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质子辐照用于改善大功率快速晶闸管
的特性
张昌利 金银东 金相哲 宋根浩 金南均 韩国电气研究院(韩国641-600)
王正鸣 陆剑秋 张建平 李建华 西安电力电子技术研究所(西安 710061)
朱佳政 杨丙凡 胡选文 中国原子能科学研究院(北京 102413)
摘 要：采用3.7MeV～5.9MeV质子辐照对500A、1600V快速晶闸管实现了局部少子寿命的控制。对质子辐照在器件中的缺陷深度进行了TRIM模拟。对通态电压VTM和关断时间tq的折衷关系进行了研究，确定了最佳的质子辐照能量。4.7MeV的质子辐照峰值缺陷位于快速晶闸管的N基区中间，可获得最佳的通态电压和关断时间的折衷。
关键词：晶闸管 少子寿命 质子辐照
Proton Irradiation For Improved Fast-Switching Thyristors
C. L. Zhang et all are with Korea Electrotechnology Res. Institute (KERI), Changwon, 641-600, Gyungnam, South Korea
Fax: 82-55-280-1590
E-mail: zhangcl@email.com
Z. M. Wang et all are with Xi’an Power Electronics Res. Institute (PERI), Xi’an, 710061, Shaanxi, China
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J. Z. Zhu et all are with China Institute of Atomic Energy(CIAE), P. O. Box 275-62, Beijing, 102413, China
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E-mail:zhujz@iris.ciae.ac.cn
Abstract:-The local carrier lifetime control for 500A/1600V fast-switching thyristors was achieved by 3.7-5.9MeV proton irradiation. The peak depth of defect induced by proton in device was simulated by Trim simulation. The optimized trade-off relation between on-state voltage VTM and turn-off time tq has been obtained via 4.7MeV irradiation which peak defect located in the middle of N-base of the device.
Key words: Thyristor carrier lifetime proton irradiation
1 引 言
众所周知，高能电子辐照能在硅的禁带引入缺陷能级从而使硅中的少子寿命下降。目前，5～12MeV的电子辐照技术已经广泛的应用到大功率快速二极管、晶闸管、MOSFET、SIT、GTO和IGBT等电力半导体器件的少子寿命的控制中。然而，电子辐照对硅片的强烈穿透性使得难以实现在硅片纵向局部少子寿命的控制。对高能质子辐照硅的缺陷研究机理表明，质子辐照的缺陷峰深度随辐照能量的改变而调节，容易实现局部少子寿命的控制。通过局部少子寿命的有效控制，电力电子器件的最佳器件特性将容易获得实现。质子辐照技术用于大功率软恢复二极管等器件中的实验已有报道[1][2]。ABB已用双质子辐照技术来改善3000A/4500VGTO晶闸管的开关特性[3]。
本文作者采用中国原子能科学研究院的HI－13串列加速器对大功率快速晶闸管进行了不同能量的质子辐照对比，用TRIM模拟对质子辐照的缺陷深度作了分析。4.7MeV质子辐照的缺陷峰位于N基区中央，能获得最佳的通态电压VTM和关断时间tq的折衷关系。
2 实验研究
2.1 快速晶闸管和质子辐照
该实验采用了西安电力电子技术研究所生产的直径F45mm额定容量为500A、1600V快速晶闸管的芯片。芯片的原始材料为中子颤变（NTD）硅片，晶向<111>，电阻率为65W·cm，片厚为350mm。阴极图形为图1所示的渐开线放大门极图形设计。用硼－铝扩散形成75mm的P型结深。N型阴极发射区的结深为15mm。N基区厚度为200mm。阴极有5mm的金属化铝层。因为该芯片的阳极有2mm厚的钼片，所以质子辐照从芯片的阴极面进行。芯片的台面保护层采用了聚酰亚胺（Polymids）。质子辐照后进行350°C/12h的高温退火。该器件的纵向结构示意于图2中。
