Силовой полупроводниковый прибор

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции силовых диодов, динисторов и тиристоров, в том числе симметричных. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности обратного тока i_r и напряжения пробоя v_br высоковольтного p-n-перехода и возможность регулирования v_br. Сущность изобретения: силовой полупроводниковый прибор, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, которые расположены на противоположных сторонах пластины, содержит, по крайней мере, со стороны первой главной поверхности краевой скос и диффузионный p-слой, образующий высоковольтный p-n-переход, имеющий обратную фаску, базовый n-слой, граничащий с одной стороны с указанным диффузионным p-слоем, а с другой стороны - с диффузионным слоем, выходящим на вторую главную поверхность и образующим с базовым n-слоем плоский переход, имеющий прямую фаску, омические контакты к главным поверхностям. Указанный высоковольтный p-n-переход состоит из конусообразной периферийной части и плоской центральной части, при этом конусообразная периферийная часть наклонена к плоской центральной части под углом β. Этот угол и длина d образующей конусообразной периферийной части удовлетворяют определенным условиям и связаны между собой соотношением, позволяющим подбирать их значения. 2 ил.

 

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции силовых диодов, динисторов и тиристоров, в т.ч. симметричных.

Известна конструкция силового полупроводникового прибора [1] (патент США №3532946, кл. H01L 21/304, опубл. 06.10.1970 г.), содержащая многослойную структуру, у которой диффузионный p-слой, образующий в исходной кремниевой пластине высоковольтный p-n-переход, имеющий обратную фаску, жестко соединен с термокомпенсатором сплавлением.

Такая конструкция имеет несколько недостатков:

1. Из-за близкого расположения границы высоковольтного p-n-перехода от сплавного шва между диффузионным p-слоем и термокомпенсатором ионы металлов, образовавшиеся и оставшиеся в шве после травления и защиты фаски, дрейфуя, достигают границы этого p-n-перехода и тем самым приводят к увеличению обратного тока I_R [мА] и неконтролируемому уменьшению напряжения пробоя V_BR [В].

2. Неоднородность соединительного шва вызывает увеличение теплового сопротивления и локальный перегрев прибора, что снижает его нагрузочную способность и термоциклостойкость.

3. Из-за различия коэффициентов теплового расширения контактных материалов необходимо использовать толстый термокомпенсатор, что увеличивает стоимость прибора.

Самое близкое решение [2] (патент Японии №50-19035, кл. H01L 29/74, опубл. 03.07.1975 г.) относится к конструкции силового полупроводникового прибора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего, по крайней мере, со стороны первой главной поверхности краевой скос и диффузионный p-слой, образующий в исходной кремниевой пластине высоковольтный p-n-переход, имеющий обратную фаску, базовый n-слой, граничащий с одной стороны с указанным диффузионным p-слоем, а с другой стороны - с диффузионным слоем, выходящим на вторую главную поверхность и образующим с базовым n-слоем плоский переход, имеющий прямую фаску, омические контакты к главным поверхностям.

Этот прибор позволяет устранить недостатки описанной выше конструкции, указанные в пунктах 2 и 3. Однако он не решает проблему, связанную с близким расположением границы высоковольтного p-n-перехода от края омического контакта. Кроме того, в нем отсутствует механизм регулирования напряжения пробоя высоковольтного p-n перехода.

Техническим результатом предлагаемого решения являются повышение стабильности обратного тока I_R и напряжения пробоя V_BR высоковольтного p-n-перехода и возможность регулирования V_BR.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции силового полупроводникового прибора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего, по крайней мере, со стороны первой главной поверхности краевой скос и диффузионный p-слой, образующий в исходной кремниевой пластине высоковольтный p-n-переход, имеющий обратную фаску, базовый n-слой, граничащий с одной стороны с указанным диффузионным p-слоем, а с другой стороны - с диффузионным слоем, выходящим на вторую главную поверхность и образующим с базовым n-слоем плоский переход, имеющий прямую фаску, омические контакты к главным поверхностям, указанный высоковольтный p-n-переход состоит из конусообразной периферийной части и плоской центральной части, при этом конусообразная периферийная часть наклонена к плоской центральной части под углом β [°], удовлетворяющим условию:

где α [°] - угол, под которым обратная фаска высоковольтного p-n-перехода пересекает плоскость первой главной поверхности,

