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

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

此處列出了借助質子輻照技術生產的快速晶閘管的一些特性。半導體具有非常短的關斷時間，小的恢復電荷和低的峰值反向恢復電流。

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

質子輻照工業技術園區

通過與理論和實驗物理研究所以及全俄電工技術研究所的合作，Proton-Electrotex開發了一種低成本工業技術，用于半導體器件的質子輻照（圖1）。

技術復雜的基礎是24 MeV線性質子加速器。該技術大樓包括用于在輻照前后放置帶有半導體結構的彈藥筒的盒子，用于移動和定位輻照結構的機械系統，用于控制輻照劑量和質子束特性的設備以及用于控制質子路徑長度的活動鋁屏在半導體結構中。專用的光束消散屏，加上用于移動和定位輻照結構的機械系統，可確保對直徑最大為125 mm的晶片進行輻照。

技術復雜性提供了以下可能性：

連續輻照大型設備。最多可以輻照270個直徑為95-105 mm的半導體元件，最多可以輻照360個直徑為75-80 mm的元件，最多輻照450個直徑為40-60 mm的元件，或者最多輻照900個直徑為90-105毫米的元件。在工作循環中為24-32毫米。

處理時間短。一個工作周期的持續時間為4-5小時，其中包括將半導體元件和工藝墨盒的放射性降低到安全水平所需的輻照后存儲時間。

輻射發生在空氣環境中；在工作區域中不需要抽真空。

控制質子束特性和輻照劑量。可以控制工作區內質子的電流密度和能譜的分布。這些測量是在工作循環之前的質子束測試期間由鑲嵌電流接收器和移動屏幕系統執行的。在工作周期中，通過束流接收器對照射劑量進行常規控制。

移動屏幕系統的遠程控制，可改變輻照元件半導體層中的質子路徑長度。半導體結構中質子路徑長度的控制是通過在到達半導體表面之前改變質子束穿過的屏幕的總厚度來實現的。硅元素的質子路徑長度可以在20-m的范圍內在0-1000 μm范圍內變化。

輻射安全性高。

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

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

這些都是：

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

具有降低的載流子壽命的層已成功用于許多類型的功率半導體器件中，以優化其動態特性[1、2、3]。

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

圖2具有少量反向恢復電荷的快速晶閘管系列

這項技術的應用已允許生產具有減少的反向恢復電荷的一系列快速晶閘管。

此類設備具有許多關鍵功能：

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

陰極短元素的致密網格。陰極短路分布在發射極區域內。接下來的元件位于約400 μm的距離處。該陰極短柵極在接近集電極pn結的相當長的壽命內允許很短的關斷時間。

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

圖3晶閘管的硅元件直徑為32、40、56或80毫米。

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

由于減小了Qrr和tq值，因此新晶閘管可以在1000-1500V阻斷電壓范圍內高達30kHz的頻率，在2200V阻斷電壓范圍內高達10kHz的頻率以及在3400V范圍內從2-5 kHz的頻帶內工作。阻斷電壓范圍。晶閘管元件的拓撲適用于高頻。新設備可在重復di / dts為800-1250 A / μs的情況下可靠地運行。

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

具有隱藏的H感應層且電阻率常數降低的功率器件

對稱的電壓抑制器，具有更高的功率容量

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

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

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

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

高壓脈沖二極管晶閘管

高壓脈沖二極管晶閘管可通過帶有集成晶體管元件-電壓抑制器的4層晶閘管元件生產（圖6）。晶閘管元件是該器件的主要組件，在這種情況下，它起著高峰值電流開關的作用。集成在器件三層抑制器中的雪崩電流可切換晶閘管元件。如果晶閘管具有多相再生控制，則此元件可以位于任何放大區域內，甚至可以位于所有放大區域內。該設備可用作高功率，快速保護元件或上升時間率高的電流和電壓脈沖開關。實驗二極管晶閘管開關時的電流和電壓示蹤圖如圖7所示。該二極管晶閘管的半導體元件如圖8所示。

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

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

圖8二極管晶閘管的半導體元件

Vladimir Gubarev，Alexander Semenov和Alexey Surma來自Proton-Electrotex，Valery Stolbunov來自理論和實驗物理研究所。

參考

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Prikhodko A.，Surma A. Proton用完全壓力觸點照射了6kV GTO。– Conf。程序。的EPE'97，特隆赫姆，1997年，pp.1.507-1.512。

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

VV科茲洛夫斯基。質子束對半導體的改性。S.-Pb.，Nauka，1993年。

編輯：hfy