ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при создании запираемых и комбинированно-выключаемых тиристоров, а также биполярных транзисторов.

Известна конструкция тиристорa, в базе которого на границе с управляемым эмиттером выполнены диффузионным способом произвольно расположенные участки толщиной не более толщины самой базы того же, что и база, типа проводимости, с повышенным хотя бы на порядок относительно базы уровнем легирования.

Недостатками такой конструкции являются малое напряжение пробоя управляемого эмиттера в местах расположения высокопроводящих участков и, следовательно, невозможность существенного уменьшения времени выключения, а также невозможность увеличения выключаемой мощности из-за невозможности увеличения количества элементарных ячеек без потери рабочей площади прибора.

Наиболее близким к изобретению является полупроводниковый прибор, управляемый по базе, содержащий эмиттер, коллектор и базу с регулярно расположенными высокопроводящими участками, которые выполнены диффузионным путем под эмиттерными элементами. Размеры участков не превышают размеров эмиттерных элементов, а толщина не более толщины базы.

Недостатками известных конструкций и приборов являются невозможность получения высокого напряжения пробоя управляемого эмиттера из-за высокой проводимости сильнолегированных участков, расположенных на границе с эмиттером, и, следовательно, невозможность уменьшения времени выключения и увеличения выключаемой мощности.

Задачей изобретения является создание полупроводникового прибора с уменьшенным временем выключения при одновременном увеличении выключаемой мощности. Для этого в полупроводниковом приборе, содержащем эмиттер, коллектор и базу с регулярно расположенными высокопроводящими участками, высокопроводящие участки выполнены толщиной не более разности между расстоянием от поверхности участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного заряда, а расстояние от поверхности высокопроводящих участков, обращенной к эмиттерному переходу, до эмиттерного перехода не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода.

Эмиттер может быть выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины.

На фиг. 1 представлен полупроводниковый прибор; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

На фиг.1 показаны управляемый эмиттерный переход 1, монокристаллическая кремниевая пластина 2 базы, высокопроводящие участки 3 внутри базы, часть 4 базы между высокопроводящими участками и коллекторным p-n-переходом прибора и коллекторный переход 5.

Суть предлагаемой конструкции состоит в том, что высокопроводящие участки, используемые для уменьшения сопротивления базы выключающему току, выполнены не на границе управляемого эмиттера и базы, а внутри базы на глубине не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода и толщиной не более разности между расстоянием от поверхности участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного заряда. Благодаря выполнению первого условия возникает возможность формирования управляемого эмиттерного перехода с высоким напряжением пробоя (на 1-2 порядка выше, чем в известных технических решениях). Благодаря выполнению второго условия обеспечивается высокое рабочее напряжение прибора при уменьшении в нем времени выключения и увеличении выключаемой мощности. Верхняя граница глубины формирования высокопроводящих участков и нижняя граница толщины высокопроводящих участков определяются из условия обеспечения высокого коэффициента передачи верхнего транзистора полупроводниковой структуры из общеизвестных зависимостей. Ширина и расстояние между участками также выбирается из общепринятых соображений. Высокопроводящие участки выполнены либо за счет локальной диффузии примеси с концентрацией на 1-2 порядка превышающей исходную концентрацию в базе, либо из поликремния или металла. В предлагаемой конструкции эмиттер выполнен сплошным, база на границе с эмиттером также сплошной (высокопроводящие участки внутри базы), и напряжение лавинного пробоя управляемого эмиттера определяется только удельным объемным сопротивлением и толщиной базы между эмиттерным переходом и высокопроводящими участками. При этом обеспечивается не только высокое напряжение пробоя, но и увеличение рабочей площади прибора, т.е. достигается положительный эффект.

Эмиттер в предлагаемой конструкции может быть получен диффузией примеси, эпитаксией или методом прямого соединения.

В известных решениях высокопроводящие участки выполнены на границе управляемого эмиттера и базы. Эмиттер представляет собой либо набор мелкодисперсных ячеек, окруженных базовой областью, либо является сплошным, с выполненными в нем высокопроводящими участками базы. Недостатком известных решений является невозможность получения высокого напряжения пробоя управляемого эмиттера из-за высокой проводимости сильнолегированных участков. В отличие от известных в предлагаемом решении высокопроводящие участки сформированы внутри базы на определенной глубине и определенной толщины, а эмиттер выполнен сплошным.

