Полупроводниковый прибор Советский патент 1992 года по МПК H01L29/74 

со

С

Использование: полупроводниковые приборы, управляемые по базе. Сущность изобретения: эмиттер выполнен из монокристаллической кремниевой пластины, а сильнолегированные участки противоположного эмиттеру типа проводимости расположены в эмиттере и выполнены из поликремния с концентрацией легирующей примеси, обеспечивающей выключение прибора по длине эмиттера, и отделены от него диэлектрическим промежутком/фичем ширина участков отвечает следующему соотношению: d (Wp + Wn), где Wp - толщина базового слоя р-типа; Wn - толщина базового слоя n-типа. Изобретение может быть применено при конструировании запираемых и комбинированно-выключаемых тиристоров, а также биполярных транзисторов. 1 ил.

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

Известна конструкция тиристора, в базовом слое которого выполнены в виде полос или сетки участки того же, что и базовый слой, типа проводимости с повышенным хотя бы на порядок относительно базового слоя уровнем легирования. Недостатком такой конструкции является невозможность существенного увеличения выключаемой мощности из-за невозможности изготовления большого количества узких элементарных ячеек без потери рабочей площади из-за малого напряжения пробоя управляемого эмиттера в местах расположения сильнолегированных областей базового слоя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый прибор, управляемый по базе,

содержащий базовый и эмиттерный слои и сильнолегированные участки противоположного эмиттерному слою типа проводимости, расположенные в базовом слое между эмиттером и базой вдоль эмитгерной полосы. Благодаря этому сопротивление базы выключающему току уменьшается, что приводит к уменьшению времени выключения вдвое при увеличении отрицательного тока управления на 1 А.

Недостатком как аналога, так и прототипа является небольшая величина выключаемой мощности, ограниченная причинами принципиального характера - конструктивные особенности их таковы, что увеличить рабочую площадь прибора практически невозможно.

Цель изобретения -увеличение выключаемой мощности приборов, управляемых по базе.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом приборе, содержащем базовый и эмиттерный слои, между которыми сформированы сильнолегирован- ные участки противоположного эмиттерному слою типа проводимости, эмиттерный слой выполнен из монокристаллической кремниевой пластины, в которой сформированы сильнолегированные участки из поликремния с концентрацией легирующей примеси 1019-1021 см , отделенные от него диэлектриком, при этом ширина d сильнолегированных участков удовлетворяет соотношению:

d Wp + Wn,

где Wp - толщина базового слоя р-типа проводимости ;

Wn -толщина базового слоя n-типа проводимости .

На чертеже показан полупроводниковый прибор, где 1 - управляемый эмиттерный переход, 2 - базовый слой, 3 - эмиттер (монокристаллическая кремниевая пластина). 4 - сильнолегированные участки из поликремния, 5 - слой диэлектрика, 6 - эмиттерный контакт, 7 - базовый контакт.

Сут.ь предлагаемой конструкции состоит в том, что сильнолегированные участки противоположного эмиттерному слою типа проводимости выполнены не в базовом, а в эмиттерном слое, представляющем собой монокристаллическую кремниевую пластину с заданным удельным объемным сопротивлением; толщина пластины не влияет на электрические свойства прибора. Изготовление эмиттера сплошным позволяет увеличить рабочую площадь прибора. Расположение сильнолегировзнных участков в таком эмиттере может быть любым; сопротивление растекания их R выключающему базовому току легко регулируется соответствующим выбором длины I, ширины d и глубины h. Выполнение этих участков из поликристаллического кремния позволяет повысить концентрацию легирующей примеси в них до величины, обеспечивающей выключение прибора по всей длине эмиттера, которая за счет уменьшения сопротивле- ния растекания сильнолегированных участков может быть в 2-3 раза больше, чем в известных решениях. То есть в предлагаемой конструкции в сплошном эмиттере выполняются узкие, длинные, глубокие сильнолегированные участки противоположного типа проводимости, обеспечивающие эффективное выключение прибора выключающим током по всей площади эмиттера. Благодаря выполнению диэлектрического промежутка между эмиттером и сильнолегированными участками (1,5-2,0 мкм SiOa) исключается пробой на границе.

Выбор соотношения d Wn + Wp приводит к заливанию сильнолегированных участков неравновесными носителями, инжектируемыми на этапе работы прибора во

включенном состоянии, благодаря чему не происходит потери рабочей площади. Ширина эмиттерных участков выбирается из общепринятых сообращений. Эмиттерная пластина той стороной, в которой выполнены вышеупомянутые участки, присоединяется к остальной части прибора со стороны базовой области методом прямого соединения (Silicon Direct Bonding). Последующей металлизации подвергается противоположная сторона эмиттерной пластины.

