Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления

 

Использование: в производстве мощных кремниевых резисторов таблеточного исполнения, в частности высокотемпературных кремниевых резисторов. Техническим результатом изобретения является повышение максимально допустимой температуры мощного кремниевого резистора до 180^oС при сохранении температурной характеристики сопротивления в пределах ±10% и, как следствие, повышение его номинальной мощности. Сущность изобретения: в мощном полупроводниковом резисторе, который состоит из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности и содержащего радиационные дефекты, эти дефекты имеют концентрацию от 4•10¹³ см^-3 для кремния с удельным сопротивлением ρ_o=120 0м•см до 2,5•10¹⁴ см^-3 для кремния с ρ_o= 20 0м•см, причем эти дефекты вводят путем облучения ускоренными электронами с энергией 2 - 5 МэВ, дозой от 3,4•10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o=120 0м•см до 2•10¹⁶ см^-2 для кремния с ρ_o=20 Ом•см с последующим термостабилизирующим отжигом. 2 с.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.

Изобретение относится к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых резисторов таблеточного исполнения, в частности, высокотемпературных кремниевых резисторов.

Известен полупроводниковый резистор [1], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности.

Однако, температурная характеристика сопротивления (ТХС) такого резистора в интервале температур +25 - +125^oC превышает 100%, что является недопустимым в большинстве областей его применения.

Известен способ изготовления мощного кремниевого резистора [2], включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, введение дефектов, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния, и напыление металлических контактов.

Дефекты вводят посредством диффузии в резистивный элемент примесей золота, платины и др. , создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния (далее по тексту - "глубокие примеси").

Такой способ изготовления позволяет значительно уменьшить величину ТХС, но только до величины ± 25% в том же интервале температур. Кроме того, диффузионные методы введения "глубоких примесей" обладают одним существенным недостатком, а именно, неравномерностью распределения примесей по площади и в аксиальном направлении, что приводит к невоспроизводимости результатов и, как следствие, низкому выходу годных.

Известен также мощный полупроводниковый резистор [3], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего радиационные дефекты.

Необходимо отметить, что под радиационными дефектами подразумевается суммарная концентрация неотожженных радиационных дефектов (оставшихся после облучения и последующего термостабилизирующего отжига).

Такая конструкция позволяет повысить термостабильность полупроводникового резистора за счет уменьшения ТХС до величины порядка ± 10% в рабочем интервале температур эксплуатации.

Известен также способ изготовления мощного полупроводникового резистора [3], включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, напыление металлических контактов, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией E= 2 - 5 МэВ с последующим термостабилизирующим отжигом.

Облучение проводят дозой от 2,5 • 10¹⁴ см^-2 для кремния с удельным сопротивлением ρ_o = 700 Ом•см до 2,5 • 10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o = 150 Ом•см, где ρ_o - исходное удельное сопротивление кремния до облучения (далее по тексту - удельное сопротивление кремния).

Однако, максимально допустимая температура (Т_m) таких резисторов [3] с ТХС ≅ ± 10% (одно из основных технических требований к мощным кремниевым резисторам) не превышает 125^oC. Тогда как имеется ряд областей, где резисторы эксплуатируются при повышенной температуре окружающей среды. При этом максимально допустимая температура должна быть не менее 130-180^oC. С другой стороны, разработка технических решений, направленных на повышение Т_m, позволит повысить номинальную мощность (P_nom) резисторов при эксплуатации в обычных условиях где Т_m (^oC) - максимально допустимая температура резистора, T_case (^oC) - температура корпуса, R_thrc (^oC/Вт) - тепловое сопротивление резистивный элемент-корпус).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение максимально допустимой температуры мощного кремниевого резистора при сохранении температурной характеристики сопротивления в пределах ±10% и, как следствие, повышение его номинальной мощности.

