Блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов

Изобретение относится к области дискретных полупроводниковых приборов, в частности к блокирующим диодам для солнечных батарей космических аппаратов. Техническим результатом заявленного изобретения является создание бескорпусного блокирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов с высоким пробивным напряжением, низким прямым напряжением, устойчивого при термоциклировании в широком диапазоне температур (от -180°C до +100°С), диэлектрическая изоляция которого защищена от воздействия щелочных металлов. Сущность изобретения: блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов содержит кремниевый кристалл с планарным p-n-переходом, омический контакт к области p-типа проводимости между областью эмиттера и полевой обкладкой кремниевого кристалла, омический контакт к области n-типа проводимости между областью базы и полевой обкладкой кремниевого кристалла, первый и второй выводы, расположенные параллельно лицевой и тыльной плоскостям кремниевого кристалла, первый и второй компенсаторы, расположенные между первым и вторым выводами и кремниевым кристаллом. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области дискретных полупроводниковых приборов, в частности к блокирующим диодам для солнечных батарей космических аппаратов.

Из уровня техники известен диод с планарным диффузионным переходом, изготовленный диффузией p-типа через окно в маскирующем слое двуокиси кремния. Для того чтобы исключить пробой у края объемного заряда по периметру p-n-перехода выполнены полевые кольца p-типа проводимости. Таким образом, удается добиться увеличения пробивных напряжений [см. Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров, пер. с англ. под ред. Евсеева Ю.А., М., Энергоатомиздат, 1990 г., стр.33, 208].

Недостаток технического решения заключается в том, что кольца являются концентраторами механических напряжений в кристалле, и в результате уменьшается стойкость прибора в процессе термоциклирования.

Из уровня техники известно техническое решение, когда используется металлическая полевая обкладка, которая служит контактом к эмиттеру и выступает за его пределы поверх слоя двуокиси кремния, благодаря чему расширяется область объемного заряда в базе диода. Таким образом устраняется краевой эффект искривления поля у края p-n-перехода, который приводит к низковольтному пробою [см. Блихер А., Физика тиристоров, пер. с англ. под ред. Грехова И.В., Л., Энергоиздат, 1981 г., стр.264].

Таким диодам свойственна временная нестабильность, так как небольшие нарушения адгезии металла к диэлектрической изоляции приводят к электрическому пробою.

Из уровня техники известен планарный диод, в котором применяется трехслойная диэлектрическая изоляция. После формирования планарного p-n-перехода удаляется маскирующий окисел и на монокристаллическую поверхность базы осаждается из газовой фазы полевая обкладка, выполненная из поликристаллического кремния, легированного кислородом [см. Тейлор П., Расчет и проектирование тиристоров, пер. с англ. под ред. Евсеева Ю.А., М., Энергоатомиздат, 1990 г., стр.178, 208]. Сверху для защиты от проникновения щелочных металлов осаждается слой поликристаллического кремния, легированный азотом, а чтобы избежать пробоя по поверхности осаждается третий слой пиролитической двуокиси кремния. В таком диоде область объемного заряда расширяется за счет потенциала, приложенного к полевой обкладке.

Недостатком технического решения является то, что перед осаждением полевой обкладки удаляется маскирующий слой двуокиси кремния, который был сформирован для изготовления p-n-перехода. В такой технологии невозможно сохранить чистоту поверхности кремния, на которую осаждается полевая обкладка, на таком же уровне, как при изготовлении планарного диода с изоляцией термической двуокисью кремния. В результате повышается уровень обратных токов.

Из уровня техники известно применение карбид кремниевых блокирующих диодов Шоттки для солнечных батарей космических аппаратов, предназначенных для использования при повышенных температурах [см. E.Maset, E.Sanchis-Kilders, P.Brosselard, X.Jordá, M.Vellvehi, P.Godignon. 300°C SiC Blocking Diodes for Solar Array Strings, Materials Science Forum, 2009 г., v.615-617, p.925-928].

Достоинством диодов Шотки на основе карбида кремния являются высокие пробивные напряжения (600 вольт) и высокие рабочие температуры, в перспективе до 600°C. Эти преимущества имеют большое значение для спускаемых на Венеру или запускаемых к Меркурию аппаратов.

