearen
thermalen Expansion (°C
)
Schmelzpunkt (°C)
1415
-147-
[23][68]
E.
Anhang
F
Tabelle 10
Minontatstrager Lebensdauer3
Dnftbeweghchkeitb
p
Si
fur
Eigenschaften
2 5-10
X (s)
(cm2/Vs)
Elektronen
1500
Locher
450
Ionisationsenergie (eV)
36
Optische Phononenenergie (eV)
0 063
Mittlere freie
3
Phononen-Weglange X0 (A)
76 (Elektronen)
55 (Locher)
07
(J/g°C)
Spezifische
Warme
Thermische
Leitfahigkeit
(W/cm°C)
15
09
Thermische Diffusion (cm /s)
1 bei 1650°C
Dampfdruck (Pa)
10
a.
fur hochreines stbrslellenarmes Material
6
bei 900°C
Baliga [25]
b fur hochreines Material
Anhang
F.
Wichtige physikalische Zusammenhange
fiir Silizium
F.l
Temperaturabhangigkeit
gC(D)
der Breite der
="?-
(4 73
Energiebandliicke:
IO-4)?2
(r+636)
-148-
[eV]
(A.18)
Anhang
1.20
;
F.
__
1.15
%,
1.10
:
00
W
&
8>
1.05
•
l.oo
o
J
pa
;
0.95
0.90
s
0.85
0
100
200
400
300
500
600
700
800
900 1000
T[K]
[23] (S.M. Sze "Physics of Semiconductor Devices", Wiley 1981,
F.2
Dotierungsdichteabhangigkeit
Temperaturen:
p 15)
des Ferminiveaus bei verschiedenen
Dotierungskonzentration ND [cm ]
Ep-Ej negativ.
Phosphordotierungen.
Fur
Akzeptoren
ist
Die Absolutwerte fur Bor smd
-149-
gleich
wie
bei
Anhang
F.3
F
Breite der
Energiebandliicke
in
Abhangigkeit der Tragerkonzentration:
N;
EG(N)
=22 5
D,A
10',-3
10
[eV]
18
(A.19)
1 15
09V
10
10
10
10
10
DotierungskonzentraUon
[25] (B J. Baliga,
F.4
"Modern Power Devices",
Temperaturabhangige
Wiley 1987,
intrinsische
10
10
[cm"3]
p. 27)
Ladungstragerdichte:
E
--
10
500
600
T[K]
-150-
700
1000
Anhang
F.5
F.
Dotierungsdichteabhangige Ladungstragerbeweglichkeit:
,.A
P„(A0
"
3.75
2.90
...
P.(A0
p
1018 + 92A/°91
5.10
=
•
IO15j,
-ogr-
1015 +47.7 /V076
=
==
5.86-
10%
10lz
,
(A.20)
[cm-TVs]
jpzg—
.
2n,
,
(A.21)
[cm-TVs]
+ A/°-76
'
1
;
2n,
,
+ AT-91
1
'
1
Temperatur: 300°K
E
ii
3
io3
Elektronen
^
a
10
2
Locher
-
«
1
10
io"
io16
,
,
io17
i
i
io"
10"
IO'
Dotierungskonzentration [cm ]
[25] (B.J. Baliga, "Modem Power Devices", Wiley 1987,
F.6
p. 8)
Temperaturabhangige Ladungstragerbeweglichkeit:
M^
\ip(T)
T
=
-2.42
136°(300>
=495(^)
[cm2/Vs]
(A.22)
-2.20
*"~
-151-
[cm2/Vs]
(A.23)
Anhang
F
10
-i——i——r
1—'—I—'—I—•-
N<1015cm3
>
«,'>
Elektronen
E
o
10
200
i
i
300
400
500
600
700
800
900
1000
T[K]
[25] (B J Baliga, "Modem Power Devices", Wiley 1987, p 6)
F.7
Feldstarkeabhangige
durchschnittliche
9 85
\i°v(E)
(104
•»r(£)
=
Ladungstragerbeweglichkeit:
IO6
105 + £13)077
—89151012os3
(141
105
+
£12)
-152-
[cm2/Vs]
(A.24)
t-2/vsi
(A.25)
Anhang
F.
10
T
=
300K
Elektronen
10
r
'a
Lbcher
%
.c
10
2
10
,
10
[25] (B.I. Baliga,
F.8
10
"Modem Power Devices",
Wiley 1987,
p. 9)
Durchbruchspannung von p+n"n+-Dioden:
Eknl
v
=
=
e
1/8
[V/cm]
40lON'D/a
d
1<?
-
°
"
rvi
Dotierungskonzentration [cm ]
[25] (B.J. Baliga, "Modem Power Devices", Wiley 1987, p. 71)
-153-
(A.26)
(A.27)
^^_
P
B
045
16
Al Ga In
«S ^S
Bi
_ii
Te
21
Ti
~
II
Mg
A
*
Tl
Pd
34
Na
D
_35_
Be
17
Jt
41
T—
tj
—
5
-i.
