Полупроводниковый прибор с самозащитой от перенапряжения

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя при перенапряжениях в закрытом состоянии, а именно, к конструкции динисторов и тиристоров, в т.ч. симметричных. Техническим результатом предлагаемого решения является сохранение высокой стойкости приборов к эффекту du/dt и высокого процента выхода годных приборов с относительно низким разбросом значений напряжения переключения U_BO [В]. Данный результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод, при этом диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мм] вытравленной ямки удовлетворяет условию:

где x_j1 и x _j2 [мм] - глубина диффузии акцепторных примесей, соответственно, первого и второго типов, диаметр вытравленной ямки удовлетворяет условию:

где h_опт [мм] - оптимальная глубина вытравленной ямки, равная x_j2-x _j1. 1 н.п.ф., 1 ил.

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя при перенапряжениях в закрытом состоянии, а именно, к конструкции динисторов и тиристоров, в т.ч. симметричных.

Известна конструкция полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений [1] (заявка Японии №59-009970 кл. H 01 L 29/74, публ. 19.01.1984 г.), выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод.

Эмиттерный n-слой охватывает периферийную область ямки, управляющий электрод целиком расположен на ее дне, сама же ямка образована до формирования диффузионного базового р-слоя.

Лавинный пробой коллекторного p-n-перехода, в случае перенапряжения прибора в закрытом состоянии, начинается под ямкой, т.е. на участке с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси в диффузионном базовом p-слое. Однако в решении не указана глубина данной ямки, которая влияет на напряжение лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода и, соответственно, на напряжение переключения прибора U_BO [В]. Не указаны также диаметр ямки и количество типов акцепторных примесей, формирующих диффузионный базовый p-слой, в том числе на участке, где примесь имеет высокий градиент концентрации.

Самое близкое решение [2] (патент Российской Федерации №2279735, кл. H 01 L 29/74, H 01 L 29/87, публ. 10.07.2006 г.) относится к конструкции силового полупроводникового прибора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод, при этом диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мм] вытравленной ямки удовлетворяет условию:

где x_j1 и x _j2 [мм] - глубина диффузии акцепторных примесей первого и второго типов, соответственно.

Это решение устраняет недостатки описанной выше конструкции, обусловленные неопределенностью в выборе глубины вытравленной ямки и количества типов акцепторных примесей, формирующих диффузионный базовый р-слой, в том числе на участке, где примесь имеет высокий градиент концентрации. Однако в решении по-прежнему остается неопределенным выбор диаметра d [мм] вытравленной ямки. Вместе с тем при больших значениях диаметра вытравленной ямки снижается стойкость приборов к эффекту du/dt вследствие увеличения емкостного тока участка коллекторного р-n-перехода, расположенного под указанной ямкой. А при малых значениях диаметра вытравленной ямки снижается процент выхода годных приборов с относительно низким разбросом значений напряжения переключения U_BO из-за искажений формы ямок и частых нарушений условия (1).

Техническим результатом предлагаемого решения является сохранение высокой стойкости приборов к эффекту du/dt и высокого процента выхода годных приборов с относительно низким разбросом значений напряжения переключения U_BO.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод, при этом диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мм] вытравленной ямки удовлетворяет условию:

где x_j1 и x _j2 [мм] - глубина диффузии акцепторных примесей, соответственно, первого и второго типов,

диаметр вытравленной ямки удовлетворяет условию:

где h_опт [мм] - оптимальная глубина вытравленной ямки, равная x_j2-x _j1.

Признаком, отличающим данное техническое решение от прототипа, является то, что диаметр вытравленной ямки удовлетворяет условию (2).

Известных технических решений с таким признаком не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что при выполнении условия d1,5 мм емкостной ток участка коллекторного р-n-перехода, расположенного

под вытравленной ямкой, еще достаточно мал и практически не влияет на стойкость приборов к эффекту du/dt. При выполнении же условия d4h_опт вытравленная ямка воспроизводима по глубине и имеет хорошую форму (плоское донышко). Это позволяет сохранить высокий процент выхода годных приборов с относительно низким разбросом значений напряжения переключения U _BO.

На фиг.1 изображен фрагмент полупроводникового прибора (тиристора) предложенной конструкции, когда глубина вытравленной ямки равна оптимальной величине.

Полупроводниковый прибор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями. Со стороны первой главной поверхности 2 расположены: эмиттерный n-слой 3 и диффузионный базовый р-слой 4 с вытравленной ямкой 5, которая образована до его формирования. Диффузионный базовый р-слой образует в исходной кремниевой пластине коллекторный р-n-переход j_k и имеет участок 6 с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси под вытравленной ямкой. С этой же стороны пластины созданы электрод катода 7 и управляющий электрод 8.

Эмиттерный р-слой, который может быть создан одновременно с диффузионным базовым р-слоем, и электрод анода со стороны второй главной поверхности пластины на фигуре не показаны.

Глубина h вытравленной ямки 5 может быть разной, а именно, быть равной оптимальной глубине h_опт [мм], больше или меньше оптимальной глубины [2].

Для формирования диффузионного базового р-слоя 4 использованы акцепторные примеси двух типов, имеющие разные коэффициенты диффузии. Поэтому диффузионный базовый р-слой вне вытравленной ямки состоит из двух частей 9, 10, а под ямкой - из одной части 6. Часть 9 базового р-слоя сформирована диффузией бора и алюминия, часть 10 - диффузией алюминия, а часть 6 - диффузией только бора.

Коллекторный р-n-переход j _k в случае, когда глубина вытравленной ямки h=h _опт, состоит из двух частей 11, 12. При глубине ямки h, отличающейся от оптимальной h_опт, он состоит из трех частей [2].

