ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК H01L29/8605 

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому элементу согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, прежде всего к температурозависимому полупроводниковому выключателю/переключателю с температурозависимым сопротивлением, который может использоваться для ограничения тока.

Уровень техники

Во многих электротехнических устройствах необходимо ограничивать протекающий в электрической цепи электрический ток определенным максимально допустимым значением. Обычно максимально допустимыми значениями требуется ограничивать прежде всего пики тока при включении преимущественно потребителей с индуктивной нагрузкой. Сказанное относится прежде всего к электрическим бортовым сетям автомобилей, в которых, например, стартер представляет собой исключительно низкоомную нагрузку с высокой индуктивностью, которой при включении стартера в начале процесса пуска двигателя обусловлен скачок электрического тока до пиковых значений и тем самым резкое падение (посадка) напряжения в электрической бортовой сети автомобиля. Возможность ограничения пика тока позволяет уменьшить и величину падения напряжения в электрической бортовой сети автомобиля. После снижения тока от пикового значения до нормальной величины при работе стартера в автомобиле, т.е. по истечении примерно ста миллисекунд, в дальнейшем функцию ограничения тока целесообразно отключать во избежание излишнего уменьшения силы электрического тока в электрической бортовой сети автомобиля.

Для ограничения высоких пиков тока можно, например, использовать силовые электронные компоненты. В этих же целях для ограничения тока предлагалось также включать в электрическую цепь, ведущую к потребителю, например, в цепь электропитания стартера, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ОТ). Подобный ОТ ограничивает возникающий в процессе включения пик тока, поскольку в своем холодном состоянии он обладает относительно высоким сопротивлением. При протекании через ОТ электрического тока его электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, под действием которой ОТ нагревается, в результате чего его сопротивление снижается, и поэтому в последующем ОТ лишь незначительно уменьшает протекающий через потребителя ток. Подобное ограничение протекающего через автомобильный стартер тока, основанное на использовании терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, который (терморезистор) в своем холодном состоянии подавляет скачок тока, а в нагретом состоянии хорошо проводит ток, описано в DE 4122252 А1.

В PCT/DE2004/000776 было предложено включать в цепь электропитания стартера резистор из слаболегированного кремния. При повышенных температурах сопротивление такого резистора изменяется за счет перехода в состояние собственной проводимости и в результате значительно уменьшается. Подобный резистор, включенный в цепь электропитания стартера, позволяет в своем холодном состоянии ограничивать потребляемый стартером ток и тем самым подавлять скачок тока при включении стартера, а после своего нагрева протекающим через него током и, как следствие, после снижения своего сопротивления в последующем лишь незначительно уменьшает протекающий через него ток.

Недостаток кремниевых терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ОТ) состоит в том, что при концентрации легирующих примесей, составляющей порядка 10¹⁴ атомов на см², заметное уменьшение сопротивления резистора по сравнению с его сопротивлением при комнатной температуре происходит лишь после его нагрева до температур около 300°С. Однако периодический нагрев до таких температур предъявляет особо высокие требования к технике сборки и соединений. При значительно меньшей концентрации легирующих примесей в кремнии приходится существенно увеличивать необходимую для получения определенной величины сопротивления площадь кремниевого слоя и/или существенно уменьшать его толщину.

Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемого в изобретении полупроводникового элемента с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения, состоит в возможности произвольно изменять в широких пределах, а тем самым и снижать температуру, при которой происходит уменьшение сопротивления полупроводникового элемента, т.е. сказанное означает также возможность варьирования сопротивления полупроводникового элемента, которым он будет обладать при определенной температуре. Указанное преимущество достигается благодаря тому, что создание островков p-типа в кремнии, обладающем проводимостью n-типа, позволяет влиять на температуру, при которой происходит изменение, прежде всего уменьшение сопротивления полупроводникового элемента. В наиболее предпочтительном варианте величину, соответственно значение сопротивления полупроводникового элемента можно произвольно изменять, варьируя профиль распределения легирующих примесей и геометрию полупроводникового элемента. Таким путем можно настраивать сопротивление полупроводникового элемента на требуемое значение и даже задавать определенную температурозависимую характеристику изменения его сопротивления.