Для достижения технического результата в известном мощном полупроводниковом резисторе, состоящем из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего радиационные дефекты, радиационные дефекты в резистивном элементе имеют концентрацию от 4• 10¹³ см^-3 для кремния с удельным сопротивлением ρ_o = 120 Ом•см до 2,5•10¹⁴ см^-3 для кремния с ρ_o = 20 Ом•см.

В известном способе изготовления мощного полупроводникового резистора, включающего создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, напыление металлических контактов, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией E = 2 - 5 МэВ с последующим термостабилизирующим отжигом, облучение ускоренными электронами проводят дозой от 3,4 • 10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o = 120 Ом•см до 2•10¹⁶ см^-2 для кремния c ρ_o = 20 Ом • см.

К отличительным признакам предлагаемых технических решений относятся: 1. Резистивный элемент содержит радиационные дефекты с концентрацией, лежащей в интервале от 4•10¹³ см^-3 для кремния с ρ_o = 120 Ом•см до 2,5 • 10¹⁴ см^-3 для кремния с ρ_o = 20 Ом•см.

2. Указанные дефекты вводят облучением резистивного элемента ускоренными электронами дозой, лежащей в интервале от 3,4•10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o = 120 Ом• см до 2 • 10¹⁶ см^-2 для кремния с ρ_o = 20 Ом •см.

Известных технических решений с такой совокупностью признаков в патентной и научно-технической литературе не обнаружено.

Основными положительными эффектами предлагаемых технических решений являются: - обеспечение максимально допустимой температуры резистора в интервале температур от Т_m= 130^oC для кремния с ρ_o = 120 Ом• см до T_m = 180^oC для кремния с ρ_o = 20 Ом•см при сохранении ТХС в пределах ± 10%; - увеличение номинальной мощности 1,2 - 2,5 раза.

На фиг. 1 приведена конструкция резистивного элемента заявляемого мощного полупроводникового резистора.

На фиг. 2 показана расчетная зависимость температуры начала собственной проводимости от исходного удельного сопротивления кремния n-типа электропроводности. Пунктиром показаны дополнительные построения для оценки T_i и Т_m для кремния с ρ_o = 120 Ом•см (точка "а" соответствует 0,7•T_i и Т_m, а точка "б" - 0,8•T_i).

На фиг. 3 показаны экспериментальные зависимости исходного удельного сопротивления кремния n-типа электропроводности от температуры: кривая 1 - ρ_o = 20 Ом• см; кривая 2 - ρ_o = 60 Ом•см; кривая 3 - ρ_o = 120 Ом•см; кривая 4 - ρ_o = 150 Ом•см (прототип). Кривая 5 - экспериментальная температурная зависимость удельного сопротивления кремния, прошедшего облучение и отжиг в соответствии с предлагаемым способом изготовления, для ρ_o = 120 Ом •см. Кривая 6 - расчетная зависимость удельного сопротивления кремния, соответствующего началу собственной проводимости, от температуры Ti (см. фиг. 2).

Полупроводниковый резистор состоит из резистивного элемента (фиг. 1), изготовленного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, который включает в себя диффузионные приконтактные области ⁺-типа 1 с напыленными на них алюминиевыми контактами 2. Для снятия краевых эффектов диск имеет фаску 3, торцевая поверхность которой защищена кремнийорганическим компаундом (КЛТ) 4. Радиационные дефекты введены с помощью электронного облучения (e^-). Резистивный элемент помещен в таблеточный корпус (на фиг. не показан).

Полупроводниковый резистор работает в составе электрических цепей как переменного, так и постоянного тока в качестве постоянного резистора объемного типа. Линейность вольт-амперной характеристики достигается при помощи омических переходов к алюминиевым контактам, созданных при помощи сильнолегированного n⁺-слоя 1. В процессе эксплуатации резистивный элемент нагревается и его температура находится в интервале температур +25^oC - Т_m. Отвод тепла производится при помощи жидкостного или воздушного охлаждения. Резистивный элемент, не облученный ускоренными электронами, имеет ТХС до 100% (фиг. 3, кривые 1 - 4), что может привести к изменению режимов работы схемы, как во времени, так и в зависимости от рассеиваемой резистором мощности. Поддержание ТХС в пределах ±10% в рабочем интервале за счет облучения и термостабилизирующего отжига позволяет сохранить параметры электрической схемы в допустимых пределах. Понижение ТХС осуществляется за счет ввода радиационных дефектов, частично компенсирующих основную легирующую примесь, с суммарной концентрацией, равной .

