基于硅元素加速质子辐照的功率晶闸管和二极管

控制半导体元件各层中的复合特征是提高功率半导体器件（PSD）的性能和许多其他特性的最有效方法之一。本文介绍了基于硅元素加速质子辐照的此类技术的某些方面。

一条用于PSD质子辐照的自动控制操作线，有助于选择性地引入重组中心，并以高达1000 µm的深度将氢原子注入到硅元素中。

此处列出了借助质子辐照技术生产的快速晶闸管的一些特性。半导体具有非常短的关断时间，小的恢复电荷和低的峰值反向恢复电流。

在质子辐照过程中，注入氢原子有助于在半导体元件的n层内部建立具有低电阻率的局部隐藏n层。还描述了使用这种隐藏层来生产具有增加的功率容量的功率二极管晶闸管（晶闸管）和半导体电压抑制器的可能性。

质子辐照工业技术园区

通过与理论和实验物理研究所以及全俄电工技术研究所的合作，Proton-Electrotex开发了一种低成本工业技术，用于半导体器件的质子辐照（图1）。

技术复杂的基础是24 MeV线性质子加速器。该技术大楼包括用于在辐照前后放置带有半导体结构的弹药筒的盒子，用于移动和定位辐照结构的机械系统，用于控制辐照剂量和质子束特性的设备以及用于控制质子路径长度的活动铝屏在半导体结构中。专用的光束消散屏，加上用于移动和定位辐照结构的机械系统，可确保对直径最大为125 mm的晶片进行辐照。

技术复杂性提供了以下可能性：

连续辐照大型设备。最多可以辐照270个直径为95-105 mm的半导体元件，最多可以辐照360个直径为75-80 mm的元件，最多辐照450个直径为40-60 mm的元件，或者最多辐照900个直径为90-105毫米的元件。在工作循环中为24-32毫米。

处理时间短。一个工作周期的持续时间为4-5小时，其中包括将半导体元件和工艺墨盒的放射性降低到安全水平所需的辐照后存储时间。

辐射发生在空气环境中；在工作区域中不需要抽真空。

控制质子束特性和辐照剂量。可以控制工作区内质子的电流密度和能谱的分布。这些测量是在工作循环之前的质子束测试期间由镶嵌电流接收器和移动屏幕系统执行的。在工作周期中，通过束流接收器对照射剂量进行常规控制。

移动屏幕系统的远程控制，可改变辐照元件半导体层中的质子路径长度。半导体结构中质子路径长度的控制是通过在到达半导体表面之前改变质子束穿过的屏幕的总厚度来实现的。硅元素的质子路径长度可以在20-m的范围内在0-1000 µm范围内变化。

辐射安全性高。

 

图1质子辐照半导体器件的工业技术综合体：1 –质子加速室； 2 –质子加速室。2 –辐照室；3 –控制室；4 –墨盒盒；5 –带有半导体元件的墨盒；6 –移动和定位墨盒的系统；7 –束流接收器矩阵；8 –移动式铝筛网系统，用于控制半导体元件中的质子路径长度；9 –束流接收器，用于常规控制辐照剂量；10 –质子束；11 –耗散屏幕

质子辐照使得可以在半导体元件内部建立具有降低的载流子寿命的隐藏层以及具有注入的氢原子的隐藏层。硅元件深度上的典型技术分布如图2所示。

这些都是：

其中t 0和t是辐照前后的载流子寿命和注入的氢浓度。借助铝制筛网，改变质子路径长度R p可以调整层的深度。

具有降低的载流子寿命的层已成功用于许多类型的功率半导体器件中，以优化其动态特性[1、2、3]。

注入的氢会刺激硅内部的施主类型中心，类似于施主掺杂物，这有助于建立电阻率改变的隐蔽层[4]。通过构建这样的层，可以改善高压抑制器和二极管晶闸管的特性，并且可以将这些保护元件集成到其他半导体器件的结构中。

 

图2具有少量反向恢复电荷的快速晶闸管系列

这项技术的应用已允许生产具有减少的反向恢复电荷的一系列快速晶闸管。

此类设备具有许多关键功能：

通过晶闸管元件阴极侧的质子辐照来控制寿命。硅元素中质子路径终端的区域靠近pn结的阳极。因此，接近pn结阳极的寿命（ta）可以比接近集电极pn结的寿命（tc）小2到3倍。这样的轴向寿命轮廓允许优化VTM和Qrr之间的关系：通过使用此轴向轮廓而不是传统的均匀轮廓，可以在相同的VTM值下将Qrr值减小1.5倍至2倍。

