МОЩНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2012 года по МПК H01L29/70 

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

Известна мощная полупроводниковая структура, содержащая область одного типа проводимости, в пределах которой находится область второго типа проводимости (Батушев В.А. Электронные приборы. - М.: Высш. школа, 1980. - С.57, 96-97).

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

В другой полупроводниковой структуре область второго типа проводимости площадью S представляет собой прямолинейный ряд одинаковых прямоугольных участков площадью S/N, расположенных на некотором расстоянии один от другого (Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.63). Это позволяет уменьшить теплообмен между участками области второго типа проводимости, тем самым снизить максимальную температуру Т_{макс i} каждого участка по сравнению с Т_макс целой области и за счет этого повысить выходную мощность и надежность полупроводниковой структуры.

Недостатком такой полупроводниковой структуры является различие максимальных температур прямоугольных участков Т_{макс i} ввиду взаимного теплообмена между ними. Участки, которые находятся в центре ряда, более интенсивно нагреваются, чем участки, находящиеся на краях ряда. Следствием этого является снижение термической устойчивости полупроводниковой структуры (Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.97-98), что ограничивает ее выходную мощность и уменьшает надежность.

Наиболее близкой по совокупности признаков является мощная полупроводниковая структура, расположенные в ряд участки области второго типа проводимости которой имеют форму трапеций с монотонным убыванием ширины от большого основания к малому (А.с. 1679922 СССР, МКИ H01L 29/72). При этом относительно меньшую ширину имеют участки областей второго типа проводимости с худшими условиями отвода тепла. Это позволяет уменьшить максимальную температуру Т_макс полупроводниковой структуры или повысить равномерность ее нагрева, и таким образом соответственно повысить надежность полупроводниковой структуры или увеличить P₁ без ухудшения усилительных и частотных характеристик.

Уменьшение отношения площади области второго типа проводимости к полной площади структуры за счет непрямоугольной формы ее участков приводит к уменьшению отношения выходной мощности полупроводниковой структуры P₁ к ее площади S.

Конфигурация и площадь области второго типа проводимости определяют конфигурацию и площадь p-n-перехода, т.е. активной области полупроводниковой структуры.

Непрямоугольная форма активной области полупроводниковой структуры не позволяет обеспечить максимальное использование площади структуры, и с увеличением отклонения формы активной области от прямоугольной уменьшается отношение P₁/S.

Заявляемое изобретение предназначено для увеличения отношения площади активной области мощной полупроводниковой структуры к общей площади структуры либо для увеличения максимальной тепловой мощности, рассеиваемой полупроводниковой структурой.

Технический результат заключается в увеличении отношения выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади.

Технический результат достигается тем, что в известной мощной полупроводниковой структуре, содержащей ряд окруженных со всех сторон областью первого типа проводимости областей второго типа проводимости в форме трапеций с параллельными высотами, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций, согласно изобретению, по крайней мере, часть областей второго типа проводимости выполнена в форме непрямоугольных параллелограммов, стороны которых параллельны смежным сторонам соседних областей второго типа проводимости, из которых как минимум одна не является параллелограммом.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение отношения выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади, достигается за счет того, что при равенстве площадей равнобедренных трапеций и параллелограммов длина основания последних меньше длины большого основания равнобедренных трапеций, что при параллельности смежных сторон соседних параллелограммов и трапеций и неизменности расстояния между их краями позволяет в пределах заданной длины ряда областей второго типа проводимости разместить их большее количество N^*>N, т.е. увеличить суммарную площадь активной области полупроводниковой структуры, либо уменьшить длину ряда, тем самым - площадь полупроводниковой структуры S, при неизменном количестве N областей второго типа проводимости и их суммарной площади S_a.

Уплотнение размещения областей второго типа проводимости в пределах площади S области первого типа проводимости, т.е. увеличение отношения S_a/S не приводит к повышению максимальной рабочей температуры полупроводниковой структуры Т_макс, которое лимитирует значение Р₁, пропорциональное квадрату выходного тока, в свою очередь пропорционального S_a (Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.80, 86).

Значение Т_макс определяется наивысшей температурой среди температур Т_{макс i}, областей второго типа проводимости:

T_макс=Max{T_{макс i}}; i=1, …, N.

Локальные максимумы температуры приходятся на геометрические центры областей второго типа проводимости (Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - С.10-12, 31-42). Значения T_{макс i} определяются геометрией области второго типа проводимости, а также степенью близости внешних источников тепла, т.е. соседних областей второго типа проводимости, характеризующимся, например, расстоянием между геометрическими центрами трапеций.