Все это позволяет повысить эффективность выключения, увеличить рабочую площадь и тем самым достичь положительного эффекта - в полтора раза повысить величину выключаемой мощности.

В известных решениях эмиттер представляет собой набор мелкодисперсных ячеек, окруженных базовой областью с выполненными в ней сильнолегированными

участками. Конструкция по изобретению принпициально другая - в сплошном эмиттере выполнены узкие, длинные, глубокие сильнолегированные участки с малым сопротивлением растекания, обеспечивающие протекание выключающего базового тока и эффективное выключение.

Предлагаемая конструкция лежит в ос нове как запираемого и комбинированно- выключаемого тиристоров, так и

транзистора.

Полупроводниковый прибор работает следующим образом. При подаче на прибор прямого смещения эмиттер инжектирует в базовый слой неосновные носители. Благодаря использованию в конструкции соотношения d Wp + Wn работает вся площадь прибора. При подаче отрицательногоо смещения на управляющий электрод начинается вывод накопленного заряда, тем более

эффективный, чем меньше сопротивление выключающему базовому току сильнолегированной полосы и подэмиттерной базовой области. Благодаря использования поликремния, обеспечивающего высокую (до

10 см) концентрацию легирующей примеси в полосе, в предлагаемой конструкции обеспечивается выключение приборов с длиной эмиттерной полосы в 2-3 раза большей, чем у известных аналогов. Наличие диэлектрического промежутка между сильнолегированной полосой и подэмиттерной базовой областью увеличивает напряжение пробоя эмиттерного перехода и тем самым повышает эффективность выключения, так же, как и сужение самой эмиттер- ной полосы.

Конкретный пример исполнения.

Согласно предлагаемому изобретению был изготовлен запираемый тиристор с элементарной ячейкой эмиттерного перехода в виде полосы шириной I 200 мкм. Суммарная толщина р- и n-баз 450 мкм, поверхностная концентрация примеси в р-базе

NSA

1 «1018см 3. Сильнолегированные по

лосы р-типа проводимости изготавливались в пластине n-SI с /V 0,005 Ом-см ориентации 110 в следующей последовательности:

анизотропное вытравливание канавок шириной 50 мкм с шагом 200 мкм на глубину 150 мкм, выращивание слоя SI02 путем термического окисления (1250°С. 4 ч) толщиной 1,5-2,0 мкм, заращивание канавок поликремнием с последующей сошлифовкой его с остальной части пластины и ее полировкой (толщина снятого слоя 155 мкм): концентрация примеси в полосах р-типа 1021 см 3, изготовление pnp-структуры в полированной пластине n-SI с /V 80 Ом см путем диф- фузии Са (1250°С, 10 ч), стравливание диффузионного окисла с pnp-структуры. Прямое соединение эмиттерной пластины с полосами из поликремния с pnp-структурой (Silicon Direct Bonding).

Удельное сопротивление 1 см длины р- базы рч Ом.см, 1 см сильнолегированной полосы /% 1.5 Ом-см Напряжение пробоя управляемого эмиттера 20,0 В.

Измерения показали, что при площади прибора S 1 см2 величина выключаемогоо анодного тока составила 250 А (при воеб

1шшийШ &зш8штюа1га

.isat

5

0

5 0

мени выключения 10 мкс), что примерно в 1,5 раза выше, чем в ранее известных технических решениях.

Аналогично было достигнуто полуторак- ратное увеличение выключаемой мощности по сравнению с известными техническими решениями в комбинированно-выключаемом тиристоре и биполярном транзисторе.

Таким образом, из примера исполнения 0 следует, что изобретение позволило увеличить выключаемую мощность приборов, управляемых по базе, и тем самым улучшить их коммутационные характеристики, что открывает перед потребителем новые возможности их применения в различных схемах преобразования электрической энергии.

Формула изобретения

Полупроводниковый прибор, содержащий базовый и эмиттерный слои, между которыми сформированы сильнолегированные участки противоположного эмиттерному слою типа проводимости, отличающий с- я. тем, что, с целью увеличения выключаемой мощности путем увеличения рабочей площади, эмиттерный слой выполнен из монокристаллической кремниевой пластины, в которой сформированы сильнолегирован- ные участки из поликремнил с концентрацией легирующей примеси 1019 - 10 см 3, отделенные от него диэлектриком, при этом ширина d сильнолегированных участков удовлетворяют соотношению:

d (Wp + Wn).

5 где Wp - толщина базового слоя р-типа проводимости;

Wn -толщина базового слоя n-типа проводимости.

,А

пш