Силовой полупроводниковый прибор с регулируемым напряжением переключения

Изобретение относится к конструкции силового полупроводникового прибора. Техническим результатом изобретения является повышение критической скорости нарастания тока при переключении прибора в случае перенапряжений. Сущность изобретения: силовой полупроводниковый прибор, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, содержащий, по меньшей мере, один эмиттерный n⁺-слой со стороны первой главной поверхности, базовый p-слой, выходящий на первую главную поверхность и образующий с эмиттерным n⁺-слоем эмиттерный n⁺-p-переход, базовый n-слой, смежный с базовым p-слоем и образующий с ним коллекторный p-n-переход, эмиттерный p⁺-слой со стороны второй главной поверхности, металлизации эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев и базового p-слоя, триодную зону p⁺-n-p-типа между металлизациями эмиттерного p⁺-слоя и базового p-слоя и вокруг нее тиристорную зону p⁺-n-p-n⁺-типа между металлизациями эмиттерных р⁺- и n⁺-слоев, локальную область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-p-типа, расположенную между коллекторным p-n-переходом и серединой базового n-слоя и простирающуюся, по крайней мере, на часть тиристорной зоны, прилегающую к триодной зоне, дополнительную локальную область с водородсодержащими донорами в базовом p-слое, которая расположена под периферийной частью эмиттерного n⁺-слоя. 2 ил.

 

Изобретение относится к конструкции силового полупроводникового прибора с регулируемым напряжением переключения, а именно к конструкции динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора.

Известна конструкция силового полупроводникового прибора с регулируемым напряжением переключения - тиристора [1], содержащего в базовом n-слое под управляющим электродом локальную область с повышенной концентрацией генерационно-рекомбинационных центров. Граница локальной области с повышенной концентрацией генерационно-рекомбинационных центров (ГРЦ) со стороны эмиттерного n⁺-слоя располагается от поверхности этого слоя на глубине d_o [мкм], превышающей глубину залегания коллекторного p-n-перехода x_jc [мкм]. Значение напряжения переключения прибора U_BO [В] регулируется величиной d_o.

В случае фототиристора зону с повышенной концентрацией ГРЦ в базовом n-слое создают под светочувствительной зоной прибора.

Прибор содержит вспомогательную тиристорную зону, окружающую управляющий электрод в случае тиристора или светочувствительную зону в случае фототиристора.

Недостатком описанной конструкции является низкая температурная стабильность напряжения переключения, так как ток утечки, обусловленный генерацией электронно-дырочных пар на ГРЦ и приводящий к переключению тиристора, очень сильно зависит от температуры (удваивается при повышении температуры через каждые 8÷15°С). Кроме того, даже при одной и той же температуре максимальный относительный разброс напряжения переключения δU_BOm от прибора к прибору оказывается весьма существенным, так как δU_BOm>2·δd_om; где δd_om - максимальный относительный разброс глубины залегания зоны с повышенной концентрацией ГРЦ в базовом n-слое.

Самое близкое решение [2] (фиг.1) относится к конструкции силового полупроводникового прибора с регулируемым напряжением переключения, например тиристора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего, по меньшей мере, один эмиттерный n⁺-слой со стороны первой главной поверхности, базовый p-слой, выходящий на первую главную поверхность и образующий с эмиттерным n⁺-слоем эмиттерный n⁺-p-переход, базовый n-слой, смежный с базовым p-слоем и образующий с ним коллекторный p-n-переход, эмиттерный p⁺-слой со стороны второй главной поверхности, металлизации эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев и базового p-слоя, триодную зону p⁺-n-p-типа между металлизациями эмиттерного p⁺-слоя и базового p-слоя и вокруг нее тиристорную зону p⁺-n-p-n⁺-типа между металлизациями эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев, локальную область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-p-типа, расположенную между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя.

Наличие в базовом n-слое указанной локальной области, дополнительно легированной водородсодержащими донорами (ВСД), приводит к уменьшению удельного сопротивления кремния и, соответственно, к снижению напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода в пределах триодной зоны p⁺-n-p-типа U_BR [В]. В случае перенапряжения ток лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в этой зоне играет роль внешнего тока управления для окружающей ее тиристорной зоны и приводит к ее переключению, тем самым защищая прибор от выхода из строя. Напряжение переключения тиристора U_BO регулируется, таким образом, величиной U_BR.