Другие преимущества изобретения вытекают из заявленных в зависимых пунктах формулы изобретения вариантов его осуществления. Так, в частности, согласно наиболее предпочтительному варианту предлагаемый в изобретении полупроводниковый элемент, у которого по достижении температурозависимого условия его отпирания происходит исключительно быстрое изменение его сопротивления во времени, может благодаря этому свойству использоваться в качестве термовыключателя или переключателя. При прочих неизменных условиях продолжительность этого промежутка времени, проходящего до отпирания или срабатывания полупроводникового элемента, зависит от условий его монтажа, прежде всего от показателей теплоемкости и теплового сопротивления. Подобная температурная и/или временная зависимость сопротивления у известных полупроводниковых элементов или приборов обеспечивается по аналогии с симметричным диодным тиристором (диаком). Однако подобный диак имеет симметричную характеристику и переключается в другое состояние при превышении определенного напряжения, ниже которого он не пропускает электрический ток и тем самым не обладает собственно свойствами резистора с конечным значением сопротивления.

Заявленный в пп.16-20 формулы изобретения способ изготовления полупроводниковых элементов, заявленных в пп.1-15 формулы изобретения, обеспечивает возможность надежного и бесперебойного изготовления полупроводниковых элементов с использованием методов, соответственно технологий, известных в полупроводниковой технике.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичный вид в разрезе предлагаемого в изобретении полупроводникового элемента и

на фиг.2 - характеристики, отражающие зависимость силы тока от напряжения при различных температурах полупроводникового элемента.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 схематично в разрезе показан выполненный по одному из вариантов предлагаемый в изобретении полупроводниковый элемент. Такой полупроводниковый элемент состоит из сильнолегированной подложки 1 с металлическим соединительным выводом 2 на ее нижней на фиг.1 основной поверхности. На верхнюю основную поверхность сильнолегированной подложки 1 сплошным, полностью покрывающим ее слоем нанесена слабее легированная зона 3 с проводимостью того же типа. Далее к зоне 3 примыкает еще одна сплошная, обладающая проводимостью того же типа, но сильнее легированная зона 4. Сверху полупроводниковый элемент ограничен также нанесенным сплошным слоем вторым металлическим соединительным выводом 5.

На отдельных участках сильнее легированной зоны 4 предусмотрены области 6 с проводимостью обратного типа. Образующийся у верхней (в плоскости чертежа по фиг.1) основной поверхности полупроводникового элемента между зонами 4 и 6 p-n-переход накоротко замыкается через металлический слой 5.

Сильнолегированная подложка 1 выполнена, например, из легированного сурьмой или предпочтительно мышьяком кремния. Зона 3 выполнена, например, из легированного фосфором кремния, нанесенного эпитаксиальным осаждением. Зона 4 имеет, например, ступенчатый профиль распределения легирующих примесей (примесных атомов), созданный путем проведения двух процессов имплантации ионов разных типов и разной энергии. Предпочтительна имплантация ионов мышьяка с низкой энергией на малую глубину и имплантация ионов фосфора с более высокой энергией на большую глубину.

Зону 6 ограничивают, например, за счет использования технологии фотолитографии участками в форме пятен или полосок, а ее глубину задают путем имплантации ионов бора. После проведения процессов имплантации проводят отжиг, после которого имплантированные ионы бора по толщине полупроводникового элемента располагаются в зоне 6 между имплантированными в зону 4 ионами мышьяка и ионами фосфора. В рассматриваемом примере оба металлических соединительных вывода 2 и 5 нанесены сплошными слоями на верхнюю и нижнюю стороны полупроводниковой пластины и пригодны к пайке, которой для возможности включения полупроводникового элемента в электрическую цепь к верхнему и нижнему слоям присоединяют по электрическому проводнику. После приложения напряжения к полупроводниковому элементу через него начинает протекать ток I, распределение которого на отдельные составляющие в полупроводниковом элементе обозначено тремя стрелками.

