引入表面復合中心對晶閘管高溫漏電流的影響

薛志亮

摘 要：該文對晶閘管的高溫漏電流做了簡要介紹，列舉了減小高溫漏電的常規方法，詳盡敘述了引入表面復合中對減小高溫漏電的作用，并從機理上進行了探討，給出相應結論。改進散熱條件可以使溫度和漏電保持在某一臨界值以下，然而盡可能降低高溫漏電流，是設計制造器件核心內容之一。

關鍵詞：晶閘管 復合中心 高溫漏電流

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0036-02

1 引言

晶閘管在開通、關斷和通態時，有一個能使器件溫度增高的功耗值，導致管芯始終處于高溫狀態，高溫阻斷下的漏電流必須控制在一定范圍，否則會引起器件失效。改進散熱條件可以使溫度和漏電保持在某一臨界值以下，然而盡可能降低高溫漏電流，是設計制造器件核心內容之一。

1.1 晶閘管的高溫漏電流

晶閘管的漏電流包括三個部分。

（1）體內少數載流子擴散到空間電荷區后被電場拉過去所形成的擴散漏電流：JS（擴散漏電流）=q（DPpn/Lp+Dnnp/Ln）。

pn、np為N區空穴濃度和P區電子濃度；

Lp、Ln為N區空穴擴散長度和P區電子擴散長度。

根據公式，溫度愈高，少數載流子平衡濃度愈高，擴散長度愈短，濃度梯度就愈大，擴散漏電流也就愈大。

（2）空間電荷區內載流子產生所引起的產生漏電流。

空間電荷區產生電流I=qGXmS

式中：Xm為空間電荷區寬度；S為PN結的面積。

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

式中：てn0為P區的少子壽命；てP0為N區的少子壽命；

ni為本證硅中的載流子濃度；T為絕對溫度；k為玻爾茲曼常數；ΔE為和復合中心是什么元素有關的一個量。

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

（3）表面狀態所引起的泄露電流。

在PN結表面，由于各種原因壽命往往低于體內，同時表面的空間電荷區也比體內大以保證一定的耐壓水平，因此，產生電流很大，尤其是在表面吸附電荷時情況就更為復雜。例如：負電荷形成P溝道，相當于增加PN結的面積，使漏電增大。

1.2 減小晶閘管高溫漏電流的常規措施

針對上述原因，在研制生產過程中常采用以下幾種方法減小高溫漏電流：

（1）制造具有雪崩型硬擊穿J1和J2結。

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

（2）將PN結表面做成一定的斜角，改善結的終端電場分布。

正斜角在30°～50°對晶閘管反向漏電流的影響微乎其微，負斜角從4°調到5°，或從5°～7°，漏電流可以減小20%以上。

（3）采取適宜的表面處理，減小離子沾污，消除缺陷，恰當地保護材料，高溫下表面泄露漏電流會明顯減小。

（4）采用短路發射極結構。

短路發射極結構，利用PN結的內部矛盾，在較大電流時α2很大保證開通特性，在小電流下使得α2很小，接近為0，從而減小了高溫漏電流。

（5）電子（或中子）輻照。

進行輻照，可以降低基區少子壽命，產生漏電流進而減小。

（6）增加片厚。

根據設計電壓，電阻率確定以后，擴散參數一定時硅片越厚，電流放大系數α1α2越小，高溫漏電流越小。

（7）降低電阻率。

當硅片厚度一定時，達到設計電壓條件下，選擇較低電阻率，空間電荷區Xm相對較窄，可使高溫漏電減小。

1.3 引入表面復合中心對降低高溫漏電流的作用

利用上述常規途徑來改善高溫特性，降低高溫漏電流，各有弊端及適用條件。增加片厚，通態壓降會明顯增加，對動態參數不利，同時成本上升；降低電阻率，勢必會降低電壓水平；采用電子輻照固然能夠降低高溫漏電，但其只能針對少子壽命高引起的漏電大，其成本較高，不宜大量采用。

經長期研究發現，在工藝實施過程中，適當階段引入表面復合中心能有效降低器件的高溫漏電流，技術經濟效果非常明顯。

復合中心是半導體中能夠促進非平衡載流子復合的一類雜質或缺陷。其中包括以下幾點。

（1）金、銅、鐵等深能級雜質。

（2）輻照或溫度劇烈變化產生的晶格損傷。

（3）研磨、打毛等造成的缺陷。

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

實踐證明，在適當階段引入表面復合中心對不同雜質擴散如鎵鋁、硼鋁系統都有相同效果；對陰極陽極分別引入則有所區別：陽極面引入，正反向高溫漏電流可降低15%～20%，陰極面引入，反向高溫漏電可降低20%，正向高溫漏電流可降低50%～100%；雙面引入，則共同作用效果更佳。

（1）表面復合中心對電流放大系數的影響。

陽極表面復合中心導致陽極空穴復合幾率增加，J1結注入比減小，α1減小，渡越J2結并被J3結收集的空穴也減少，α2也減??；同理陰極面復合中心使α2首先減小，接著是α1的減??；α1減小帶來反向漏電流下降，α2減小帶來正向漏電流下降，因為高溫下α2比α1大得多（高溫時α1≈0.2～0.3；α2≈0.7～0.8），所以正向漏電流下降的幅度遠比反向大。無論在陰極面還是在陽極面引入復合中心，都能使得兩個發射極注入比減小，而達到正反向漏電流都減小的目的。

（2）復合中心降低少子壽命。數據證明，表面復合中心的引入，經高溫處理后，長基區少數載流子壽命τp降低30%～50%，雖然擴散漏電流略有增加，但產生漏電流顯著減小，總的漏電流還是減小了。

（3）引入復合中心形成良好的歐姆接觸。陽極面改進了燒結沾潤效果，減少了空洞，同等條件下使結片溫升下降，對減小漏電有利；陰極面改善了短路點的作用，高溫下漏電流更易于從短路點流出，減小了J3結注入，使正向漏電流進一步減小。

（4）制造表面缺陷，引入彈性應變，減少熱氧化層錯。

氧化層錯是硅片經熱氧化處理，在硅中特別是在硅表面附近產生的一種層錯缺陷。氧化層錯通過其邊緣的不全位錯，具有增強擴散和吸收雜質的作用，使PN結反向漏電流增大。引入表面復合中心可以形成彈性應變，作為點缺陷和雜質的吸收源，減少成核中心，抑制層錯長大，一定程度上避免了少子壽命過于降低，因而達到減小漏電流的作用。

2 結語

引入表面復合中心，能夠使電流放大系數減小，抑制熱氧化層錯，適當降低了少子壽命，改進了歐姆接觸，達到了減小晶閘管高溫漏電流的目的，成本低效率高，具有普遍的實用性。

參考文獻

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