5
32
43
—
_
-2
0
~
33
A
36
3
—
,55
A
45
A
2
A
der Unterkante
(Akzeptor) gekennzeichnet
von
des
Leitungsbandes
werden.
Eq
54
-£
49
A
V
4
33
28
Ni Mo
—
Hg
TT
"
D
24
4
53
Entsprechend
Ev
Sn
—
3
W
37
Pb
37
O
—
51
A
18
Fe
D
_L
51
_16__!i
gemessen und sind
K
35
JL
17
wenn
sie nicht mit ei¬
sind die Niveaus ober-
aus
Sr Ge Cu
D
_1_L
~A
A
22
Silizium bei 300° K:
21a"-
^d21d
23~D25
—
der Valenzbandkante
Zn Au Co
D
29
A
49
A
35
von
gemessen und sind Donatoren,
[23] (S.M. Sze "Physics of Semiconductor Devices", Wiley 1981, p.21)
nem
19
D
26
A
Jl
53
sofern sie nicht mit einem D fur Donatoren bezeichnet sind.
halb der Mitte
Akzeptoren,
49
A
34
TT
von
5"
3
36
A
Si
Verunreinigungen
_25
Ag Mn Cd It
48—
~
26
S
fiir verschiedene
Se Cr Ta Cs Ba
J1JLJL
C
Ionisationsenergien
der Mine der Bandliicke
_L
in
TS OS
As
Energiemveau
033 039 045
—•
Li Sb
Gemessene
Die Niveaus unterhalb der Mitte der Bandliicke wurden
!
i
L
F.9
Anhang F.
F.IO
Vergleich spezifischer
Widerstand und
Dotierungskonzentration
1018
IMPURITY
Spezifischer Widerstand
und
(S
Phosphor
M Sze
in
,019
1020
,021
CONCENTRATION (cm 3)
Abhangigkeit
der
Dotierungskonzentrationen
fur Silizium bei 300°K
"Physics of Semiconductor Devices", Wiley 1981.
-
155-
p 32)
von
Bor
Anhang
F.ll
F
fiir Gold und Platin in Silizium:
Einfangraten
Tabelle 11
'l
Einfang
Raten (cm /s)
a) Gold [38]
b) Plaun [40]
6
3-10"8
2 2*10
durch das
2
4»10"8
1
2«10"9
Elektroneneinfang durch
1
65M0"9
2
4«10"9
1
5-10"7
Elektroneneinfang durch
das Niveau
8[39]
E]
Lochereinfang
E]
Niveau
das Niveau
E{
Lochereinfang
Niveau
durch das
Lochereinfang
n
IO"7
[39]
Elektroneneinfang
das Niveau E2*
Niveau
1 15*
Ef
durch
-
durch das
-
3
2-10"7
2
7«10"5
E2
\s.
54 eV
019eV
>
Ef
n
-i
35 eV
+0+4!eVi+
U4^ev
+ + + +
*026eV
El+
WA
b)
a)
Gold und Platin diffundieren
senordnungen
hoher
Geschwindigkeit
schneller als Bor oder
10"50cm2/s, DsubsututJ0nal
reinigungen
mit
-10
10cm2/s
bei 1050°C
besetzen elektronisch aktive
Uv und wird als
Zwischengitteratom
elektrisch aktiv Dieses Zentrum
Phosphor)
Fur Gold
(5-6 Gros¬
D,nterstltiai
~
[68] Etwa 90% dieser Verun¬
Dagegen
gilt als Akzeptomiveau
-156-
Silizium
Gitterplatze Der Rest
betrachtet
lenzbandkante
ins
1st
von
Gold ist mak-
der Rest
von
Platin
0 42 eV oberhalb der Va¬
Lebenslauf
Remy
Peter
geboren
1969
1977
1978
-
-
-
am
Bopp,
24.11.1962 in Zurich
1977
Primar- und Sekundarschule in Ztirich-Kloten
1978
Sekundarschule in Zurich
1982
Mathematisch-Naturwiss.
Gymnasium
der
Kantonsschule Ztircher Unterland (KZU)
1982
MaturaTypusC
1983-1989
Studium der Mathematik und
1989
Diplomarbeit
-
1990
am
fiir nichtlineare
1990
1990
Diplom
-
1993
in
Institut fiir
Optik
unter
Physik
an
der ETH-Ziirich
Quantenelektronik im
der
Leitung
von
Experimentalphysik
Wissenschaftlicher Mitarbeiter/Assistent
fiir
Labor
Prof. Dr. P. Giinter
Quantenelektronik
Optoelektronik unter
in der
der
Gruppe
Leitung
von
am
Institut
fiir Mikro- und
Prof. Dr. H. Melchior
und in enger Zusammenarbeit mit ABB-Semiconductor AG
und mit dem Labor fur
Ionenstrahlphysik
Institutes
1993
1994
-
1994
Doktorand
an
der ETH-Ziirich
Dissertation
-
157-
des Paul Scherrer
Leer
-
Vide
-
Empty