Напряжение лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода в пределах триодной зоны p⁺-n-p-типа U_BR регулируют удельным, приведенным к площади 1 см² количеством ВСД N_BCДnb [см^-2] в локальной области базового n-слоя.

Данное техническое решение устраняет недостатки описанной выше конструкции [1]. Однако здесь переключение тиристорной зоны прибора происходит на участке шириной около (0,1÷0,3) мм, прилегающем к границе триодной зоны p⁺-n-p-типа. Ограниченная площадь области первоначального включения (ОПВ) приводит к ее перегреву и тем самым к выходу прибора из строя при переключении с высокой скоростью нарастания анодного тока (около 1000 А/мкс и более).

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение критической скорости нарастания тока (di_T/dt)_crit [А/мкс] при переключении прибора в случае перенапряжений.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции полупроводникового прибора с регулируемым напряжением переключения, например тиристора, выполненного на основе кремниевой пластины n⁺-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего, по меньшей мере, один эмиттерный прелой со стороны первой главной поверхности, базовый p-слой, выходящий на первую главную поверхность и образующий с эмиттерным n⁺-слоем эмиттерный n⁺-p-переход, базовый n-слой, смежный с базовым p-слоем и образующий с ним коллекторный p-n-переход, эмиттерный p⁺-слой со стороны второй главной поверхности, металлизации эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев и базового p-слоя, триодную зону p⁺-n-p-типа между металлизациями эмиттерного p⁺-слоя и базового p-слоя и вокруг нее тиристорную зону p⁺-n-p-n⁺-типа между металлизациями эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев, локальную область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-p-типа, расположенную между коллекторным p-n-переходом и серединой базового n-слоя, прибор дополнительно содержит локальную область с водородсодержащими донорами в базовом p-слое, расположенную под периферийной частью эмиттерного n⁺-слоя, при этом локальная область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое простирается, по крайней мере, на часть тиристорной зоны, прилегающую к триодной зоне.

Удельное, приведенное к площади 1 см² количество водородсодержащих доноров в локальной области базового p-слоя N_ВСДpb [см^-2] удовлетворяет условиям:

где N_ao [см^-2] - удельное, приведенное к площади 1 см² количество исходных акцепторов в базовом p-слое под эмиттерным n⁺-слоем; ρ_n - удельное сопротивление исходного кремния в базовом n-слое.

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

1. Прибор дополнительно содержит локальную область с водородсодержащими донорами в базовом p-слое, расположенную под периферийной частью эмиттерного n⁺-слоя.

2. Локальная область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое простирается, по крайней мере, на часть тиристорной зоны, прилегающую к триодной зоне.

3. Удельное, приведенное к площади 1 см² количество водородсодержащих доноров в локальной области базового p-слоя N_ВCДрb удовлетворяет условиям (1).

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что:

- Наличие водородсодержащих доноров (ВСД) в локальной области базового p-слоя, расположенной под периферийной частью эмиттерного n⁺-слоя, приводит к повышению сопротивления растекания R_pb этого слоя под эмиттерным n⁺-слоем. Обусловлено это тем, что результирующая концентрация акцепторов в этой области понижена из-за частичной их компенсации водородсодержащими донорами.

- Локальная область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое в соответствии с признаком 2 приводит к лавинному пробою коллекторного p-n-перехода не только в пределах триодной зоны, но, по крайней мере, и в пределах части тиристорной зоны, прилегающей к триодной зоне. Током, включающим тиристорную зону, служит при этом ток лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода в пределах всей площади указанной области в базовом n-слое.

Оба эти фактора способствуют при прочих равных условиях более резкому повышению прямого напряжения на эмиттерном n⁺-p-переходе тиристорной зоны. В совокупности все это приводит к увеличению площади области первоначального включения (ОПВ) и более быстрому включению тиристорной зоны, и, тем самым, к повышению критической скорости нарастания тока (di_T/dt)_crit при переключении прибора в случае перенапряжений.