在中国原子能科学研究院进行质子辐照。首先质子经过多级串联加速后，到达集束管。将质子用厚度为50mm的俘获膜俘获后，再到达目标室的硅芯片上。实验采用四种辐照能量:3.7MeV, 4.7MeV, 5.5MeV，5.9MeV, 剂量从7´1010/cm2到1´1011/cm2变化。
图1 质子辐照的快速晶闸管的管芯
Fig.1, The pellets of fast switching thyristor made by PERI for proton irradiation
图2 质子辐照后的少子寿命分布和晶闸管纵向结构
Fig.2, The carrier lifetime profile and vertical structure of thyristor
2.2 缺陷峰位置的测试和分析
实验中，质子辐照在硅中形成的峰值缺陷位置是用扩展电阻（SRP）测试的。缺陷峰的典型宽度为10mm，缺陷峰值处的少子寿命最短，一般为原始少子寿命t0的二十五分之一，约为1ms。缺陷峰值浓度随着到表面距离的接近而逐步下降，最终到表面时浓度分布出现了一个平台。少子寿命的变化则相反。图2表示用剂量为1´1011/cm2能量为4.7MeV的质子辐照后，样品中少子寿命的分布变化。用SRP测出最大缺陷峰位置距离硅片表面为170mm。在该缺陷峰中，少子寿命从原始值的25mS（未辐照值）下降到1ms（t1）。接近硅片表面时，少子寿命又回升到10ms。
我们用TRIM模拟法模拟了质子辐照缺陷峰的位置[4]。表一给出了TRIM模拟的结果。与SRP实测的结果相比较，我们发现TRIM模拟的深度比实际测得的要深一些。如4.7MeV的SRP深度为170微米，但TRIM模拟的深度为195微米。尤其当质子能量较低时（能量低于3.7MeV）比实测的SRP深度要深的多。其原因可能是较厚的俘获膜对低能量质子有较强的阻挡能力之故。
表一 TRIM 模拟的质子辐照能量与辐照深度的关系
Table 1, The irradiated depth VS proton depth by TRIM simulation in KERI
能量（MeV） 3.7 4.7 5.6 5.9
深度（mm ） 132 195 264 288
2.3 辐照缺陷的主要能级位置和寿命的依赖关系
以前有人报道过对低电阻率制作的P－i－N二极管样品进行2.73MeV质子辐照并作300°C、8小时真空退火[5]，用双双深能级瞬态谱（DD－DLTS）发现了与碳有关的主要复合能级：在148K时的H缺陷，在175K时出现的E缺陷和205K时H缺陷。借助于电子辐照中的少子寿命和辐照剂量的类似关系，质子辐照后缺陷峰中的少子寿命t1与原始寿命t0的关系可表示如下：
……….(1)
上式中，t0为辐照前的原始寿命，t1为辐照后峰值缺陷处的局部少子寿命。K与辐照能级及硅材料等相关，称为辐照损伤因子。f为质子辐照剂量。上式表明随着质子辐照剂量的增加，t1将大幅度下降。显然，在一定的额定阳极电流IF和擎住电流IH下，快速晶闸管的关断时间tq将随少子寿命t1的下降而减少，其关系式为：
………………(2)
2.4 辐照晶闸管器件内载流子和缺陷分布
图3给出了模拟的4.7MeV质子辐照后晶闸管通态载流子分布和复合率。可以看出，在缺陷最高峰的170mm附近，通态载流子仅稍稍有所下降，可以预期4.7MeV质子辐照器件的通态电压VTM较低，其值与未辐照器件的通态电压基本相当。显然质子辐照的快速晶闸管将显示出良好的通态特性。
图3, (a) 质子辐照后器件的通态载流子分布
(b) 质子辐照的复合率的分布
Fig.3 (a) The carrier profile at on-state of thyristor by proton irradiation
(b) The recombination rate profile by proton irradiation
3 实验结果及分析
通过SRP实验确认，不同能量的质子辐照在晶闸管的位置如表二。
表二 SRP实验确认的质子辐照缺陷峰的位置
Table 2, The peak defect position measured by SRP
质子能量 (MeV) SRP的缺陷峰深度 (mm ) 缺陷峰在器件中的位置
3.7 85 靠近J2结
4.7 170 位于N基区中央
5.5 240 位于N基区中央后部近J1结
5.9 270 位于J1结