Геометрический центр равнобедренной трапеции располагается на расстоянии (Жуковский Н.Е. Теоретическая механика: учебное пособие для вузов / Н.Е.Жуковский. - 2-е изд. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. - С.210):

от большого основания трапеции. Здесь а и b - длины большого и малого оснований трапеции, h - ее высота. Если с трапецией соседствует параллелограмм, то между геометрическими центрами данных областей второго типа проводимости возникает дополнительное смещение по вертикали на величину λ=h/2-H, что позволяет компенсировать уменьшение расстояния между рассматриваемыми геометрическими центрами по горизонтали на величину (a-b)/2, т.е. достичь увеличения плотности размещения областей второго типа проводимости в пределах области первого типа проводимости без увеличения Т_{макс i} и Т_макс. При неизменной величине S это будет приводить к увеличению P₁ за счет увеличения S_a, а при неизменном значении P₁ и S_a - к уменьшению S.

В обоих случаях обеспечивается увеличение съема полезной мощности с единицы площади полупроводниковой структуры.

На фиг.1 изображена заявляемая мощная полупроводниковая структуpa, вид сверху.

Мощная полупроводниковая структура включает в себя область первого типа проводимости 1 длиной W и шириной D, внутри которой располагаются области второго типа проводимости 2 в форме равнобедренных трапеций с длинами больших и малых оснований соответственно а и b и высотами h или непрямоугольных параллелограммов той же площади с длинами оснований (a+b)/2 и боковыми сторонами, параллельными боковым сторонам трапеций.

Расстояние между смежными боковыми сторонами соседних трапеций обозначено как Δ, а длина полосы, образованной областями второго типа проводимости, - d. Жирными пунктирными линиями показаны отрезки G₁G₂ и G₃G₄, соединяющие геометрические центры первой и второй областей 2 в их ряду.

Очевидно (фиг.1):

D=h+2ε,

W=d+2ε,

где ε - технологический параметр.

С учетом выражения (1):

Прирост расстояния между геометрическими центрами трапеции и параллелограмма по сравнению с прототипом:

или

где Δ^* - расстояние от края большого основания трапеции до проекции на данный край полосы смежного края противоположного основания соседнего параллелограмма, обеспечивает уменьшение теплового взаимодействия между областями 2 и тем самым снижение величин Т_{макс i} (i=1, …, N) и Т_макс.

Если i-я область второго типа проводимости представляет собой простую геометрическую фигуру с равномерным распределением по ее площади идентичных источников тепла, то при некоторой заданной выделяемой тепловой мощности P_1i и без учета влияния других областей второго типа проводимости, величина Т_{макс i} определяется отношением периметра данной области к ее площади. Таким образом, замена трапеции на параллелограмм той же площади с сохранением угла наклона боковых сторон к основанию не приводит к увеличению Т_{макс i}, так как периметр фигуры при этом не меняется.

Достижение исходной величины Т_макс может быть осуществлено за счет уменьшения расстояния Δ на величину приводящего к уменьшению d и W (максимум - на тем самым - площади S, или за счет размещения в пределах ширины d дополнительных областей 2, что приведет к увеличению S_a и соответственно P₁. В обоих случаях увеличивается отношение P₁/S. Условие на то, чтобы каждый параллелограмм соседствовал, как минимум, с одной трапецией исключает возможность уменьшения расстояния между геометрическими центрами тепловыделяющих областей на величину (a-b)/2 одновременно с обеих сторон от любой из таких областей и увеличение таким образом Т_{макс i}, что привело бы к снижению P₁ и показателей надежности мощной полупроводниковой структуры.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных полупроводниковых приборов. Изобретение позволяет увеличить величину полезной мощности на единицу площади полупроводниковой структуры. Сущность изобретения: в мощной полупроводниковой структуре, содержащей ряд окруженных со всех сторон областью первого типа проводимости областей второго типа проводимости в форме трапеций с параллельными высотами, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций, по крайней мере, часть ряда вышеуказанных областей второго типа проводимости выполнены в форме непрямоугольных параллелограммов, стороны которых параллельны смежным сторонам соседних областей второго типа проводимости, из которых как минимум одна не является параллелограммом. 1 ил.

Мощная полупроводниковая структура, содержащая ряд окруженных со всех сторон областью первого типа проводимости областей второго типа проводимости в форме трапеций с параллельными высотами, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть ряда вышеуказанных областей второго типа проводимости выполнена в форме непрямоугольных параллелограммов, стороны которых параллельны смежным сторонам соседних областей второго типа проводимости, из которых как минимум одна не является параллелограммом.