В принципе металлические соединительные выводы 2 и 5 можно выполнять не в виде сплошных, а в виде покрывающих только определенные отдельные участки слоев. Другая возможность заключается в изготовлении полупроводникового элемента, соответственно полупроводникового кристалла, исходя из полупроводниковой пластины, например кремниевой пластины, в качестве подложки, полученный после разрезания которой полупроводниковый элемент, соответственно полупроводниковый кристалл помещают в корпус, который над и под полупроводниковым кристаллом обладает достаточной термической массой, образованной, например, медью.

Ниже рассмотрен возможный способ изготовления предлагаемого в изобретении полупроводникового элемента.

Сильнолегированную подложку 1, в качестве которой используют имеющуюся в продаже легированную мышьяком подложку (из легированного мышьяком кремния с n-проводимостью), подвергают обработке по эпитаксиальной технологии, нанося слой 3. Эпитаксией определяется в основном величина сопротивления полупроводникового элемента. Слой с удельным электрическим сопротивлением 10 Ом·см и с толщиной 5 мкм с учетом обратной диффузии из подложки и слоя 4 при площади полупроводникового кристалла 16 мм обладает сопротивлением около 10 мОм при температуре 25°С и при небольшом токе.

После эпитаксиального осаждения слоя 3 выполняют зону 4. Для получения зоны 4 в эпитаксиально выращенный слой по всей площади его поверхности имплантируют ионы мышьяка и фосфора. На следующей стадии наносят фоторезист и изготавливают фотошаблон. На следующей стадии при наложенном фотошаблоне экспонируют фоторезист для создания в зоне 4 островков 6 p-типа и проявляют фоторезист.

На следующей стадии имплантируют ионы бора, получая участки с проводимостью p-типа. После отжига путем заданной термической обработки лицевую и обратную стороны полупроводникового кристалла металлизируют путем ионного напыления, получая металлические слои 2 и 5.

Ниже рассмотрен принцип действия предлагаемого в изобретении полупроводникового элемента.

После включения полупроводникового элемента в электрическую цепь и подачи на нее напряжения через полупроводниковый элемент начинает протекать ток I, пути прохождения которого через него обозначены стрелками. Ток протекает между легированными акцепторной примесью участками в слое 4 по меньшей мере частично параллельно поверхности полупроводникового элемента. При этом составляющая тока, параллельная поверхности полупроводникового элемента, вызывает падение напряжения, которое в зависимости от силы тока, температуры, профиля распределения легирующей примеси и геометрии островков p-типа приводит под зоной 6 к отпиранию p-n-перехода между слоями 4 и 6, а тем самым и к уменьшению величины сопротивления зоны 3 вследствие инжекции дырок.

Длительность промежутка времени, проходящего до достижения температуры, необходимой для переключения полупроводникового элемента в другое состояние (в состояние с низким сопротивлением), в свою очередь зависит от тепловых постоянных времени, характерных для смонтированного полупроводникового элемента. Длительность этого промежутка времени возрастает с увеличением применяемого количества приемлемого металла, например, меди, который по возможности следует располагать с обеих сторон полупроводникового элемента, и с уменьшением теплового сопротивления паяного соединения между полупроводниковым кристаллом и медью.

На фиг.2 показаны характеристики, отражающие изменение силы тока в амперах (I (А)), протекающего через полупроводниковый элемент, в зависимости от приложенного к нему напряжения в вольтах (U (V)) при двух разных температурах, а именно: при 25°С и 225°С. Как показано на фиг.2, при температуре 25°С характеристика имеет симметричную форму относительно начала координат, т.е. симметрична относительно точки с координатами U=0 и I=0. S-образная форма характеристики объясняется снижением подвижности носителей заряда при высокой напряженности поля, а также тем, что в процессе снятия характеристики температура не остается постоянной. При температуре 225°С характеристика имеет в широких пределах практически линейную форму и скачкообразно меняет свой вид выше определенной величины напряжения. Таким образом, полупроводниковый элемент переходит в зависимости от температуры и силы тока в состояние с низким сопротивлением и с диодной характеристикой.

