МОЩНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2004 года по МПК H01L29/70 

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных полупроводниковых приборов.

Известна мощная полупроводниковая структура, включающая в себя область шириной h одного типа проводимости, которая окружена со всех сторон областью второго типа проводимости [1].

Недостатком такой полупроводниковой структуры является неравномерное распределение выделяемой тепловой мощности по ее площади вследствие неодинаковых условий отвода тепла от отдельных участков его активной области (р-n-перехода), приводящее к снижению выходной мощности P₁ и надежности полупроводниковой структуры.

В другой полупроводниковой структуре последовательно с областью первого типа проводимости включен балластный резистор непрямоугольной формы с неравномерным распределением сопротивления по ширине, таким что к разным участкам данной области последовательно подключены различные сопротивления [2]. Это позволяет перераспределить выделяемую тепловую мощность по активной области полупроводниковой структуры, уменьшив ее относительный уровень в участках с худшими условиями отвода тепла, и за счет этого повысить выходную мощность и надежность полупроводниковой структуры.

Недостатком такой полупроводниковой структуры является ухудшение ее усилительных и частотных характеристик из-за дополнительного рассеяния входной мощности на сопротивлении балластного резистора и увеличения паразитной проходной емкости за счет дополнительной емкости балластного резистора [3].

Наиболее близкой по совокупности признаков является мощная полупроводниковая структура, ширина которой характеризуется некоторым законом распределения h(x) по длине структуры, x∈[0; l], l - длина структуры. При этом участки полупроводниковой структуры с худшими условиями отвода тепла имеют относительно меньшую ширину [4]. Это позволяет уменьшить максимальную температуру полупроводниковой структуры или повысить равномерность ее нагрева и таким образом соответственно повысить надежность полупроводниковой структуры или увеличить выходную мощность, приходящуюся на единицу ее площади, без ухудшения усилительных и частотных характеристик.

Уменьшение отношения площади активной области мощной полупроводниковой структуры к полной площади структуры за счет ее непрямоугольной формы приводит к уменьшению отношения выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади.

Технология резки полупроводниковых пластин в условиях массового производства и требования минимизации отходов обусловили прямоугольную форму полупроводниковых структур, монтируемых в корпусах полупроводниковых приборов или интегральных схем. Поэтому непрямоугольная форма активной области полупроводниковой структуры не позволяет обеспечить максимальное использование площади структуры, и с увеличением отклонения формы активной области от прямоугольной уменьшается отношение выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади.

Заявляемое изобретение предназначено для увеличения отношения площади активной области мощной полупроводниковой структуры к общей площади структуры, и при его осуществлении может быть увеличено отношение выходной мощности мощной полупроводниковой структуры к ее площади.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной полупроводниковой структуре, содержащей непрерывную или однородно фрагментированную область первого типа проводимости, окруженную со всех сторон областью второго типа проводимости, причем первая область характеризуется некоторым законом распределения по длине своей общей протяженности в направлении, перпендикулярном своей продольной оси: h(x)≤h_max, х∈[0; l], где l и h_max - длина и максимальная ширина первой области, согласно изобретению в интервале x∈[l₁; l₂]∈[0; l], для которого h(x)<h_max, в пределах первой области располагается участок второй области шириной Δh(x), такой что 0<Δh(x)≤h_max-h(x).

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение отношения выходной мощности мощной полупроводниковой структуры к ее площади, достигается за счет того, что из центральной части активной области исключаются участки, наиболее подверженные перегреву из-за теплового взаимодействия с окружающими их фрагментами активной области, и перемещаются на периферию активной области, где интенсивность теплового взаимодействия с окружающими фрагментами меньше. Любой протяженный источник тепла может рассматриваться как совокупность идентичных друг другу элементарных источников тепла [5]. Пространственное распределение плотности теплового потока каждого элементарного источника определяется его геометрическими размерами и величиной выделяемой им тепловой мощности. При равномерном распределении элементарных источников тепла в пределах активной области полупроводниковой структуры и равномерном распределении тепловой мощности по элементарным источникам тепла их тепловое взаимодействие приводит к тому, что наивысшую температуру имеет источник, находящийся в окружении большего количества других источников тепла. Таким образом, для некоторой топологии активной области и постоянной величины тепловой мощности, приходящейся на единицу ее площади, максимум температуры находится в геометрическом центре активной области и при фиксированной длине активной области ее максимальная температура повышается с ростом ширины. Влияние внешних тепловых потоков и конструктивные меры по перераспределению тепловой мощности по активной области полупроводниковой структуры [2, 6] могут изменить положение максимума температуры в пределах активной области и его величину, но не могут изменить прямого характера зависимости максимальной температуры от ширины активной области. Уменьшение ширины активной области полупроводниковой структуры в ее части с наихудшими условиями отвода тепла позволяет уменьшить неоднородность разогрева активной области. При выполнении условия формулы изобретения участок активной области с наихудшими условиями отвода тепла разделяется на два фрагмента, разграниченных пассивным не выделяющим тепла участком полупроводниковой структуры шириной Δh(x). Так как ширина каждого из этих фрагментов меньше, чем ширина неразделенного участка h(x), а тепловое взаимодействие между ними ослаблено наличием пассивного участка, максимальная температура любого из двух разделенных пассивным участком фрагментов будет ниже температуры неразделенного участка в конструкции прототипа.