а длина d [мкм] ее образующей удовлетворяет условию:

где W_n [мкм] - толщина базового n-слоя между плоской центральной частью высоковольтного p-n-перехода и плоским переходом,

L_пк [мкм] - кратчайшее расстояние между линией пересечения плоского перехода с боковой поверхностью прибора и проекцией омического контакта ко второй главной поверхности на плоскость этого перехода,

при этом длина d образующей конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода и угол β связаны между собой соотношением:

где W_nc [мкм] - кратчайшее расстояние между конусообразной периферийной частью высоковольтного p-n-перехода и линией пересечения плоского перехода с боковой поверхностью прибора.

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение от прототипа, относятся:

1. Высоковольтный p-n-переход состоит из двух частей - конусообразной периферийной части и плоской центральной части.

2. Конусообразная периферийная часть высоковольтного p-n-перехода наклонена к его плоской центральной части под углом β, удовлетворяющим условию (1).

3. Длина d образующей конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода удовлетворяет условию (2) и связана с углом β соотношением (3).

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

Положительный эффект достигается тем, что благодаря наличию конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода увеличивается расстояние от его границы до края омического контакта. Это снижает вероятность того, что ионы металлов, дрейфуя от края омического контакта, достигнут границы высоковольтного p-n-перехода. Тем самым повышается стабильность обратного тока I_R и напряжения пробоя V_BR. Изменением длины d образующей конусообразной периферийной части высоковольтного p-n перехода и угла β ее наклона к плоской центральной части можно варьировать значением W_nc. Это позволяет регулировать напряжение пробоя V_BR высоковольтного p-n-перехода, так как при W_nc<W_n пробой этого p-n-перехода происходит в его конусообразной периферийной части. При этом чем меньше W_nc, тем меньше V_BR.

На фиг.1 изображен фрагмент силового полупроводникового прибора предложенной конструкции - силового диода.

На фиг.2 изображен фрагмент силового полупроводникового прибора предложенной конструкции - силового тиристора.

Силовой полупроводниковый прибор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями 2 и 3. Со стороны первой главной поверхности 2 прибор содержит краевой скос 4 и диффузионный p-слой 5, образующий в исходной кремниевой пластине высоковольтный p-n-переход 6, имеющий обратную фаску 7. Краевой скос пересекает первую главную поверхность под углом γ. Базовый n-слой 8 граничит с одной стороны с диффузионным p-слоем 5, а с другой стороны - с диффузионным слоем 9, выходящим на вторую главную поверхность и образующим с базовым n-слоем плоский переход 10, имеющий прямую фаску 11. Прибор содержит омические контакты 12 и 13 к главным поверхностям. Высоковольтный p-n-переход состоит из конусообразной периферийной части 14 и плоской центральной части 15. Образующая конусообразной периферийной части 14 имеет длину d (не обозначена) и наклонена к плоской центральной части под углом β. Обратная фаска 7 пересекает плоскость первой главной поверхности 2 под углом α. Обратная фаска высоковольтного p-n-перехода и прямая фаска плоского перехода образуют боковую поверхность прибора. Плоский переход 10 пересекает боковую поверхность прибора по линии, проходящей через точку С. Толщина базового n-слоя между плоской центральной частью 15 высоковольтного p-n-перехода и плоским переходом 10 равна W_n, а кратчайшее расстояние между конусообразной периферийной частью 14 высоковольтного p-n-перехода и линией пересечения плоского перехода 10 с боковой поверхностью прибора равна W_nc.

В случае тиристора (фиг.2) прибор содержит также эмиттерный n⁺-слой 16, образующий с диффузионным p-слоем 5 эмиттерный n⁺-p-переход 17, а также управляющий электрод 18.

На фиг.1 и 2 линия пересечения плоского перехода 10 с боковой поверхностью прибора (точка С) совпадает с линией пересечения обратной фаски высоковольтного p-n-перехода и прямой фаски плоского перехода. В действительности точка С может лежать как ниже, так и выше линии пересечения указанных фасок.

В частном случае силового диода, аналогичного прототипу, обратная фаска высоковольтного p-n-перехода и прямая фаска плоского перехода могут быть наклонены к плоскостям соответствующих поверхностей под одинаковыми углами, т.е. могут не иметь явной линии пересечения. В этом случае линию пересечения этих фасок следует считать совпадающей с линией пересечения плоского перехода 10 с боковой поверхностью прибора.