Предлагаемый в изобретении полупроводниковый элемент наиболее пригоден для применения в качестве выключателя/переключателя с определенной температурной характеристикой. При этом по достижении определенного условия, например по достижении определенной температуры, может происходить столь значительное изменение свойств полупроводникового элемента, которое будет соответствовать переключательному или коммутационному процессу.

Полупроводниковый элемент при его включении в цепь электропитания стартера позволяет предотвращать возникновение пиков тока при включении стартера, поскольку при низких температурах полупроводниковый элемент обладает большим электрическим сопротивлением. При повышенных же температурах, до которых полупроводниковый элемент нагревается под действием тепловой энергии, в которую в его еще холодном состоянии преобразуется электрическая энергия, сопротивление полупроводникового элемента существенно снижается, и поэтому он в своем нагретом до повышенных температур состоянии не препятствует более протеканию через него тока.

При применении в качестве термовыключателя полупроводниковый элемент позволяет получить полупроводниковый прибор, который при низких температурах не проводит электрический ток, а при высоких температурах проводит электрический ток и температуру, соответственно диапазон температур переключения которого можно варьировать в широких пределах. При этом величину, соответственно значение сопротивления полупроводникового элемента можно произвольно изменять, варьируя профиль распределения легирующих примесей и геометрию полупроводникового элемента. Таким путем можно настраивать сопротивление полупроводникового элемента на требуемое значение и даже задавать определенную температурозависимую характеристику изменения его сопротивления. Важное значение имеет также исключительно быстрое изменение сопротивления полупроводникового элемента во времени по достижении температурозависимого условия его отпирания.

Изобретение может быть использовано, например, для ограничения пиков тока в электрической цепи. Полупроводниковый элемент содержит сильнолегированную подложку, которая на одной из своих основных поверхностей имеет первый, нанесенный металлизацией металлический слой, а со стороны другой своей основной поверхности соединена со слабее легированной зоной с проводимостью того же типа и имеет еще один сильнее легированный слой с проводимостью того же типа, а также второй, нанесенный металлизацией металлический слой, образующий эту другую основную поверхность полупроводникового элемента. При этом на отдельных участках сильнее легированного слоя предусмотрены области с проводимостью обратного типа, причем р-n-переходы, образующиеся у второй основной поверхности полупроводникового элемента между сильнее легированным слоем, с одной стороны, и областями с проводимостью обратного типа, с другой стороны, накоротко замкнуты через второй нанесенный металлизацией металлический слой. Также предложен способ изготовления полупроводникового элемента, списанного выше. Изобретение обеспечивает возможность настраивать сопротивление полупроводникового элемента на требуемое значение и даже задавать определенную температурозависимую характеристику изменения его сопротивления. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полупроводниковый элемент с сильнолегированной подложкой (1), которая на одной из своих основных поверхностей имеет первый нанесенный металлизацией металлический слой (2), а со стороны другой своей основной поверхности соединена со слабее легированной зоной (3) с проводимостью того же типа и имеет еще один сильнее легированный слой (4) с проводимостью того же типа, а также второй нанесенный металлизацией металлический слой (5), образующий эту другую основную поверхность полупроводникового элемента, отличающийся тем, что на отдельных участках сильнее легированного слоя (4) предусмотрены области (6) с проводимостью обратного типа, причем р-n-переходы, образующиеся у второй основной поверхности полупроводникового элемента между сильнее легированным слоем (4), с одной стороны, и областями (6) с проводимостью обратного типа, с другой стороны, накоротко замкнуты через второй нанесенный металлизацией металлический слой (5).

2. Полупроводниковый элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка (1) выполнена из легированного сурьмой или мышьяком кремния и тем самым обладает проводимостью n-типа.

3. Полупроводниковый элемент по п.1, отличающийся тем, что слабее легированная зона (3) образована эпитаксиально осажденным кремнием, легированным фосфором, и тем самым также обладает проводимостью n-типа.

4. Полупроводниковый элемент по п.1, отличающийся тем, что сильнее легированный слой (4) имеет ступенчатый профиль распределения легирующих примесей.