Условия (1) обусловлены тем, что при N_ВСДрb<0,1·N_ao значение R_pb возрастает менее чем на 10%, т.е. несущественно, а при N_ВСДрb>[0,9·N_ao-2,36·10¹²/(ρ_n)^0,125] возникает опасность смыкания области пространственного заряда коллекторного p-n-перехода с эмиттерным n⁺-p-переходом.

Для краткости вышеуказанные локальные области с водородсодержащими донорами в базовом n-слое и базовом p-слое будем называть локальными областями базового n-слоя и базового p-слоя, соответственно.

На фиг.1 изображен фрагмент силового полупроводникового прибора с регулируемым напряжением переключения (тиристора) предложенной конструкции, когда проекции на плоскость коллекторного p-n-перехода внешней границы локальной области базового n-слоя и внутренней границы локальной области базового p-слоя совпадают между собой.

На фиг.2 схематически изображены начальные распределения прямого напряжения u_np [В] на эмиттерном n⁺-р-переходе при лавинном пробое коллекторного p-n-перехода в случае прибора (тиристора) по прототипу (кривая 1) и прибора предложенной конструкции (кривая 2).

Полупроводниковый прибор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями 2 и 3, расположенными на противоположных сторонах пластины (фиг.1). Прибор содержит, по меньшей мере, один эмиттерный n⁺-слой 4 со стороны первой главной поверхности 2, базовый p-слой 5, выходящий на первую главную поверхность и образующий с эмиттерным n⁺-слоем эмиттерный n⁺-p-переход 6. Базовый n-слой 7, смежный с базовым p-слоем, образует с ним коллекторный p-n-переход 8. Толщина базового n-слоя равна d. Прибор содержит также эмиттерный р⁺-слой 9 со стороны второй главной поверхности 3 и металлизации 10, 11 и 12 эмиттерного p⁺-слоя 9, эмиттерного n⁺-слоя 4 и базового p-слоя 5, соответственно.

Между металлизациями 10, 12 эмиттерного p⁺-слоя 9 и базового p-слоя 5 расположена триодная зона p⁺-n-p-типа А, а между металлизациями 10, 11 эмиттерного p⁺-слоя 9 и эмиттерного n⁺-слоя 4 - тиристорная зона p⁺-n-p-n⁺-типа Б.

Прибор содержит в базовом n-слое 7 локальную область 13 с водородсодержащими донорами, расположенную между коллекторным p-n-переходом 8 и серединой базового n-слоя 7. В базовом p-слое прибор дополнительно содержит локальную область 14 с водородсодержащими донорами. Локальная область 13 в базовом n-слое 7 выходит за пределы триодной зоны А и простирается, по крайней мере, на часть тиристорной зоны, прилегающую к триодной зоне, а локальная область 14 в базовом p-слое 5 расположена под периферийной частью эмиттерного n⁺-слоя 4.

Проекции на плоскость коллекторного p-n-перехода 8 внешней границы 15 локальной области 13 в базовом n-слое и внутренней границы 16 локальной области 14 в базовом p-слое на фиг.1 совпадают. Однако это необязательно для предлагаемой конструкции прибора.

Радиусы внутренней и внешней границы тиристорной зоны Б обозначены на фиг.1 как r₁ и r₂ [мм], соответственно. Стрелками на фиг.1 показаны направления протекания в базовом p-слое 5 тока лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода 8 при перенапряжениях.

Вне фрагмента, изображенного на фиг.1, прибор может содержать еще одну или больше тиристорных зон. В случае фототиристора металлизация 12 может вообще отсутствовать или иметь кольцевую форму, окружающую фотоокно. Эмиттерный n⁺-p-переход 6 может содержать точечные шунты, которые не показаны, чтобы не загромождать чертеж. Тиристорная зона Б может иметь не кольцевую, а иную форму, например шестиугольную.

Работу тиристора поясним, используя фиг.2. Через u_кр [В] на фиг.2 обозначено критическое значение прямого напряжения u_np на эмиттерном n⁺-p-переходе 6, при котором происходит включение тиристорной зоны Б (фиг.1). Кривая 1 схематически изображает начальное распределение прямого напряжения u_np на эмиттерном n⁺-p-переходе 6 в случае прибора по прототипу. При перенапряжениях лавинный пробой коллекторного p-n-перехода 8 происходит в этом случае только в пределах триодной зоны А (фиг.1). Ток лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода, протекая через базовый p-слой 5, не содержащий локальную область 14, создает в начальный момент практически линейное распределение прямого напряжения на эмиттерном n⁺-p-переходе вдоль оси r [мм]. Первоначальное включение тиристорной зоны происходит при этом только в пределах участка шириной (r_опв1-r₁), где r_опв1 [мм] - внешняя граница области первоначального включения (ОПВ).