Чем ниже удельное сопротивление исходного кремния, тем выше температура, при которой начинается собственная проводимость кремния. Данная температура может быть теоретически рассчитана по известным [4,5,6] формулам: где T_i(K) - температура, при которой наступает собственная проводимость кремния; температурная зависимость ширины запрещенной зоны кремния; Т(К) - текущая температура; k (эВ/К) - постоянная Больцмана; N_с и N_v (см^-3) - эффективные плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно;
N_d (см^-3) - концентрация легирующей примеси, которая связана с удельным электрическим сопротивлением кaк ρ = σ^-1 = 1/(q•n•μ_n+q•p•μ_p), пpичeм для донорного полупроводника ρ ≈ 1/(q•N_d•μ_n), то есть

где ρ (Ом•см) - удельное электрическое сопротивление;
q = 1,6•10¹⁹ Кл - заряд электрона;
μ_n (см²/В•с) - дрейфовая подвижность электронов.

На основании вышеприведенных формул (1) и (2) произведен расчет зависимости температуры начала собственной проводимости от исходного удельного сопротивления кремния n-типа электропроводности (фиг. 2). С помощью данной зависимости можно оценить выбор исходного удельного сопротивления для получения требуемой максимально допустимой температуры резистора. Например, для резистора с ρ_o = 120 Ом•см, близкого к известному решению [3], расчетная температура начала собственной проводимости составит 186^oC (см. фиг. 2). Но температура начала собственной проводимости находится уже в области резкого спада удельного сопротивления, что может привести к положительной обратной связи по температуре и, как следствие, тепловому пробою резисторов. Кроме того, при облучении происходит увеличение удельного сопротивления, что приводит к незначительному уменьшению температуры начала собственной проводимости. Поэтому на практике принято считать T_m = (0,7 - 0,8)•Ti.

Таким образом, для рассматриваемого резистора с ρ_o = 120 Ом• см максимально допустимая температура будет находиться в пределах Т_m = (0,7 - 0,8)• 186^oC = (130 - 149)^oC (см. фиг.2 точки "а" и "б"). Аналогичные оценки могут быть произведены для кремния с другими значениями удельного сопротивления.

С учетом вышеизложенного для изготовления резисторов с Т_m более 130^oC необходимо брать кремний с удельным сопротивлением ниже 120 Ом•см.

Границы предлагаемого интервала удельного сопротивления исходного кремния ρ_o = 20 - 120 Ом•см обосновываются следующим образом.

Верхний предел удельного сопротивления, равный 120 Ом•см, граничит с максимально допустимой температурой 130^oC, близкой к известному значению Т_m = 125^oC, которое достигается при использовании известного технического решения [3] с ρ_o = 150 Ом•см.

Выбор нижнего предела удельного сопротивления равным 20 Ом•см обусловлен тем, что для обеспечения ТХС =± 10% в пределах рабочих температур +25^oC - +180^oC потребуется облучение резистивных элементов ускоренными электронами дозой порядка 2• 10¹⁶ см^-2. Для серийного ускорителя типа "Электроника ЭЛУ-6" с током пучка, равным 0,5 мкА, требуемая доза 2•10¹⁶с^-2 достигается за время облучения, равное ~4,5 часа. Учитывая производительность ускорителя "Электроника ЭЛУ-6" и стоимость процесса облучения (≈ 70 $/час), себестоимость введения радиационных дефектов начинает составлять порядка 25% от всей стоимости резистора, тогда как стоимость облучения резистивного элемента из кремния с ρ_o = 120 Ом•см (доза облучения 3,4•10¹⁵ см^-2 ) составляет около 2%. То есть, выбор нижнего предела исходного удельного сопротивления кремния обусловлен высокими материальными затратами производства резисторов.