Диаметр d вытравленной ямки удовлетворяет условию (2). Вытравленная ямка 5 имеет при этом хорошую форму, а ее донышко 13 - плоское.

При работе прибора в случае приложения к нему перенапряжения в закрытом состоянии лавинный пробой всегда происходит на участке 11 коллекторного перехода. Ток лавинного пробоя коллекторного перехода на этом участке, воздействуя как ток управления, приводит к переключению прибора и тем самым защищает его от необратимого пробоя в закрытом состоянии.

Детальное обоснование сказанного содержится в [2]. Там же даны рекомендации по выбору поверхностных концентраций акцепторных примесей обоих типов, обеспечивающих снижение напряжения лавинного пробоя участка 11 коллекторного перехода по сравнению с участком 12 на 5÷10% при известной глубине их диффузии и глубине вытравленной ямки 5, удовлетворяющей условию (1).

В случае приложения к прибору импульса напряжения в закрытом состоянии через него течет емкостной ток коллекторного р-n-перехода. При этом емкостной ток участка 11 коллекторного р-n-перехода, расположенного под вытравленной ямкой, воздействует на прибор как внешний ток управления. С ростом диаметра d вытравленной ямки 5 этот ток возрастает и может привести к несанкционированному включению прибора, снижая тем самым его стойкость к эффекту du/dt. С этим связано ограничение диаметра вытравленной ямки условием d1,5 мм. Емкостной ток участка 11 коллекторного р-n-перехода при этом еще достаточно мал и практически не влияет на стойкость прибора к эффекту du/dt.

С уменьшением диаметра вытравленной ямки возрастает вероятность искажения ее формы и нарушения условия (1). Поэтому диаметр вытравленной ямки ограничен снизу условием d4h_опт. При выполнении этого условия вытравленная ямка легко воспроизводится по глубине и имеет хорошую

форму (плоское донышко 13). Это позволяет сохранить высокий процент выхода годных приборов с относительно низким разбросом значений напряжения переключения U_BO.

Пример реализации. Для примера реализации взяли тот же прибор, что и в прототипе, а именно, тиристор на импульсный ток 25 А, напряжение переключения U_BO2500 В. Конструктивно приборы отличались от прототипа только диаметром вытравленной ямки и, соответственно, диаметром внутренней границы эмиттерного n-слоя 3, а технология их изготовления была точно такой же, как у прототипа.

Для подтверждения достоверности условия (2) были реализованы 5 вариантов тиристоров, диаметры d вытравленных ямок которых были равны, соответственно, 0,12 мм (вариант 1), 0,17 мм (вариант 2), 0,84 мм (вариант 3), 1,5 мм (вариант 4) и 2 мм (вариант 5). Диаметры внутренней границы эмиттерного n-слоя 3 были равны при этом, соответственно, 0,62 мм, 0,67 мм, 1,34 мм, 2 мм и 2,5 мм.

Оптимальная глубина вытравленной ямки тиристоров такая же как по прототипу: h _опт=0,043 мм. Глубина вытравленных ямок h для вариантов 2-5 лежала в интервале (0,9÷1,05)·h _опт, где h_опт=x_j2 -x_j1, т.е. удовлетворяла условию (1). Для варианта 1 глубина вытравленных ямок при тех же условиях и режимах травления лежала в интервале (0,8÷1,05)·h _опт т.е также удовлетворяла условию (1), однако, отличалась худшей воспроизводимостью. Кроме того, для значительной части образцов варианта 1 (около 40%) донышко 13 (фиг.1) было неплоским, что влияло на точность измерений h.

Таким образом, тиристоры всех вариантов являлись образцами по прототипу с глубиной h вытравленной ямки, удовлетворяющей условию (1). Одновременно с этим образцами по предложенной полезной модели явились только тиристоры вариантов 2, 3 и 4, которые дополнительно удовлетворяют условию (2).

Испытаниям подверглись по 30 шт тиристоров каждого варианта, переключение которых происходило вследствие лавинного пробоя коллекторного

р-n-перехода на участке 11 (фиг.1). Измерялись напряжения переключения U_BO изготовленных образцов и критические скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (du_D/dt)_crit , характеризующие их стойкость к эффекту du/dt. Годными (выдержавшими испытания), как и в случае прототипа, считались образцы, для которых значения U_BO лежали в интервале (0,9÷0,95)·U_BO12cp, где U _BO12cp [В] - среднее (расчетное) значение напряжения переключения образцов без вытравленных ямок, равное примерно 2680 В.

Результаты испытаний приведены в таблице, где через N _г [%] обозначен процент тиристоров, выдержавших испытания.

Из таблицы видно, что образцы тиристоров по полезной модели (варианты 2, 3 и 4) характеризуются как высоким процентом годных по напряжениям переключения, так и высокой стойкостью к эффекту du/dt. Эти тиристоры являются одновременно образцами и по прототипу. В то же время тиристоры вариантов 1 и 5, удовлетворяющие условию (1) по прототипу, но не удовлетворяющие условию (2) по предложенной полезной модели, характеризуются либо низким процентом годных по U_BO (более чем в 2 раза, вариант 1), либо в 2÷2,5 раза меньшей стойкостью к эффекту du/dt (вариант 5).

Полупроводниковый прибор с самозащитой от перенапряжений, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод, при этом диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мм] вытравленной ямки удовлетворяет условию

где x_j1 и x _j2 [мм] - глубина диффузии акцепторных примесей, соответственно, первого и второго типов,

отличающийся тем, что диаметр вытравленной ямки удовлетворяет условию

где h_опт [мм] - оптимальная глубина вытравленной ямки, равная х_j2-x _j1.