5. Полупроводниковый элемент по п.4, отличающийся тем, что сильнее легированный слой (4) содержит различные ионы, прежде всего ионы мышьяка и фосфора, причем ионы мышьяка имплантированы на малую глубину, а ионы фосфора - на большую глубину.

6. Полупроводниковый элемент по п.1, отличающийся тем, что первый (2) и/или второй (5) металлические слои нанесены в виде металлических соединительных выводов на основные поверхности полупроводниковой подложки сплошным, полностью покрывающим их слоем.

7. Полупроводниковый элемент по п.6, отличающийся тем, что металлические соединительные выводы пригодны к пайке.

8. Полупроводниковый элемент по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл, соответственно подложка со слабее легированной зоной (3), сильнее легированным слоем (4) и областями (6) с проводимостью обратного типа расположена в корпусе и с обеих сторон полупроводникового кристалла присутствует обладающая высокой тепло- и электропроводностью масса, прежде всего медь.

9. Полупроводниковый элемент по п.1, отличающийся тем, что он обладает температурозависимым сопротивлением, которое значительно меняется в регулируемом интервале температур.

10. Полупроводниковый элемент по п.9, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования его температурозависимого сопротивления путем варьирования профиля распределения легирующих примесей и/или путем варьирования геометрии полупроводникового элемента.

11. Полупроводниковый элемент по п.9 или 10, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования интервала температур, в котором сопротивление полупроводникового элемента значительно меняется, путем варьирования профиля распределения легирующих примесей и/или путем варьирования геометрии полупроводникового элемента.

12. Полупроводниковый элемент по п.9, отличающийся тем, что он предназначен для использования в качестве термовыключателя.

13. Полупроводниковый элемент по п.12, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования температуры его переключения, которая представляет собой температуру, при которой происходит значительное изменение его сопротивления, путем варьирования профиля распределения легирующих примесей и/или путем варьирования геометрии полупроводникового элемента.

14. Полупроводниковый элемент по п.12 или 13, отличающийся тем, что длительность промежутка времени, проходящего до достижения температуры переключения полупроводникового элемента, определяется его тепловой постоянной времени, устанавливаемой на заданное значение.

15. Полупроводниковый элемент по п.9, отличающийся тем, что он предназначен для использования в качестве температурозависимого ограничителя тока.

16. Способ изготовления полупроводникового элемента по одному из пп.1-15, отличающийся тем, что на сильнолегированную подложку (1), прежде всего из легированного сурьмой или мышьяком кремния, путем эпитаксиального осаждения наносят слабее легированную зону (3) с проводимостью того же типа, путем имплантации мышьяка и фосфора в слабее легированную зону по всей ее поверхности формируют сильнее легированный слой (4) с проводимостью того же типа, на отдельных участках этого слоя (4) выполняют области (6) с проводимостью обратного типа и на обе основные поверхности путем металлизации наносят первый (2) и второй (5) металлические слои, из которых второй металлический слой (5) накоротко замыкает р-n-переходы, образующиеся между сильнее легированным слоем (4) с одной стороны, и областями (6) с проводимостью обратного типа с другой стороны.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что в сильнее легированном слое (4) создают ступенчатый профиль распределения легирующих примесей.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что ступенчатый профиль распределения легирующих примесей получают путем проведения двух процессов имплантации ионов разного типа и разной энергии, прежде всего путем имплантации ионов мышьяка с низкой энергией на малую глубину и имплантации фосфора с более высокой энергией на большую глубину.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что после ионной имплантации мышьяка и фосфора проводят имплантацию бора для формирования областей (6), а затем проводят отжиг таким образом, что после отжига имплантированные ионы бора по толщине полупроводникового элемента располагаются в областях (6) между имплантированными ионами мышьяка и ионами фосфора в слое (4).

20. Способ по одному из пп.16-18, отличающийся тем, что подложка (1) представляет собой полупроводниковый кристалл, который после его изготовления и разрезания помещают в корпус, в котором над и под полупроводниковым кристаллом имеется достаточная термическая масса, прежде всего медь.