ПЛАНАРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1996 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к конструкции полупроводникового переключающего прибора тиристора.

Известен планарный тиристор, включающий низкоомную полупроводниковую подложку, служащую анодом, в которой методом последовательной диффузии созданы области n-базы, р-базы и катода, при этом электроды указанных областей выведены на поверхность полупловодниковой подложки, на которой изготовлено поверхностное сопротивление из поликремния, электрически включенное между катодом и управляющим электродом р-базы [1]
Недостатками известной конструкции является, во-первых, сложность технической реализации при серийном производстве, во-вторых, невоспроизводимость электрофизических параметров тиристора. Указанные недостатки обусловлены необходимостью проведения тройной перекомпенсации типа проводимости пли создании четырехслойной структуры. Проведение последовательной тройной диффузии в структурах с ограниченными размерами технически сложно и не дает стабильного воспроизведения параметров диффузионных слоев.

Из известных наиболее близким по технической сущности к изобретению является переключающий элемент интегральной инжекционной логики (И²Л), содержащий низкоомную полупроводниковую подложку n+-типа с выращенным на ее поверхности тонким эпитаксиальным более высокоомным n-слоем, в котором методами диффузии и фотолитографии сформированы активные области р-n-р и многоколлекторного n-р-n транзисторных структур, причем база n-р-n-транзистора одновременно служит коллектором р-n-р-транзистора, а эмиттер n-р-n-транзистора электрически и конструктивно соединен с шиной нулевого потенциала и является базой р-n-р-транзистора [2]
Указанный переключающий полупроводниковый прибор обладает тиристорным эффектом и относительно прост в изготовлении в производственных условиях [2,3]
Однако такой переключающий полупроводниковый прибор, как тиристор, от прибора к прибору имеет невоспроизводимые электрофизические параметры. Это связано с тем, что локализованное положение эмиттерной области p-n-р-транзистора относительно электрически и конcтруктивно разделенных коллекторов n-р-n-транзистора в совокупности с конструктивным и электрическим соединением эмиттера n-р-n-транзистора с шиной нулевого потенциала в зависимости от электрического включения коллекторов n-р-n-транзистора изменяют токораспределение внутри переключающего элемента, а следовательно, условия протекания тиристорного эффекта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение воспроизводимости технических характеристик планарного переключающего полупроводникового прибора, как тиристора, расширение номенклатуры при упрощении производственного процесса его изготовления.

Действительно предлагаемая конструкция существенно упрощает ее техническую реализацию, так как, во-первых, при формировании активных областей четырехсложной структуры необходимы только две перекомпенсации типа проводимости, что достигается путем последовательного введения р и n легирующих примесей. Такой процесс отработан и широко применяется при производстве планарных биполярных транзисторов [4, 5] Во-вторых, предлагаемая конструкция позволяет одновременно создавать области анода и р-базы, что значительно сокращает маршрут его изготовления. В-третьих, изготовление области эмиттера р-n-р-транзистора по периметру области эмиттера n-р-n-транзистора по встречно-гребенчатой топологии приводит к тому, что при работе переключающего элемента в качестве тиристора участвует вся поверхность р-n-переходов, что не только увеличивает номинальный прямой ток, но и исключает как создание технологических шунтов, диффузионных полевых колец и тому подобных элементов, характерных для конструкций тиристоров, так и соответствующие технологические операции при изготовлении [4,5]
Реализация предлагаемой конструкции позволяет существенно повысить воспроизводимость тиристорных электрофизических параметров планарных переключающих элементов, применяемых в качестве тиристора, так как во-первых, процессы одновременного формирования областей эмиттера р-n-р-транзистора (служащего анодом) и р-базы n-р-n-транзистора, а также последовательного создания областей коллекторов (служащих катодом) n-р-n-транзистора методами диффузии отработаны при производстве планарных транзисторов и биполярных схем и позволяют стабильно воспроизводить параметры диффузионных слоев [4,5] Во-вторых, объединение коллекторных областей n-р-n-транзистора металлизацией в совокупности с созданием области эмиттера р-n-р-транзистора по периметру эмиттера n-р-n- транзистора по встречно-гребенчатой топологии и изоляция эмиттера n-р-n-транзистора от шины нулевого потенциала стабилизируют условия токораспределения внутри переключающего элемента, делая протекание тиристорного эффекта воспроизводимым.