Максимальная температура полупроводниковой структуры определяет предельный уровень ее выходной мощности. Снижение температуры участка с наихудшими условиями отвода тепла за счет выполнения условия формулы изобретения создает резерв для повышения выходной мощности полупроводниковой структуры, которое реализуется путем увеличения суммарной ширины h(x) разделенных фрагментов активной области и уменьшения ширины пассивного участка Δh(х) при неизменной общей максимальной ширине h_max активной области. Таким образом, наличие пассивного участка в пределах области полупроводниковой структуры, подверженной максимальному перегреву, позволяет увеличить площадь активной области структуры и ее выходную мощность при неизменной максимальной температуре, длине и максимальной ширине. Следовательно, выполнение условий формулы изобретения позволяет увеличить выходную мощность полупроводниковой структуры с изменяющейся общей шириной активной области без увеличения площади такой структуры в целом, т.е. повысить отношение выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади. Очевидно, без учета влияния внешних тепловых потоков величина положительного эффекта будет максимальной при совмещении геометрических центров пассивного участка полупроводниковой структуры и ее активной области, и Δh(x)=h_max-h(x).

На фиг.1, 2 изображены варианты реализации заявляемой мощной полупроводниковой структуры, вид сверху.

Мощная полупроводниковая структура включает в себя область первого типа проводимости 1, окруженную со всех сторон областью второго типа проводимости 2. Область 1 с внешней стороны ограничена прямоугольником длиной l и шириной h_max. На фиг.2 область 1 однородно фрагментирована, т.е. состоит из идентичных и равномерно распределенных фрагментов, как, например, область эмиттера СВЧ биполярного транзистора. На фиг.1 параллельно продольной осевой линии области 1 показана ось OХ. Протяженность области 1 в направлении, перпендикулярном оси OХ, обозначенная как h(x), является функцией координаты х. В пределах области 1 имеется незаполненный участок 3 (на фиг.2 его границы показаны пунктирной линией), который является частью области 2. Участки области 2, располагающиеся по обе стороны от участка 3, имеют протяженности в направлении, перпендикулярном оси ОХ, соответственно h₁(x) и h₂(x), т.е. общая протяженность области 1 в этом случае h(x)=h₁(x)+h₂(x)<h_max. На фиг.1 пунктирными линиями показаны границы контактной металлизации: 4 - области 2, 5 - области 1. На фиг.1, 2 Δh(x)=h_max-h(x).

При работе мощной полупроводниковой структуры в составе электронного устройства или в составе многопереходного прибора, например в качестве базовой и эмиттерной областей мощного СВЧ биполярного транзистора, тепловая мощность выделяется в основном под активной областью структуры, т.е. под р-n-переходом, разделяющим области 1 и 2 [7]. Перенос тепловыделяющих участков активной области из ее центральной части с наихудшими условиями отвода тепла на периферию, где условия отвода тепла лучше, позволяет повысить равномерность разогрева активной области. При этом у структуры возможно наличие не одного температурного максимума в геометрическом центре ее активной области, как в прототипе, а нескольких (четырех и более), причем эти максимумы температуры будут располагаться вокруг участка 3. Количество максимумов температуры и их значения в основном определяются геометрическими параметрами области 1 и участка 3. Однако уже одно только наличие участка 3 приводит к тому, что температура любого из этих максимумов будет ниже, чем максимальная температура прототипа. Достижение этого предельного значения температуры (или приближение к нему) в рассматриваемой конструкции реализуется за счет увеличения полезной выходной мощности P₁. В свою очередь, увеличение P₁ наиболее целесообразно осуществить за счет увеличения размеров периферийных областей (слева и справа от участка 3) в установленных пределах длины l и ширины h_max области 1, без увеличения плотности тока через р-n-переход. Это приводит к увеличению по сравнению с прототипом площади области 1, следовательно, увеличению площади р-n-перехода и увеличению отношения его площади к площади структуры в целом. Тем самым повышается выходная мощность данной однопереходной полупроводниковой структуры или соответствующей многопереходной структуры, в состав которой она входит, без увеличения площади таких полупроводниковых структур.

ЛИТЕРАТУРА

1. Батушев В.А. Электронные приборы. - М.: Высш. школа, 1980. - С.57, 96-97.

2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.107.

3. Там же, С.11-20, 30-38.

4. А.с. 1679922 СССР, МКИ H 01 L 29/72. Мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор/ В.В.Асессоров, О.М.Булгаков, И.Л.Инкерманлы, А.И.Кочетков, Б.К.Петров. - Заявлено 9.06.90 - прототип.

5. Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - С.10-12, 20, 42.

6. А.с. 1766220 СССР, МКИ H 01 L 29/73. Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура/ Б.К.Петров, О.М.Булгаков, Г.В.Безрядина, А.И.Кочетков, Л.И.Колесникова. - Заявлено 30.05.90.

7. Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - С.10-12, 15.

Использование: в полупроводниковой электронике. Техническим результатом изобретения является повышение отношения выходной мощности к площади полупроводниковой структуры с неравномерным распределением протяженности ее активной области в направлении, перпендикулярном продольной оси структуры. Сущность изобретения: изменение общей ширины активной области мощной полупроводниковой структуры осуществлено за счет исключения ее фрагментов из области с наихудшими условиями отвода тепла. Уменьшение таким образом площади активной области с избытком компенсируется более значительным увеличением площади ее участков с относительно лучшими условиями отвода тепла без превышения максимальной рабочей температуры полупроводниковой структуры. 2 ил.

Мощная полупроводниковая структура, содержащая непрерывную или однородно фрагментированную область первого типа проводимости, окруженную со всех сторон областью второго типа проводимости, причем первая область характеризуется некоторым законом распределения по длине своей общей протяженности в направлении, перпендикулярном своей продольной оси:

h(x)≤h_max, х∈[0;l],

где l и h_max - длина и максимальная ширина первой области, отличающаяся тем, что в интервале х∈[l₁; l₂]∈[0; l], для которого h(x)<h_max, в пределах первой области располагается участок второй области шириной Δh(x), такой, что

0<Δh(x)≤h_max-h(x).