Недостатком диодов Шоттки на основе карбида кремния являются высокие прямые напряжения, которые втрое больше чем у кремниевых планарных диодов, большие на три порядка обратные токи, меньшая надежность. Большие прямые напряжения приводят к потере КПД всей солнечной батареи, большие обратные токи к разрядке аккумуляторов в период нахождения спутника в тени земли.

Из уровня техники известен блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов, содержащий кремниевый кристалл с планарным p-n-переходом, окруженным по периметру диэлектрической изоляцией из термической двуокиси кремния, омические контакты к областям p- и n-типа проводимости и выводы, параллельные лицевой и тыльной плоскостям кристалла (см. патент США на изобретение US 3952324, опубл. 20.08.1976).

Недостатком известного диода является низкое пробивное напряжение, так как нет ни охранных полевых колец, ни полевой обкладки, вследствие этого в месте выхода перехода на поверхность происходит пробой. Практика показывает, что верхний предел обратных напряжений для таких диодов не превышает 200-300 Вольт. Поскольку диод вертикальный, велико последовательное сопротивление базы, что обуславливает высокое прямое напряжение. Двуокись кремния, которая находится на поверхности кристалла диода, не защищена от проникновения щелочных металлов. В этом случае характеристики бескорпусных диодов нестабильные.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание блокирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов с высоким пробивным напряжением, низким прямым напряжением, устойчивого при термоциклировании в широком диапазоне температур (от -180°C до +100°C), диэлектрическая изоляция которого защищена от воздействия щелочных металлов. Кроме того, в диоде используется маскирующий окисел (слой двуокиси кремния), получаемый в процессе формирования планарного p-n-перехода. Достигаемый технический результат обеспечивает надежную работу солнечных батарей космических аппаратов.

Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов содержащий:

- кремниевый кристалл с планарным p-n-переходом, выполненным в эпитаксиальном слое, выращенном на низкоомной подложке,

- слой термической двуокиси кремния, являющийся маской для области эмиттера планарного p-n-перехода, на поверхности эпитаксиального слоя, в котором расположена область базы;

- слой нелегированного поликристаллического кремния, выполняющий роль полевой обкладки, на поверхности термической двуокиси кремния;

- слой нитрида кремния, расположенный на поверхности слоя нелегированного поликристаллического кремния, выполняющего роль полевой обкладки;

- первый и второй выводы, расположенные параллельно лицевой и тыльной плоскостям кремниевого кристалла соответственно;

- первый и второй компенсаторы, расположенные между первым и вторым выводами и кремниевым кристаллом соответственно;

- омический контакт к области p-типа проводимости между областью эмиттера и полевой обкладкой кремниевого кристалла, обеспеченный путем напыления и вжигания слоя алюминия;

- омический контакт к области n-типа проводимости между областью базы и полевой обкладкой кремниевого кристалла, обеспеченный протравленной на всю глубину в термической двуокиси кремния канавки в виде кольца;

- при этом область полевой обкладки в зоне омического контакта легирована примесью того же типа проводимости, что и область базы до уровня не ниже 10¹⁹ ат/см³.

Первый и второй выводы присоединены к первому и второму компенсаторам соответственно точечной сваркой.

Первый и второй компенсаторы присоединены к кремниевому кристаллу припоем, содержащим не менее 80% свинца.

Первый и второй компенсаторы выполнены из металла, например из молибдена.

Площадь второго компенсатора, присоединенного к области n-типа проводимости, равна площади кремниевого кристалла.

На поверхности слоя нитрида кремния нанесен слой диэлектрика, например слой полиимида или слой двуокиси кремния.

Полевая обкладка из нелегированного поликристаллического кремния выполняет следующие функции:

- под действием отрицательного заряда, приложенного к полевой обкладке при обратном напряжении, расширяется область объемного заряда на поверхности и соответственно увеличивается пробивное напряжение;

- положительные заряды в двуокиси кремния, связанные с наличием в ней щелочных металлов и водорода, отсасываются от поверхности кремния, в результате исключается обогащение поверхности кремния электронами, которое приводит к снижению пробивного напряжения и увеличению токов утечки;

- уменьшается расстояние для миграции дырок в двуокиси кремния, возникших в результате образования электронно-дырочных пар при воздействии горячих электронов в момент приложения обратного напряжения. В результате уменьшается время жизни дырок до рекомбинации.