Кроме того, совокупность признаков предлагаемой конструкции позволяет при тех же самых линейных размерах переключающего элемента увеличить по сравнению с прототипом номинальный прямой ток тиристора, так как, во-первых, при работе участвует вся поверхность р-n-переходов, во-вторых, за счет исключения инверсного включения n-р-n-транзистора повышается эффективность эмиттера, в-третьих, становятся идентичными условия протекания тока из базы n-р-n- транзистора к эмиттеру р-n-р-транзистора (служащего анодом) как в горизонтальном направлении (через n-базу), так и в вертикальном, через n+-слой, сопротивление которого значительно ниже [4,5] Реализация предлагаемой конструкции снижает время выключения тиристора, так как, во-первых, исключается инверсное включение n-р-n-транзистора, во-вторых, за счет снижения времени жизни носителей в n-базе, удельное сопротивление которой высоко, а ширина имеет минимальные размеры [5]
Представленные в таблице 1 результаты измерения параметров тиристоров, выполненные по предложенной конструкции, полностью подтверждают доводы авторов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором структурно представлена конструкция планарного переключающего элемента. На полупроводниковой подложке 1 n+-типа проводимости с удельным сопротивление 0,01 Ом•см выращен тонкий эпитаксиальный слой 2 n-типа с удельным сопротивлением 2 Ом•см толщиной 15 мкм, в котором методом двойной диффузии последовательно сформированы активные области коллектора 3 (глубиной 1,5 мкм, выполняющие функции катода), р-базы 4 (глубиной 2,5 мкм) n-р-n-транзистора и эмиттера 5 (глубиной 2,5 мкм), выполняющего функции анода. Поверхность эпитаксиального слоя 2 пассивирована диэлектриком 6, в качестве которого использованы слои двуокиси кремния. Вскрытых в диэлектрике контактных окнах созданы электроды к активным областям: 7 к области анода, 8 - управляющий электрод к области р-базы, 9 катода соответственно.

Для изоляции эмиттерной области n-р-n-транзистора от шины нулевого потенциала обратная сторона подложки 1 пассивирована слоем 10 двуокиси кремния.

Особенностью представленной в примере конструкции является соизмеримость ширины n-базы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении (≈12,5 мкм), что не только стабилизирует условия токораспределения внутри переключающего элемента, но и увеличивает номинальный прямой ток тиристора.

Работа планарного тиристора происходит следующим образом.

К электроду 9 области катода прикладывают напряжение отрицательной полярности, к электроду 7 области анода напряжение положительной полярности. В этом случае ток через переключающий полупроводниковый прибор равен нулю, так как он заперт р-n- переходом р-базы 4 и n-базы 2. Особенностью предлагаемой конструкции является тот факт, что пробивное напряжение р-n-перехода обусловлено значением удельного сопротивления и толщиной высокоомного эпитаксиального слоя n-типа на n+-подложке, что в значительной мере обеспечивает не только воспроизводимые значения этого параметра, но и снижение обратного тока до 100 мкА.

При подаче на управляющий электрод 8 р-базы 4 напряжения положительной полярности снижается потенциальный барьер р-n-перехода катод 3 р-база 4. Это вызывает протекание тока управления и инжекцию электродов в р-область 4. Часть электродов, которая не успевает рекомбинировать проходит в n-базу 2. Это приводит к уменьшению потенциального барьера перехода n-база 2 р-эмиттер 5. Уменьшение потенциального барьера вызывает ток, обусловленный инжекцией дырок из р-области эмиттера 5 в n-базу 2.