В случае прибора предложенной конструкции лавинный пробой коллекторного p-n-перехода 8 при перенапряжениях происходит и в пределах тиристорной зоны Б (фиг.1). Ток лавинного пробоя участка коллекторного p-n-перехода в пределах тиристорной зоны, в отличие от тока лавинного пробоя участка в пределах триодной зоны, создает параболическое распределение прямого напряжения на эмиттерном n⁺-p-переходе 6. Локальная область 14 базового p-слоя с повышенным значением R_pb приводит к увеличению падения напряжения на базовом p-слое и тем самым к повышению прямого напряжения на эмиттерном n⁺-p-переходе 6. Результирующее распределение прямого напряжения на эмиттерном n⁺-p-переходе имеет при этом вид, изображенный кривой 2 на фиг.2. Первоначальное включение тиристорной зоны происходит при этом в пределах участка шириной (r_опв2-r₁), где r_опв2 [мм] -внешняя граница ОПВ в случае прибора предложенной конструкции.

Более резкое повышение прямого напряжения на эмиттерном n⁺-p-переходе 6 тиристорной зоны Б приводит не только к увеличению площади ОПВ, но и к более быстрому включению тиристорной зоны за счет более интенсивной инжекции электронов. В совокупности все это приводит к повышению критической скорости нарастания тока (di_T/dt)_crit при переключении прибора в случае перенапряжений.

Прибор предложенной конструкции можно изготовить следующим способом, включающим: формирование триодной зоны p⁺-n-p-типа и вокруг нее тиристорной зоны p⁺-n-p-n⁺-типа, металлизацию эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев и базового p-слоя, формирование локальных областей с водородсодержащими донорами в базовом n-слое и базовом p-слое облучением протонами с последующим термическим отжигом.

Для примера реализации взяли тиристор на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с удельным сопротивлением 180 Ом·см, диаметром 56 мм и толщиной около 850 мкм. Толщина базового n-слоя d (фиг.1) была равна 650 мкм. Внутренний радиус r₁ тиристорной зоны Б был выбран равным 2,5 мм, а внешний радиус r₂ - 4 мм. Тиристорная зона содержала точечные шунты (на фиг.1 не изображены) диаметром около 0,1 мм. Расстояние между центрами соседних шунтов было равно 0,5 мм. Вне тиристорной зоны Б (вне фрагмента прибора по фиг.1) располагалась основная тиристорная зона прибора. Тиристорная зона Б играла, таким образом, роль вспомогательной тиристорной зоны, а продолжение ее металлизации 11 (фиг.1) служило управляющим электродом основной тиристорной зоны.

Всего было изготовлено 20 образцов прибора. Их напряжения переключения U_BO до формирования локальных областей 13 и 14 в базовых слоях лежали в интервале (4300÷4500) В.

На половине образцов была создана только локальная область 13 в базовом n-слое в пределах триодной зоны А (фиг.1) по площади радиусом 2,3 мм. Это были образцы прибора по прототипу. Локальная область 13 в базовом n-слое формировалась облучением протонами дозой 2·10¹² см^-2, что обеспечивало снижение напряжения U_BO примерно на 10%. Расстояние от плоскости коллекторного p-n-перехода до максимума ВСД в локальной области 13 было равно примерно 120 мкм, т.е было меньше, чем d/2.

Другая половина образцов была образцами прибора предлагаемой конструкции. Локальная область 13 в базовом n-слое этих образцов формировалась аналогично и отличалась от соответствующей области в образцах по прототипу только площадью: ее радиус был равен 3,7 мм, т.е. она простиралась на значительную часть тиристорной зоны Б (фиг.1). Локальная область 14 в базовом p-слое имела в плане форму кольца шириной 0,5 мм и включала в себя внешнюю периферийную часть тиристорной зоны шириной 0,3 мм. Таким образом, проекции внешней границы 15 локальной области 13 базового n-слоя и внутренней границы 16 локальной области базового p-слоя на плоскость коллекторного p-n-перехода 8 совпадали между собой (фиг.1).