В том случае, если необходимо использовать Si с ρ_o ≅20 Ом•см, например, при изготовлении безиндуктивных шунтов, то потребуются большие затраты на процесс облучения.

Пределы энергии ускоренных электронов 2 - 5 МэВ ограничены снижением технологичности способа изготовления (воспроизводимостью, ухудшением параметров и др.)
Выбор интервалов концентраций остаточных радиационных дефектов после облучения и термоотжига (2,5•10¹⁴ - 4,0• 10¹³) см^-3 и доз облучения ускоренными электронами (2•10¹⁶ - 3,4•10¹⁵) см^-2 в зависимости от исходного удельного сопротивления (ρ_o) обоснован в конкретном примере исполнения на основе данных, представленных в табл. 1 - 4 и фиг. 2.

Пример конкретного исполнения. При изготовлении экспериментальных образцов резистивных элементов, представляющих собой кремниевые диски диаметром 32 мм, толщиной 2,5 мм из монокристаллического кремния n-типа электропроводности марки КОФ (нейтронно-легированный кремний) с различным исходным удельным сопротивлением ρ_o = 20 Ом• см; 60 Ом•см; 120 Ом•см, был использован предлагаемый способ.

Изготовление проводили по следующей технологической схеме:
- резка кремниевых слитков на пластины толщиной 2,6 мм;
- вырезка дисков диаметром 32 мм;
- шлифовка пластин микропорошком М28 до толщины 2,5 мм;
- создание приконтактных n⁺-областей путем двухстадийной диффузии фосфора, включающей загонку фосфора при температуре 1150^oC в течение 1,5 часов, снятие фосфоросиликатного стекла и разгонку фосфора при температуре 1200^oC в течение 25 часов;
- контроль диффузионных параметров (глубина n⁺-слоя порядка 20 мкм и поверхностная концентрация фосфора ≈ 10²⁰ см^-3);
- создание омических контактов путем напыления алюминия (диаметр металлизации 30 мм) с последующим вжиганием при температуре порядка 500^oC в течение 1 часа;
- снятие фасок с боковой поверхности дисков до границы Al-контакта;
- измерение номинального сопротивления (R_nom) резистивных элементов;
- облучение дисков ускоренными электронами на ускорителе "Электроника ЭЛУ-6" при комнатной температуре с энергией 3,5 МэВ дозами облучения (Φ):
а) для кремния с ρ_o = 20 Ом•см; Φ = 1,8 • 10¹⁶ см^-2; Φ =2 • 10¹⁶ см ^-2 и φ = 2,2 • 10¹⁶ см^-2,
б) для кремния с ρ_o = 60 Ом• см; Φ = 6,3• 10¹⁵ см^-2; Φ = 7• 10¹⁵ см^-2 и Φ = 7,7 • 10¹⁵ см^-2,
в) для кремния с ρ_o = 120 Ом•см; Φ = 3,1•10¹⁵ см^-2; Φ = 3,4• 10¹⁵ см^-2 и Φ = 3,7•10¹⁵ см^-2;
- контроль номинального сопротивления после облучения;
- отжиг резистивных элементов при температуре 200^oC в течение 1 часа.

Температура выбрана из интервала температур термостабилизирующего отжига радиационных дефектов 180 - 230^oC. Время проведения отжига (1 час) определяется завершением структурной перестройки дефектов;
- травление фасок и защита кремнийорганическим компаундом (КЛТ) с последующей сушкой при Т = 180^oC;
- контроль основных параметров: линейности вольт-амперной характеристики, номинального сопротивления и температурной характеристики сопротивления (ТХС);
- сборка элементов в стандартные таблеточные корпуса.