В свою очередь это вызывает вторичную эмиссию электронов из области р-базы 4. В результате развивается лавинообразный процесс увеличения тока. Второй особенностью предлагаемой конструкции, определяющей стабильность работы тиристора, является шунтирование области 2 низкоомным n+-слоем и сильно разветвленную поверхность ее, так как области 2, 4, 5 выполнены по встречно-гребенчатой топологии. Такое конструктивное исполнение уменьшает сопротивление протеканию электронного потока из n-области 3 к р-области 5, что не только стабилизирует, но и снижает значение параметра "напряжение в открытом состоянии".

При питании переключающего полупроводникового прибора переменным током ток, проходящий через него прерывается при прохождении напряжения на электроде 7 через нулевое значение. В результате прохождения обратного тока при смене полярности накопленный заряд рассасывается. Так как заряд в узкой p-области 4 невелик, то рассасывание заряда происходит практически мгновенно и обратный ток уменьшается с постоянной времени заряда барьерной емкости перехода катод 3 база 4.

Источники, принятые во внимание при составлении описания
1. Переключающий полупроводниковый прибор и способ его изготовления. Патент США N 4942446, кл. H 01 L 29/74, опубл. 17.07.90 г.

2. Н.А. Аваев, Ю.Е. Наумов. Элементы сверхбольших интегральных схем. М. Радио и связь, 1986 г. стр. 100 -104, 133 134 прототип.

3. Н.А. Аваев и др. Большие интегральные схемы с инжекционным питанием, М. Советское Радио, 1977 г. стр. 11 -27, 38 58, 69 79, 105 117.

4. Кремниевые планарные транзисторы, под ред. профессора Я.А. Федотова, М. Советское Радио, 1973 г. стр. 13 18, 43 60, 262 270.

5. А.И. Вишневский и др. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. М. Высшая школа, 1975 г. стр. 130 133. ТТТ1 ТТТ2

Использование: полупроводниковая электроника, конструкция полупроводникового переключающего прибора-тиристора. Сущность изобретения: планарный переключающий полупроводниковый прибор, содержащий низкоомную подложку с выращенным на ее поверхности эпитаксиальным высокоомным слоем, в котором созданы р-n-р- и многоколлекторный n-р-n-транзисторы, при этом область базы n-р-n- транзистора одновременно является областью коллектора р-n-р-транзистора, а область эмиттера n-p-n-транзистора - областью базы р-n-р-транзистора, коллекторные области n-р-n-транзистора объединены между собой общим электродом-катодом, его эмиттерные области изолированы от шины нулевого потенциала пассивирующим слоем диэлектрика, сформированного на тыльной стороне низкоомной подложки, область эмиттера р-n-р-транзистора сформирована по периферии структуры переключающего прибора и охватывает область эмиттера n-р-n-транзистора, а его электрод является анодом и электрод базы n-р-n- и коллектор р-n-р-транзисторов являются управляющими. 1 ил., 1 табл.

Планарный переключающий полупроводниковой прибор, содержащий низкоомную подложку с выращенным не ее поверхности эпитаксиальным высокоомным слоем одного с подложкой типа проводимости, в котором сформированы p-n-p- и многоколлекторный n-p-n-транзисторы, поверхность эпитаксиального слоя пассивирована диэлектриком, на который выведены электроды областей эмиттера p-n-p-транзистора, базы и коллекторов n-p-n-транзистора, причем область базы n-p-n-транзистора совмещена с областью коллектора p-n-p-транзистора, а область эмиттера n-p-n-транзистора с областью базы p-n-p-транзистора, отличающийся тем, что коллекторные области n-p-n-транзистора объединены между собой общим электродом-катодом, его эмиттерные области изолированы от шины нулевого потенциала пассивирующим слоем диэлектрика, сформированного на тыльной стороне низкоомной подложки, область эмиттера p-n-p-транзистора сформирована по периферии структуры переключающего прибора и охватывает область эмиттера n-p-n-транзистора и его электрод является анодом, а электрод базы n-p-n- и коллектора p-n-p-транзисторов является управляющим.