При работе прибора, когда к высоковольтному p-n-переходу 6 приложено обратное напряжение, область пространственного заряда (ОПЗ) этого перехода расширяется преимущественно в сторону базового n-слоя 8, уровень легирования которого намного ниже уровня легирования диффузионного p-слоя 5. Толщина ОПЗ в диффузионном p-слое даже при напряжениях, равных пробивному, не превышает, как правило, 20÷30 мкм. Наличие конусообразной периферийной части 14 увеличивает при этом расстояние по боковой поверхности прибора от границы высоковольтного p-n-перехода (точнее, от границы ОПЗ в диффузионном p-слое) до края омического контакта 12. Это снижает вероятность того, что ионы металлов, дрейфуя от края омического контакта, достигнут границы ОПЗ высоковольтного p-n-перехода. Тем самым повышается стабильность обратного тока I_R и напряжения пробоя V_BR этого p-n-перехода.

Напряжение пробоя высоковольтного p-n-перехода 6 зависит в основном от удельного сопротивления исходного кремния ρ_n [Ом·см] и толщины базового n-слоя 8. В плоской центральной части 15 этого p-n-перехода напряжение пробоя (обозначим его V_BRпч [В]) определяется значениями ρ_n и W_n, а в конусообразной периферийной части 14 (обозначим его V_BRкч [В]) - значениями ρ_n и W_nc. Фактическое значение напряжения пробоя V_BR высоковольтного p-n-перехода равно при этом меньшему из значений V_BRпч и V_BRкч. Поскольку напряжение пробоя уменьшается с уменьшением толщины базового n-слоя, то V_BR=V_BRпч, если W_n<W_nc, и наоборот. При W_n=W_nc имеем V_BR=V_BRпч=V_BRкч.

Таким образом, задаваясь значением W_nc, меньшим W_n, можно регулировать напряжение пробоя высоковольтного p-n-перехода. Это особенно важно для определенного типа тиристоров, в которых необходимо инициировать пробой в краевой области для обеспечения самозащиты от перенапряжений в закрытом состоянии.

Угол обратной фаски для конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода равен α+β. При значениях угла α+β, превышающих 60°, резко возрастает электрическое поле на поверхности обратной фаски, что, как правило, приводит к поверхностному пробою этого p-n-перехода. С другой стороны, при значениях угла β менее 1° возникают технологические сложности при реализации прибора предложенной конструкции. Поэтому значения угла β следует ограничить условием (1).

Максимально допустимое значение длины d образующей конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода (обозначим его d_max [мкм]) по условию (2) равно:

При d≤d _max площадь плоской центральной части этого p-n-перехода не меньше площади омического контакта 13 ко второй главной поверхности прибора. Тем самым наличие конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода не влияет на нагрузочную способность прибора в проводящем состоянии. Наименьшее значение d, равное 250 мкм, обусловлено тем, что при d<250 мкм: а) технически сложно обеспечить достаточную равномерность значений d по всему контуру прибора и б) при типичных значениях α, равных 25÷35°, практически исключается возможность регулировать напряжение пробоя высоковольтного p-n-перехода. Поэтому значения d ограничены условием (2).

При известных значениях W_n и α и заданном значении W_nc (в зависимости от намерения регулировать V_BR) соотношение (3) позволяет подобрать значения d и β, удовлетворяющие условиям (1) и (2).

Пример реализации. Для примера реализации взяли тиристор на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с удельным сопротивлением 180 Ом·см и диаметром 56 мм. Для изготовления тиристора предложенной конструкции были использованы стандартные технологические процессы, включающие механическую обработку кремниевых пластин, очистку их в перекисно-кислотных растворах, диффузию акцепторных и донорных примесей для формирования соответственно p- и n⁺-слоев, создание омических контактов, формирование обратной фаски высоковольтного p-n-перехода 6 и прямой фаски плоского перехода 10, очистку и защиту фасок, регулирование времени жизни дырок τ_p в базовом n-слое облучением электронами.

