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《西安交通大学》 2007年
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冲击电压下半导体材料表面闪络现象与机理的研究

赵文彬  
【摘要】:随着脉冲功率技术的迅速发展,固态开关器件正逐渐被广泛应用,其中光导半导体开关更以其优良的特性受到了关注。但表面闪络现象限制了半导体器件的工作场强,严重阻碍了这类器件在高电压大功率领域的发展。国际上一度形成了对半导体表面闪络现象的研究热潮,然而由于该现象的复杂性,至今对其内在机理还不是十分清楚,对其中的一些关键问题还存在着很大争议。因此,开展半导体材料表面闪络现象与机理的研究对于高场半导体器件寿命和可靠性提高具有相当积极的意义,同时这一研究也是固体材料表面闪络理论的一个重要分支。 本文首先设计实现了一套较为完整的高电压真空(空气)放电实验平台,该平台包括:真空腔及配套的抽气设备、单级Marx高压短脉冲发生器、两种平面布置的电极系统、基于光电倍增管的光强信号的测量系统以及由高速变像管分幅相机、红外CCD、ICCD设备组成的图像记录系统等,实验证明该平台的性能满足研究需求。 本文的具体研究工作以探求闪络机理为目标,以不同类型的硅半导体为例,分别从介质环境、电极系统和表面状况等三个方面的影响入手对其闪络现象进行了深入分析,然后根据实验结果对半导体表面闪络发展过程中的关键环节进行了数值分析。主要工作包括以下几方面的内容: 1.分别在空气、真空和去离子水中进行了半导体表面闪络实验,对比分析了真空和空气中的闪络特性以及闪络通道的动态发展过程,发现了闪络通道起始位置依赖于半导体材料类型的现象,并发现在空气中闪络前的电压上升阶段,电极间已经形成贯穿性的发光通道;结合观测到的真空中闪络引起的气体解吸附现象,分别提出了空气和真空中闪络的不同物理模型,认为半导体闪络起始于电极处的电流注入现象,空气中的闪络模型强调了表面层电流引起表面电场畸变导致外围气体电离的过程,而真空中的闪络模型则强调了表面层电流发热造成表面气体解吸附进而形成闪络通道的过程。 2.对比分析了有无金属膜电极及退火工艺对闪络特性的影响,发现电极接触对闪络现象具有两方面的作用:一方面良好且均匀的接触能够降低电极区电场、提高闪络电压;另一方面,电极接触区的界面态可以抑制注入电流从而提高闪络电压。本文还设计了嵌入式电极结构,实验中发现闪络特性与电极嵌入深度有关系,在嵌入较深的样品上,能够获得较高的闪络电压。通过对半导体闪络电流极性效应的分析,提出了少数载流子占预闪络电流主要成分的理论,同时考虑到半导体内多数载流子的弛豫条件和丝状电流通道的红外分析结果,提出了少子注入引导表面丝状电流形成的理论。 3.基于表面腐蚀、表面钝化工艺影响闪络特性的实验规律,分析了表面态和闪络特性之间的关系,提出了清除表面态可以提高半导体表面闪络电压的理论,利用该理论不但能够解释表面腐蚀和表面钝化影响闪络的实验结果,还为粗糙表面试样在空气和真空中的反常闪络特性提供了理论依据。 4.在对表面闪络通道发展过程的研究中,本文对电极边缘的电场进行了数值分析,并计算了电极接触势垒引起的电场畸变。基于细丝电流通道的模型,对表面层内丝状通道的热过程进行了数值仿真,证明在脉冲作用下细丝电流通道的温度可以达到硅材料的熔点,这一结果不仅可以解释材料的表面破坏现象,还支持了真空中热致气体解吸附的理论模型。
【学位授予单位】:西安交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304.07

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