Lebensdauereinstellung

Grundlagen

Als Ladungsträgerlebensdauer bezeichnet man die Zeit, die im Mittel bis zur Rekombination vergeht. Sie wird wesentlich durch den dominierenden Rekombinationsmechanismus bestimmt: Band-Band-Rekombination, Auger-Rekombination, Shockley-Read-Hall-Rekombination.

Band-Band-Rekombination unter Aussendung eines Photons ist nur in direkten Halbleitern wie GaAs möglich, in indirekten Halbleitern wie Si oder SiC spielt sie keine Rolle. Die Auger-Rekombination bestimmt die Ladungsträgerlebensdauer in hoch-dotierten Gebieten, in denen die Ladungsträgerkonzentration hoch ist. In niedrig-dotierten Gebieten (z.B. den Mittelgebieten von Leistungsbauelementen) dominiert die Shockey-Read-Hall-Rekombination an tiefen Störstellen (Niveaus in der Nähe der Mitte der Bandlücke).

Tiefe Störstellen können dabei sowohl von Fremdatomen (z.B. Au, Pt) erzeugt werden als auch durch Kristalldefekte. Die Diffusion von Gold oder Platin ist in der Praxis oft nur unzureichend zu kontrollieren, dies gelingt durch die Verwendung von Bestrahlungsverfahren in höherem Maße. Während Elektronenbestrahlung homogen im gesamten Bauelement die Lebensdauer verändert, lässt sich durch die genaue Positionierung der Defekte bei Ionenbestrahlung ein gut kontrollierbares vertikales Profil der Lebensdauer in einer Diode erzeugen.

Alle Methoden zur Kontrolle der Ladungsträgerlebensdauer haben Vor- und Nachteile. Häufig muss ein Kompromiss zwischen Durchlassspannung, Sperrstrom und Abschaltverhalten gefunden werden.

Anwendungen

Abschaltverluste von IGBTs

IGBTs haben im vergangenen Jahrzehnt die vorherrschende Stellung als Schalter im Bereich mittlerer Spannungen übernommen. Mit der Zunahme an hochfrequenten Schaltvorgängen sind neben den Verlusten im eingeschalteten Zustand, die durch die Durchlassspannung bestimmt werden, die Schaltverluste selbst in den Fokus gerückt.
Diese Schaltverluste lassen sich durch Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer deutlich minimieren. Die lokalisierte Veränderung Lebensdauer durch Ionenbestrahlung ist dabei in der Abwägung der Vor- und Nachteile anderen Methoden überlegen.

Soft-Recovery-Dioden

Mit der Verfügbarkeit schnell-schaltender Bauelemente ist der Bedarf an ebenfalls sehr schnellen Freilaufdioden stark angestiegen. Hier werden insbesondere hohe Anforderungen an das Abschaltverhalten gestellt.
Während des Betriebs in Vorwärtsrichtung ist das Mittelgebiet der Dioden mit Ladungsträgern geflutet. Während des Abschaltvorgangs muss diese in der Diode gespeicherte Ladung abgebaut werden. Dies erfolgt durch einen Elektronenstrom in Richtung der Kathode und einen Löcherstrom in Richtung der Anode. Den fließenden Strom nennt man Rückstrom, er steigt zunächst an und fällt dann wieder ab, der genaue Verlauf ist vom Design des Bauelements abhängig. Kommt es zu einer Erschöpfung des Ladungsträgerberges bevor der Strom langsam abgeklungen ist, spricht man von einem „Rückstromabriss“. Durch parasitäre Kapazitäten können dabei hohe Spannungsspitzen entstehen, die das schaltende Bauelement zerstören können.
Dioden, die derartige Überspannungen vermeiden, nennt man Soft-Recovery-Dioden. Neben Design-Veränderungen lässt sich der Abbau des Ladungsträgerberges unter anderem über die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer beeinflussen. Oft ist neben einer Veränderung der Ladungsträgerlebensdauer im gesamten Bauelement eine lokalisierte Veränderung erforderlich, wie sie durch Ionenbestrahlung erreicht werden kann. Üblicherweise platziert man das Maximum der Defekte anodenseitig kurz vor den p-n-Übergang.

Technik

Ladungsträgerlebensdauer-Einstellung durch tiefe Störstellen lässt sich am besten zum Ende des Herstellung eines Bauelements durchführen, da Prozesse mit einem hohen thermischen Budget die benötigten Defekte ausheilen. Als Ionensorten bieten sich vor allem Wasserstoff und Helium an, da diese auf Grund ihrer geringen Kernladung eine hohe Eindringtiefe im Bauelement ermöglichen. Mit moderaten Energien von z.B. 5 MeV können Helium-Ionen ca. 20 µm tief in Silizium implantiert werden. Bei der Bestimmung der benötigten Energien unterstützen wir Sie gerne. Durch den anschließenden Ausheilprozess lässt sich Art und Anzahl der Defekte kontrollieren und ein sicherer Arbeitsbereich für das Bauelement herstellen.