Для защиты от проникновения в двуокись кремния щелочных металлов поверх слоя двуокиси кремния осажден слой нитрида кремния. Чтобы избежать поверхностного пробоя, на слой нитрида кремния нанесен еще слой диэлектрика. В качестве такового может использоваться, например, пиролитический или плазмохимический оксид кремния, а также полиимид. Между первым и вторым выводами и кремниевым кристаллом находятся первый и второй компенсаторы, выполненные из металла, отличающегося от кремния по КТЛР не более чем на 4×10^-6K^-l.

Компенсатор на стороне n-типа проводимости выполнен из молибдена с никелевым покрытием и равен площади кремниевого кристалла. Если при монтаже диода в батарее диод установить нижней стороной по направлению к потоку излучения, то компенсатор и низкоомная часть подложки являются дополнительной защитой от ионизирующего излучения.

Припой, использованный для пайки компенсаторов к кремниевому кристаллу, содержит не менее 80% свинца. Благодаря этому сохраняется вязкость припоя при низких температурах.

Для уменьшения влияния разности коэффициента термического расширения (КТР) выводов и компенсаторов выводы присоединены к компенсаторам точечной сваркой.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:

На фиг.1 - конструкция бескорпусного блокирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов, где:

1 - кремниевый кристалл;

2 - первый слой припоя;

3 - первый компенсатор;

4 - первый вывод;

5 - второй слой припоя;

6 - второй компенсатор;

7 - второй вывод;

На фиг.2 изображен кремниевый кристалл диода в разрезе, где:

8 - слой нелегированного поликристаллического кремния (полевая обкладка);

9 - слой вженного алюминия;

10 - эпитаксиальный слой (область базы);

11 - область эмиттера (анода);

12 - слой термической двуокиси кремния;

13 - слой нитрида кремния;

14 - низкоомная подложка;

15 - канавка;

16 - кольцо.

Блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов (см. фиг.1) состоит из кремниевого кристалла (1) размером 4×4 мм², к которому при помощи припоя (2), в котором содержится не менее 80% свинца, со стороны эмиттера (анода) на стороне p-типа проводимости (с верхней стороны) присоединен первый компенсатор из металла, например молибдена (3), с никелевым покрытием, толщиной 0,2-0,3 мм, к первому компенсатору (3) точечной сваркой присоединен первый вывод (4) на стороне p-типа проводимости (медный или серебряный), с нижней стороны припоем (5) на стороне n-типа проводимости присоединен второй компенсатор (6) из металла, например молибдена с никелевым покрытием, толщиной 0,2-0,3 мм, второй компенсатор (6) может быть круглым или квадратным, равным по площади кремниевому кристаллу (1), к второму компенсатору (6) на стороне n-типа проводимости точечной сваркой присоединен второй вывод (7) (медный или серебряный).

Кремниевый кристалл диода (1) в разрезе (см. фиг.2) включает низкоомную подложку (14) с эпитаксиальным слоем (10), удельное сопротивление подложки (14) n-типа проводимости 0,01 Ом×см, легирующая примесь сурьма, эпитаксиальный слой (10) имеет толщину 60 мкм, n-тип проводимости с удельным сопротивлением 30 Ом×см, на поверхности эпитаксиального слоя (10) находится слой термической двуокиси кремния (12) толщиной 0,4-0,8 мкм, который служит маской при формировании области эмиттера (11) планарного p-n-перехода, глубина перехода составляет 10 мкм, поверх слоя термической двуокиси кремния (12) осажден слой нелегированного поликристаллического кремния (8) толщиной 0,2-0,4 мкм, который является полевой обкладкой, омический контакт между областью эмиттера и полевой обкладкой сформирован путем напыления и вжигания слоя алюминия (9), в слое термической двуокиси кремния (12) на всю глубину вытравлена канавка (15) в виде кольца (16) до кремния и область кремния в зоне канавки пролегирована фосфором до уровня концентрации примеси не менее 10¹⁹ ат/см³, в зоне контакта с эпитаксиальным слоем (10) слой нелегированного поликристаллического кремния (8) пролегирован фосфором в области канавки (15) до уровня концентрации примеси не менее 10¹⁹ ат/см³, что обеспечивает омический контакт полевой обкладки с областью базы диода, расположенной в эпитаксиальном слое (10). Область эмиттера может быть металлизирована, например, в следующей последовательности: слой алюминия толщиной 0,1 мкм, слой никеля толщиной 0,2 мкм, слой серебра толщиной 0,2 мкм, область n-типа проводимости (катода) также может быть металлизирована, например, в следующей последовательности: слой ванадия толщиной 0,1 мкм, слой никеля толщиной 0,2 мкм, слой серебра толщиной 0,2 мкм. Слой (8) - слой поликремния, для защиты слоя (12) двуокиси кремния от щелочных металлов поверх него находится слой (13) нитрида кремния толщиной 0,12 мкм, для того чтобы исключить дуговой разряд при подаче обратного напряжения между областью эмиттера (11) и кольцом (16), поверх слоя нитрида кремния (13) нанесен слой диэлектрика (на чертеже не показан).