对辐照后的晶闸管的通态电压VTM，关断时间tq和正反向漏电流IDRM、IRRM等电特性进行了实测。结果表明，不同能量的质子辐照导致了元件电特性较大的变化。如表三所示，较低能量3.7MeV的辐照元件的关断时间tq最长，正向漏电流IDRM最大，反向漏电流最小。高能量5.9MeV辐照的元件的关断时间虽最短，但它的正向通态电压VTM最大，反向漏电流IRRM也最大。4.7MeV的辐照元件具有最佳的VTM～tq折衷关系。这是因为在J2结和J1结都已闭锁后的“阻塞”期[6]，残余在N基区未来得及复合消失的少子贮存在基区的中部附近。所以，4.7MeV的辐照所致的缺陷峰恰好使这些少子能已最快的复合速度来复合，所以该器件的关断时间tq最短。如前所述，它的正向通态电压VTM也最低。从表三可看出，它的正反向漏电流最低。
关于3.7MeV和5.9MeV质子辐照引起的较高的正反向漏电流，可以认为3.7MeV质子辐照对正向结J2和5.9MeV质子对反向结J1分别造成了强烈的辐照损伤。
表三 质子辐照的快速晶闸管的电特性的测试结果
Table 3, the test result of electrical characteristics of proton irradiated thyristors
质子能量(MeV) VTM(V) tq(ms) IDRM/IRRM(mA)
3.7 1.8~2.0 20~30 30~50/3~5
4.7 1.55~1.80 15~23 2~3/2~3
5.5 2.10~2.14 15~16 2~3/10~15
5.9 2.3~3.5 10~23 3~5/30~50
4 结 论
采用3.7MeV～5.9MeV的质子辐照，对大功率快速晶闸管成功地进行了局部少子寿命的控制。用TRIM模拟法分析了辐照缺陷峰的深度，并与SRP实测的结果进行了对比。
对辐照器件的通态载流子的模拟证明，在N基区中部的载流子分布比较平坦，所以4.7MeV的辐照器件的通态电压最低。实验结果证明，用4.7MeV的质子辐照，可获得最佳的VTM和tq的折衷。
参考文献：
[1] Changli Zhang, Juerg Waldmeyer, Peter Roggwiller, Zhiming Chen and Yapeng Lu, “Soft Recovery Characteristics of Punch-through Power diodes by Proton Irradiation”, Proc. 3rd International Power Electronics and motion Control Conference(IPEMC’2000), Beijing, China, Aug.15-18,2000, pp.229-234.
[2] D. Silber, W.D.Nowak, W. Wondrak, B. Thomas, H.Berg, “Improved dynamic Properties of GTO Thyristor and Diodes by Proton Implantation”, IEDM Technical Digest, 1985, pp. 162-165.
[3] Mietek Bakowski, Norbert Galster, Anders Hallen and Andre Weber, “Proton Irradiation for Improved GTO Thyristors”, Proc.1997 IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and Ics (ISPSD’97), Weimar, Germany, May 26-29,1997，pp.77-80.
[4] J.F.Zieglar, J.P.Biersack, and U.littmark, ‘The stopping and Range of Ions in Solids’, Vol.1, Pergamon Press, New York, 1985.
[5] M. W. Huppi, “Proton Irradiation of Silicon: Complete Electrical Characterization of Induced Recombination Centers”, J.Appl.Phys., Vol.68, No.6, pp.2702-2707, 1990.
[6] 张为佐编著，《新型电力半导体器件原理及应用》，机械工业出版社，1982年4月，P218.
作者简介：
张昌利 男，1959年12月14日生。教授级高级工程师。1982年元月毕业于西安理工大学电力半导体器件专业。1999年在西安理工大学电力电子与电力传动专业获工学博士学位。1982年以来在西安电力电子技术研究所一直从事电力半导体器件GTO、双向晶闸管(triac)的开发和生产。1999年8月曾在瑞士ABB半导体公司从事三峡直流输电项目（ TGP－ HVDC）用7200V～8500V高压五英寸晶闸管(PCT)的试制。现为韩国电气研究院访问研究员，主要从事大功率自关断器件IGCT的研究和设计。
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