Введение к работе
Актуальность темы. В начале 80-х годов в отечественной и зарубежной микроэлектронике окончательно выделилось и оформилось в самостоятельное направление производство силовых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Это направление, особенно в последнее время, приобрело устойчивую тенденцию к расширению класса выпускаемых микроэлектронных устройств и сейчас отличается многообразием их типов и направлений применения. Силовые диоды Шоттки (ДШ) являются перспективными быстродействующими элементами устройств силовой электроники. Несмотря на то, что эти приборы давно известны в электронике, производство и объем продаж силовых ДШ неуклонно возрастает, а конструкции и технология приборов продолжает развиваться. В частности, одно из важных применений этих приборов -импульсные блоки питания, где решающим фактором являются хорошие переключательные свойства. В условиях жесткой конкурентной борьбы возникает потребность в оптимизации параметров данных приборов. Конструирование конкурентоспособных приборов предполагает не только глубокое понимание физических процессов, протекающих в них, но и более того, порождает потребность в средствах адекватного количественного описания.
К началу работы над диссертацией существовали три теории протекания тока непосредственно через барьер Шоттки (Шоттки, Бете и Кроуэлла—Зи). Было также установлено, что при высоких барьерах существует инжекция неосновных носителей, которая способна повлиять на прямое падение напряжения через эффект модуляции проводимости базы. Были опубликованы экспериментальные работы по модуляции проводимости базы, а также две аналитические модели, учитывающие данный эффект. Аналитический расчет становится возможным при ряде упрощающих предположений, главными из которых являются квазинейтральность базы и конечная скорость рекомбинации на омическом контакте. Численные модели требуют значительно меньших упрощений. Однако опубликованные численные модели рассматривали ДШ как структуру, содержащую непосредственно контакт Шоттки и примыкающую к нему базу с обратным омическим контактом с бесконечной скоростью рекомбинации. Возможное влияние подложки на электрические характеристики ДШ не было изучено. Между тем накопление неосновных носителей в базе влияет не только на формирование прямого падения напряжения, но и на динамические характеристики силового ДШ. Не было также численных расчетных оценок переключательных свойств ДШ.
Поэтому настоящая работа посвящена изучению влияния изотопного п-п*-перехода (LH-барьера) база-подложка, а также свойств самой подложки на электрические характеристики силового ДШ с помощью численных методик, поскольку этот вопрос ранее не изучался.
2 Цель работы. На основании компьютерного численного эксперимента установить физические процессы, влияющие на электрические характеристики силовых ДШ в режиме высокого уровня инжекции, установить границы применимости упрощенных моделей, которые могут быть использованы в условиях массового производства для технологического контроля, и расширить границы их применимости. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
-
Разработать компьютерную программу численного моделирования силового ДШ, основанную на решении системы дифференциальных уравнений диффузии-дрейфа носителей заряда в полупроводнике, отличающуюся высокой точностью и адекватностью в описании физических эффектов.
-
Исследовать эффекты модуляции проводимости базы и поведение коэффициента инжекции при протекании через прибор высоких плотностей тока в прямом направлении.
-
Исследовать влияние степени легирования и электрической толщины низко-омной подложки, а также LH-перехода база-подложка на характеристики силового ДШ.
-
Исследовать переходные процессы переключения в силовых ДШ при барьерах выше 0,7 эВ, находящихся в режиме высокого уровня инжекции.
-
Произвести экспериментальную верификацию численной модели и ее программной реализации на силовых ДШ и структурах с барьером Шоттки с различными параметрами.
-
Определить границы применимости упрощенных моделей, предназначенных для использования в автоматизированных тестерах для контроля параметров приборов в массовом производстве.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
-
Доказана роль LH-перехода база-подложка как отражательного барьера, определяющая прямое падение напряжения в режиме высокого уровня инжекции. Дано численное описание статических характеристик силового ДШ в присутствии модуляции проводимости базы.
-
Установлено, что модуляция проводимости базы находится в зависимости от уровня инжекции, а не от коэффициента инжекции, и наиболее адекватным параметром для описания силовых ДШ является уровень инжекции.
-
Установлено влияние электрофизических параметров подложки на прямое падение напряжения в типичных режимах работы и эффект модуляции проводимости базы силовых ДШ.
-
Приведено численное описание переключательных свойств ДШ. Показана связь физико-топологических параметров диода с динамическими свойствами прибора.
Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты углубляют представления о физических процессах, протекающих в ДШ в режиме высокого уровня инжекции. Показано, что инжекция неосновных носителей в базу оказывает существенное влияние как на прямое падение напряжения, так и на переключательные характеристики приборов. Разработанная программа позволяет прогнозировать характеристики приборов в зависимости от физико-топологических параметров и может быть использована в процессе проектирования силовых ДШ. Программа также дает возможность определить границы применимости более простых моделей, а, следовательно, и режимы тестирования силовых ДШ. Это позволит рекомендовать те или иные методы и модели для использования на автоматических тестерах в массовом производстве для контроля выпускаемой продукции.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы кафедры "Полупроводниковая электроника" ВГТУ ГБ 34.96 "Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах" и региональной научно-технической программы "Черноземье" на этапах 1996—1999 г. (распоряжение министерства науки и технической политики РФ № 686Ф от 24.04.96)
Основные положения, выносимые на защиту. С помощью методики численного эксперимента установлены следующие физические закономерности:
-
Низкоомная подложка, являясь неотъемлемой частью конструкции силового ДШ, оказывает существенное влияние на его электрические характеристики в режиме высокого уровня инжекции вследствие отражающей роли L1I-перехода база-подложка.
-
Определяющим параметром модуляции проводимости базы является уровень инжекции, а не коэффициент инжекции.
-
Низкоомная подложка способна влиять на прямое падение напряжения на структуре диода при токах порядка 100 А/см2 вследствие инжекции основных носителей в базу.
-
Протекание переходных процессов в силовых ДШ определяется высотой барьера, степенью легирования и электрической толщиной базы при переключении из высокоинжекционного состояния для барьеров >0,72 эВ.
Апробация работы. Результаты и положения работы докладывались и обсуждались на конференции "Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона" (Воронеж, 1997), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и
информатика- 98" (Зеленоград, 1998), Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника - 98" (Звенигород, 1999), 4-й Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании" (Рязань, 1999), а также на ежегодных отчетных научно-технических конференциях научно-преподавательского состава ВГТУ (Воронеж, 1997-1999).
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 8-й печатных работах в виде статей и тезисов докладов. В совместных работах автору принадлежат результаты численного моделирования и экспериментальные результаты. Разработка программы моделирования осуществлялись совместно с доц. Прокопьевым А.И. Определение направления исследований, обсуждение результатов и подготовка работ к печати осуществлялись совместно с научным руководителем проф. Рембезой СИ. и доц. Прокопьевым А.И.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего ПО наименований, и содержит 123 страницы печатного текста, 34 рисунка и 6 таблиц.
