и температуры в широком диапазоне. С учетом данных предпосылок желательные свойства глубокого уровня можно определить следующим образом: большое значение соотношения Ьо = Ор/а , где Ор и о - эффективные сечения захвата дырок и электронов (при этом условии глубокий уровень обеспечивает высокое соотношение Тщ/т); большие сечения захвата для уменьшения эффектов легирования, связанных с глубокими уровнями; энергия активации глубокого уровня на 0,70 эВ выше потолка валентной зоны, что позволяет уменьшить токи утечки и обусловливает положительное влияние глубокого уровня в широком диапазоне температур и значений удельного электрического сопротивления.

К сожалению, как показали исследования, ни один из глубоких уровней, обычно применяемых для регулирования времени жизни, не удовлетворяет полностью данным требованиям. Это видно при анализе представленных в табл. 3.2 энергетических уровней и сечений захвата некоторых регулирующих время жизни глубоких уровней, хотя в [Dudeck, Kassing, 1977] и предполагалось, что при использовании золота обеспечиваются лучшие результаты, чем это следует из [Baliga, Krishna, 1977].

Экспериментальные данные подтверждают вывод о том, что обычное легирование золотом и платиной, а также действие излучения не являются идеальными способами регулирования времени жизни неосновных носителей заряда [Baliga, Sun, 1977], [Carlson, Sun, Assalit, 1977], [Miller, 1976], но каждый из этих методов обладает своими преимуществами.

5.6.3.1. Регулирование времени жизни путем диффузии. Легирующей примесью, наиболее широко применяемой для уменьшения времени жизни, является золото. При его использовании обеспечивается лучшее сочетание времени выключения и напряжения в открытом состоянии тиристора по сравнению с любыми другими традиционными способами регулирования. Это обусловлено тем, что основной глубокий уровень, созданный золотом, располагается на 0,54 эВ ниже дна зоны проводимости, т. е. почти в центре зоны.

Однако, так как он вплотную прилегает к центру зоны, при использовании золота время жизни в области пространственного заряда очень незначительно и, следовательно, имеются большие токи утечки, особенно при высоких температурах [Miller, 1976]. При введении золота в кремний сначала методами напыления или химического осаждения наносят слой чистого золота на поверхность полупроводника. Затем проводят диффузию при температуре 800--1000°С в течение времени, достаточного для насыщения кремния золотом.

Концентрация золота в кремнии и его электрическая активность определяются не только температурой диффузии, но и другими свойствами кремния: повреждением поверхности, плот-

ностью дефектов, уровнями легирования и напряжений и концентрацией примесей, особенно углерода и кислорода. Поэтому очень сложно предсказать влияние специфической последовательности проведения процесса диффузии на время жизни носителей в структуре тиристора.

На практике большинство процессов легирования золотом разрабатываются методом проб и ошибок. Другой проблемой, связанной с таким легированием, является предпочтительное протекание диффузии в областях с высокой плотностью дефектов. При этом возможно скопление золота в области, дефекты которой в обычных условиях неактивны, и образование горячих точек в готовом тиристоре.

Один из методов, обеспечивающих лучший контроль процесса диффузии золота, разработан в [Hayashi, Mamine, Matsushita, 1981]. АвтЪры показали возможность контролирования распределения золота путем проведения диффузии железа при высокой температуре перед диффузией золота при низкой температуре. В этом случае во время предварительной диффузии железо вводится в кремний в виде примеси замещения. Если золото диффундирует при пониженной температуре, то атомы замещения железа превращаются в междоузельные атомы и создаются вакансии, действующие как стоки для диффундирующего по междоузлиям золота.

При обычной диффузии эти вакансии создаются путем термообработки, диффузией с поверхности или с помощью собственных дефектов. Их распределение и концентрация очень неравномерны и зависят от времени диффузии. При двойной диффузии распределение железа определяет процесс легирования золотом.

Применение самого железа в качестве контролирующей время жизни легирующей примеси изучалось в [Hayashi, Mamine, Matsushita, 1978]. Его вводили в кремний путем ионной имплантации и затем осуществляли отжиг. По сравнению с диффузией золота при легировании железом характеристики тиристоров в закрытом состоянии меньше зависят от температуры. Кроме того, в отличие от приборов, легированных золотом, падение напряжения в открытом состоянии увеличивается с возрастанием температуры.

Эти свойства обусловлены зависимостью от температуры подвижности и времени жизни неосновных носителей заряда, наблюдаемой при легировании железом, и позволяют тиристорам функционировать при высоких температурах. Кроме того, такие приборы можно соединять параллельно друг другу благодаря положительному температурному коэффициенту падения напряжения в открытом состоянии.

Диффузия платины является другой, более традиционной альтернативой легированию золотом. Основной глубокий уровень для платины находится на 0,42 эВ выше потолка вален-

ш в)

Рис. 5.8. Сравнение характеристик тиристоров с различными профилями распределения золота, но одинаковым временем выключения

тной зоны. Поскольку он представляет собой более мелкий уровень рекомбинации, чем уровень золота, при легировании платиной сочетание характеристик прибора в открытом и закрытом состояниях гораздо хуже, хотя токи утечки значительно меньше [Miller, 1976].

Кроме того, в отличие от золота платина оказывает существенно меньшее влияние на фоновое легирование п-базы тиристора [Miller, Schade, Nuese, 1975]. Золото, диффундирующее при достаточно высоких концентрациях, обусловливает значительную компенсацию -базы тиристора и в некоторых случаях даже чрезмерную ширину области пространственного заряда прибора в закрытом состоянии и его преждевременный пробой.

При использовании диффузии для регулирования времени жизни неосновных носителей заряда особенно важно учитывать, что равномерное распределение не всегда гарантирует оптимальное сочетание характеристик тиристора. Изучению влияния градиентов концентрации золота на характеристики переключения и свойства тиристора в открытом состоянии посвящено [Silber, Maeder, 1976] и [Tada, Nakagawa, Hagino, 1982]. Полученные результаты представлены на рис. 5.8.

При изготовлении тиристоров диффузия проводилась с формированием различных контролируемых профилей распределения легирующей примеси: высокая концентрация у анодного перехода J1 (рис. 5.8, а); одинаковая концентрация у переходов Л и J2 (рис. 5.8,6); повышенная концентрация у катодного перехода J2 (рис. 5.8, в). Поскольку принято одинаковое время выключения независимо от изменения температуры диффузии при каждой обработке (этот параметр твердо установлен временем жизни у перехода ), можно сделать вывод о том, что лучшее сочетание напряжения в открытом состоянии и времени выключения характерно для профиля легирующей примеси на рис. 5.8, й.

Однако сочетание накопленного заряда, определяемого временем жизни у переходов, блокирующих обратное напряжение, и напряжения в открытом состоянии лучше при профиле на рис. 5.8, а. Следовательно, выбор профиля распределения золота зависит от требуемых характеристик переключения тиристора, и в первую очередь от того, какой параметр - накопленный заряд или время выключения - считается наиболее важным.