阴极短元素的致密网格。阴极短路分布在发射极区域内。接下来的元件位于约400 µm的距离处。该阴极短栅极在接近集电极pn结的相当长的寿命内允许很短的关断时间。

分布式放大门（图3）。分布式栅极以及接近集电极pn结和p基极的相当高的寿命值，可快速打开所有晶闸管区域，降低了导通损耗能量，并提高了重复的di / dt速率和工作频率频率。

图3晶闸管的硅元件直径为32、40、56或80毫米。

表1列出了Q rr和t q的允许范围，阻断电压（U DRM，U RRM），平均电流（I TAV）以及新晶闸管的其他参数和特性之间的关系。

由于减小了Q rr和t q值，因此新晶闸管可以在1000-1500V阻断电压范围内高达30kHz的频率，在2200V阻断电压范围内高达10kHz的频率以及在3400V范围内从2-5 kHz的频带内工作。阻断电压范围。晶闸管元件的拓扑适用于高频。新设备可在重复di / dts为800-1250 A / µs的情况下可靠地运行。

表1 Q rr和t q的允许范围，阻断电压（U DRM，U RRM），平均电流（I TAV）以及新晶闸管的其他参数和特性之间的关系

具有隐藏的H感应层且电阻率常数降低的功率器件

对称的电压抑制器，具有更高的功率容量

图4显示了具有“常规”结构的对称雪崩电压抑制器，以及一种新器件，其中包含具有减小的电阻率的隐藏n层。

 

图4 1-封装的铜触点；2 –半导体元件的接触金属化；3 –填充物；4 –半导体元件；5 –钼热补偿器

对于“常规”结构设备，限制耗散功率和雪崩电流峰值以及最大可允许能量损耗的问题区域是与斜角相邻的外围区域。在该区域中，无论施加任何极性电压，电流密度都将增加，并且由于上触点尺寸小于半导体元件，因此散热效果非常差。这种新型结构的器件没有这个问题：雪崩电流不存在周边地区。这有助于增加峰值雪崩电流，峰值耗散功率和能量损耗。图5显示了具有新结构的对称雪崩抑制器的电流和电压特性曲线。半导体元件的直径为32 mm，雪崩击穿电压为–1650V。

 

图5电流和电压的时间变化曲线（a），以及等温动态伏安图（b）。峰值冲击功率300 KW，单脉冲能量损失高达150 J

高压脉冲二极管晶闸管

高压脉冲二极管晶闸管可通过带有集成晶体管元件-电压抑制器的4层晶闸管元件生产（图6）。晶闸管元件是该器件的主要组件，在这种情况下，它起着高峰值电流开关的作用。集成在器件三层抑制器中的雪崩电流可切换晶闸管元件。如果晶闸管具有多相再生控制，则此元件可以位于任何放大区域内，甚至可以位于所有放大区域内。该设备可用作高功率，快速保护元件或上升时间率高的电流和电压脉冲开关。实验二极管晶闸管开关时的电流和电压示踪图如图7所示。该二极管晶闸管的半导体元件如图8所示。

 

图6高压脉冲二极管晶闸管是在具有集成晶体管元件-电压抑制器的4层晶闸管元件的基础上生产的

 

图7脉冲电流切换，上升时间速率为（a）约为5 kA / µs，（b）约为200 kA / µs

 

图 8二极管晶闸管的半导体元件

Vladimir Gubarev，Alexander Semenov和Alexey Surma来自Proton-Electrotex，Valery Stolbunov来自理论和实验物理研究所。

参考

Sawko DS，BartkoJ。通过质子辐照生产快速开关功率晶闸管。– IEEE Trans。核仁 Sci。，1983，V.N9-30，N 2，第1756-1758页。

Prikhodko A.，Surma A. Proton用完全压力触点照射了6kV GTO。– Conf。程序。的EPE'97，特隆赫姆，1997年，pp.1.507-1.512。

Potaptchouk VA等。各种辐射处理过程中硅二极管层的终身损坏的区别：对功率损耗和反向恢复特性软度的影响– PCIM'2002 Proceedings，2002，第293-299页。

VV科兹洛夫斯基。质子束对半导体的改性。S.-Pb.，Nauka，1993年。

编辑：hfy