Аналогично были изготовлены резистивные элементы по прототипу из кремния n-типа с ρ_o =150 Ом•см, диаметром 32 мм и толщиной 2,5 мм, облученные дозами Φ = 2•10¹⁵ см^-2, 2,5•10¹⁵ см^-2 и 3•10¹⁵ см^-2.

Основные параметры и характеристики предлагаемых резисторов и резисторов, изготовленных по прототипу, приведены в таблицах 1 - 4 и на фиг. 3.

Из фиг.3 (кривая 5) видно, что максимально допустимая температура резистора, изготовленного из кремния с исходным удельным сопротивлением ρ_o = 120 Ом•см, составляет ~130^oC, как и было предсказано теоретической оценкой (фиг. 2, то есть Т_m находится между точками "а" и "б", а в данном примере Т_m совпадает с точкой "а").

Сравнительный анализ параметров и характеристик, приведенных в таблицах 1 - 4, показывает, что увеличение Т_m от +130^oC до 180^oC (при сохранении ТХС в пределах ±10%) достигается при введении радиационных дефектов в концентрациях от 4•10¹³см^-3 до 2,5•10¹⁴ см^-3, соответствующих облучению дозами от 3,4•10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o = 120 Ом•см до 2•10¹⁶ см^-2 для кремния c ρ_o = 20 Ом•см. Отклонение в 10% от указанных концентраций дефектов и соответствующих им доз облучения приводит к недопустимому ухудшению ТХС.

К преимуществам предлагаемых конструкции и способа изготовления мощного полупроводникового резистора относятся:
- возможность увеличения значения максимально допустимой температуры (Т_m = 130 - 180^oC) при сохранении высокой температурной стабильности (ТХС ≅ ± 10%);
- возможность увеличения номинальной мощности P_nom (показано в таблице 5) позволяет использовать резисторы меньшего размера в мощных преобразовательных установках, что приводит к снижению их массогабаритных показателей и себестоимости. Кроме того, благодаря таблеточному исполнению предлагаемого резистора, его можно применять в единой системе охлаждения с мощными ключевыми приборами;
- равномерность распределения радиационных дефектов по объему структуры дискретного резистора и партии резисторов, что повышает воспроизводимость результатов и процент выхода резисторов с требуемой совокупностью параметров;
- возможность прецизионной подгонки режимов электронного облучения и последующего термоотжига в зависимости от исходных и требуемых параметров резисторов.

Литература
1. Зайцев Ю.В., Марченко А.Н., Ващенко И.И. Полупроводниковые резисторы в электротехнике, - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.18 и 19, рис. 1.9б.

2. Патент Великобритании, N 2025147, кл. H 01 К, публикация 16.01.1980 г.

3. Патент Российской Федерации N 2086043, кл. H 01 L 29/30, публикация 27.07.1997 г. - прототип по п.1 и п.2.

4. Шалимова К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.101, 102, 117 и 163.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. Пер. с англ-М.: Мир, 1984, с. 20.

6. Отблеск А.Е., Челноков В.Е. Физические проблемы в силовой полупроводниковой электронике. -Л.: Наука, 1984, с.6.

Формула изобретения

1. Мощный полупроводниковый резистор, состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего радиационные дефекты, отличающийся тем, что радиационные дефекты в резистивном элементе имеют концентрацию от 4 • 10¹³ см^-3 для кремния с удельным сопротивлением ρ_o = 120 Ом • см до 2,5 • 10¹⁴ см^-3 для кремния с ρ_o = 20 Ом • см.

2. Способ изготовления мощного полупроводникового резистора, включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, напыление металлических контактов областей, напыление металлических контактов, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией E = 2 - 5 МэВ, с последующим термостабилизирующим отжигом, отличающийся тем, что облучение ускоренными электронами проводят дозой от 3,4 • 10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o = 120 Ом • см до 2 • 10¹⁶ см^-2 для кремния с ρ_o = 20 Ом • см.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5