В предлагаемом изобретении обеспечивается высокое напряжение пробоя управляемого эмиттера, так как исключено влияние высокопроводящих участков на величину напряжения пробоя, и увеличена рабочая площадь прибора, что приводит к увеличению мощности и уменьшению времени выключения.

Предлагаемая конструкция лежит в основе как запираемого и комбинированно-выключаемого тиристора, так и транзистора.

Полупроводниковый прибор работает следующим образом.

При подаче на прибор прямого смещения благодаря его конструктивным особенностям инжекция неосновных носителей заряда в базу осуществляется по всей площади сплошного эмиттера. Перенос заряда через базу обеспечивается соответствующим выбором глубины высокопроводящих участков в базе, их шириной, расстоянием между ними, толщиной и расстоянием их до коллекторного перехода. При подаче отрицательного смещения на управляющий электрод запирающий ток, протекающий по высокопроводящим участкам в базе, обеспечивает быстрое выведение накопленного заряда благодаря малому сопротивлению этих участков и высокому напряжению пробоя управляемого эмиттера. Величина выключаемой мощности при этом определяется фактически площадью прибора.

П р и м е р. Согласно предлагаемому изобретению был изготовлен запираемый тиристор с рабочей площадью S ≈ 1 см² по следующей технологической схеме:
1. Изготовление p-n-p-структуры в полированной пластине кремния n-типа с ρ_v 80 Ом.см путем диффузии галлия χ ≈ 15 мкм с поверхностной концентрацией примерно 10¹⁸ см^-3.

2. Изготовление на одной из сторон p-n-p-структуры высокопроводящих участков шириной 30 мкм, длиной 100 мкм, расстоянием между участками примерно 100 мкм и толщиной участков примерно 5 мкм методом локальной диффузии бора до концентрации примерно 10²⁰ см^-3.

3. Сращивание (Silicon Direct Bonding) p-n-p структуры с полированной монокристаллической кремниевой пластиной p-типа с ρ_v 10 Ом^.см.

4. Сошлифовка полученной после сращивания структуры со стороны монокристаллической пластины до общей толщины базы примерно 40 мкм (формирование базы).

5. Изготовление управляемого эмиттера путем диффузии фосфора в базовый p-слой на глубину примерно 10-12 мкм.

В полученной структуре глубина высокопроводящих участков составляет примерно 25-30 мкм, толщина 5 мкм, расстояние от их поверхности до коллекторного перехода 15 мкм. Интегральное удельное сопротивление 1 см длины p-базы составило при этом величину, примерно равную 2^.10^-3 Ом^.см. Напряжение пробоя управляемого эмиттера примерно 140 В. Величина выключаемого анодного тока составила при этом примерно 400 А, что почти в 1,5 раза выше, чем в ранее известных технических решениях, при времени выключения примерно 4 мкс, что вдвое меньше, чем у прототипа.

Таким образом, из примера следует, что предлагаемое изобретение позволило увеличить выключаемую мощность приборов, управляемых по базе, уменьшить их время выключения и тем самым улучшить их коммутационные характеристики, что открывает перед потребителями новые возможности их применения.

Использование: в полупроводниковой технике при создании запираемых и комбинированно-выключаемых тиристоров, а также биполярных транзисторов. Сущность изобретения: в полупроводниковом приборе высокопроводящие участки сформированы внутри базового слоя регулярно на глубине не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода и толщиной не более разности между расстоянием от поверхности участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного заряда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, управляемый по базе, содержащий эмиттер, коллектор и базу с регулярно расположенными в ней высокопроводящими участками, отличающийся тем, что высокопроводящие участки выполнены толщиной не более разности между расстоянием от поверхности высокопроводящих участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного разряда, а расстояние от поверхности высокопроводящих участков, обращенной к эмиттерному переходу, до эмиттерного перехода не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода. 2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен из пластины монокристаллического кремния.