Сопротивление растекания базового p-слоя R_pb в пределах тиристорной зоны Б до формирования локальной области 14 составляло около 380 при N_ao≈4,15·10¹³ см^-2. Локальная область 14 в базовом р-слое формировалась облучением протонами дозой 3,5·10¹⁴ см^-2, что обеспечивало после термического отжига создание ВСД с удельным количеством N_ВСДрb=2,5·10¹³ см^-2. Это значение N_ВСДрb удовлетворяло условиям (1): N_ВСДрb>0,1·N_ao=4,15·10¹² см^-2 и N_ВСДрb<0,9·N_ao-2,36·10¹²/(ρ_n)^0,125=3,61·10¹³ см^-2. Значение R_pb в локальной области 14 в пределах тиристорной зоны Б возросло при этом до 955 т.е. увеличилось примерно в 2,5 раза.

При формировании локальных областей 13 и 14 в базовых n- и р-слоях (фиг.1) термический отжиг образцов после облучения протонами проводился при температуре 280°С в течение 8 часов. Напряжения переключения U_BO всех образцов после этого лежали в интервале (3900÷4100) В, т.е. понизились по сравнению с исходными значениями примерно на 400 В.

Измерения критической скорости нарастания тока (di_T/dt)_crit проводились по стандартной схеме с тем отличием, что включение приборов осуществлялось не импульсами тока управления, а импульсами напряжения с амплитудой, превышающей U_BO. На приборы подавались импульсы напряжения с амплитудой до 5000 В, нарастающие со скоростью 2500 В/мкс. Скорость нарастания тока через приборы после их переключения регулировалась индуктивностью контура.

Были получены следующие результаты. Образцы по прототипу выдержали испытания при скоростях нарастания тока di/dt [А/мкс] до 1200 А/мкс и вышли из строя при значениях di/dt в интервале (1300÷1500) А/мкс. Образцы предложенной конструкции выдержали испытания при скоростях нарастания тока до 2500 А/мкс и вышли из строя при значениях di/dt в интервале (2700÷3200) А/мкс.

Таким образом, силовые полупроводниковые приборы (тиристоры) с регулируемым напряжением переключения предложенной конструкции по критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di_T/dt)_crit более чем в 2 раза превосходят приборы по прототипу.

Силовые полупроводниковые приборы с регулируемым напряжением переключения могут найти применение в преобразователях электрической энергии как самостоятельные изделия или как элементы защиты мощных тиристоров от пробоя при перенапряжениях в закрытом состоянии.

Источники информации.

1. Патент WO 9217907, кл. H01L 29/74, H01L 29/32, H01L 31/111 и др., публ. 30.05.1995 г.

2. Патент ЕР №0343369, кл. H01L 21/263, H01L 21/322, H01L 29/32, публ. 29.11.1989 г.

Силовой полупроводниковый прибор с регулируемым напряжением переключения, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий, по меньшей мере, один эмиттерный n⁺-слой со стороны первой главной поверхности, базовый p-слой, выходящий на первую главную поверхность и образующий с эмиттерным n⁺-слоем эмиттерный n⁺-р-переход, базовый n-слой, смежный с базовым p-слоем и образующий с ним коллекторный p-n-переход, эмиттерный p⁺-слой со стороны второй главной поверхности, металлизации эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев и базового p-слоя, триодную зону p⁺-n-p-типа между металлизациями эмиттерного p⁺-слоя и базового p-слоя и вокруг нее тиристорную зону p⁺-n-p-n⁺-типа между металлизациями эмиттерных p⁺- и n⁺-слоев, локальную область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-p-типа, расположенную между коллекторным p-n-переходом и серединой базового n-слоя, отличающийся тем, что прибор дополнительно содержит локальную область с водородсодержащими донорами в базовом p-слое, расположенную под периферийной частью эмиттерного n⁺-слоя, при этом указанная локальная область с водородсодержащими донорами в базовом n-слое простирается, по крайней мере, на часть тиристорной зоны, прилегающую к триодной зоне.