Для создания высоковольтного p-n-перехода с конусообразной периферийной частью на пластинах предварительно формировался краевой скос 4, пересекающий первую главную поверхность под углом β. На фиг.1 и 2 угол краевого скоса обозначен буквой γ, так как при формировании прямой и обратной фасок этот угол может быть изменен.

Были изготовлены 4 варианта тиристора предложенной конструкции. Для всех приборов толщина базового n-слоя W_n была равна 650 мкм, а угол α-30°. Значения W_nc (фиг.1, 2) были выбраны равными, соответственно, 700 мкм (вариант 1), 650 мкм (вариант 2), 560 мкм (вариант 3) и 500 мкм (вариант 4). В случае вариантов 1 и 2, когда W_nc≥W_n и, следовательно, V_BR=V_BRпч, расчетное значение напряжения пробоя V_BR высоковольтного p-n-перехода 5 было равно 4200 В. В случае вариантов 3 и 4, когда W_nc<W_n и, следовательно, V_BR=V_BRкч, расчетные значения V_BR были равны, соответственно, 3990 и 3780 В, т.е. были на 5% и 10% меньше V_BRпч (именно в таких пределах обычно регулируют значения пробивного напряжения высоковольтных p-n-переходов в тиристорах с самозащитой от перенапряжений).

Для всех вариантов тиристора угол β был выбран равным 10°. При этом значение d_max при L_пк=1,8 мм было равно 2,28 мм, а значения d, рассчитанные из соотношения (3), для вариантов 1, 2, 3 и 4 были равны соответственно 0,61 мм, 0,83 мм, 1,24 мм и 1,5 мм, т.е. условие (2) выполнялось для всех вариантов.

Были изготовлены по 10 тиристоров каждого варианта. Измеренные значения напряжения пробоя высоковольтного p-n-перехода лежали в интервале 4160÷4240 В для вариантов 1, 2 и в интервалах 3960÷4020 В и 3750÷3810 В соответственно для вариантов 3, 4. Эти значения напряжения пробоя хорошо соответствовали расчетным. Некоторая вариация значений напряжения пробоя обусловлена, очевидно, разбросом значений удельного сопротивления исходного кремния и отклонением значений конструктивных параметров тиристоров от номинальных. В процессе испытаний приборов и их хранения (в общей сложности около года) не наблюдались также никакие изменения значений обратных токов и напряжений пробоя высоковольтных p-n-переходов.

На фиг.1 и 2 и в последующем описании представлены только два типа силового полупроводникового прибора предложенной конструкции, а именно силовые диод и тиристор. Однако очевидно, что данное изобретение может быть использовано и для создания силового динистора, а также симметричных (пятислойных) силовых приборов (тиристоров и динисторов).

Источники информации

1. Патент США №3532946, кл. H01L 21/304; H01L 29/00, опубл. 06.10.1970 г.

2. Патент Японии №50-19035, кл. H01L 29/74, опубл. 03.07.1975 г. (прототип).

Силовой полупроводниковый прибор, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий, по крайней мере, со стороны первой главной поверхности краевой скос и диффузионный p-слой, образующий в исходной кремниевой пластине высоковольтный p-n-переход, имеющий обратную фаску, базовый n-слой, граничащий с одной стороны с указанным диффузионным p-слоем, а с другой стороны - с диффузионным слоем, выходящим на вторую главную поверхность и образующим с базовым n-слоем плоский переход, имеющий прямую фаску, омические контакты к главным поверхностям, отличающийся тем, что указанный высоковольтный p-n-переход состоит из конусообразной периферийной части и плоской центральной части, при этом конусообразная периферийная часть наклонена к плоской центральной части под углом β [°], удовлетворяющим условию

где α [°] - угол, под которым обратная фаска высоковольтного p-n-перехода пересекает плоскость первой главной поверхности, а длина d [мкм] ее образующей удовлетворяет условию

где W_n [мкм] - толщина базового n-слоя между плоской центральной частью высоковольтного p-n-перехода и плоским переходом;

L_пк [мкм] - кратчайшее расстояние между линией пересечения плоского перехода с боковой поверхностью прибора и проекцией омического контакта ко второй главной поверхности на плоскость этого перехода,

при этом длина d образующей конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода и угол β связаны между собой соотношением

где W_nc [мкм] - кратчайшее расстояние между конусообразной периферийной частью высоковольтного p-n перехода и линией пересечения плоского перехода с боковой поверхностью прибора.