Принцип работы заявленного блокирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов осуществляется следующим образом.

При подаче обратного напряжения на диод, когда к выводу (4) (см. фиг.1) приложен отрицательный потенциал, а к выводу (7) положительный, в зоне p-n-перехода образуется область объемного заряда, которая расширяется вдоль полевой обкладки (8) (см. фиг.2), к которой также приложено обратное напряжение. Благодаря наличию омических контактов между областью эмиттера и полевой обкладкой и между областью базы и полевой обкладкой соответственно (к областям p- и n-типа проводимости), по полевой обкладке (8) течет микроток.

Положительным эффектом заявленного изобретения является тот факт, что если нет омических контактов полевой обкладки к областям n- и p-типа проводимости, то пробивные напряжения снижаются в два раза. Это подтверждается тем, что до операции вжигания алюминия пробивные напряжения не превышают 300-400 вольт. При этом наблюдается большой разброс параметров в партии пластин по пробивным напряжениям и обратным токам. После вжигания алюминия пробивные напряжения увеличиваются до 700-750 вольт и обратные токи уменьшаются с мА до 2-3 мкА.

1. Блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов, содержащий:
- кремниевый кристалл с планарным p-n переходом, выполненным в эпитаксиальном слое, выращенном на низкоомной подложке,
- слой термической двуокиси кремния, являющийся маской для области эмиттера планарного p-n перехода, на поверхности эпитаксиального слоя, в котором расположена область базы;
- слой нелегированного поликристаллического кремния, выполняющий роль полевой обкладки, на поверхности термической двуокиси кремния;
- слой нитрида кремния, расположенный на поверхности слоя нелегированного поликристаллического кремния, выполняющий роль полевой обкладки;
- первый и второй выводы, расположенные параллельно лицевой и тыльной плоскостям кремниевого кристалла соответственно;
- первый и второй компенсаторы, расположенные между первым и вторым выводами и кремниевым кристаллом соответственно;
- омический контакт к области p-типа проводимости между областью эмиттера и полевой обкладкой кремниевого кристалла, обеспеченный путем напыления и вжигания слоя алюминия;
- омический контакт к области n-типа проводимости между областью базы и полевой обкладкой кремниевого кристалла, обеспеченный протравленной на всю глубину в термической двуокиси кремния, канавки в виде кольца;
- при этом область полевой обкладки в зоне омического контакта легирована примесью того же типа проводимости, что и область базы до уровня не ниже 10¹⁹ ат/см³.

2. Диод по п.1, в котором первый и второй выводы присоединены к первому и второму компенсаторам соответственно точечной сваркой.

3. Диод по п.2, в котором первый и второй компенсаторы присоединены к кремниевому кристаллу припоем.

4. Диод по п.3, в котором припой, использованный для присоединения первого и второго компенсаторов к кремниевому кристаллу, содержит не менее 80% свинца.

5. Диод по п.4, в котором первый и второй компенсаторы выполнены из металла, например из молибдена.

6. Диод по п.5, в котором площадь второго компенсатора, присоединенного к области n-типа проводимости, равна площади кремниевого кристалла.

7. Диод по п.6, в котором на поверхности слоя нитрида кремния нанесен слой диэлектрика, например слой полиимида или слой двуокиси кремния.