Мощный интегральный тиристор с полевым управлением

Полезная модель относится к области мощных полупроводниковых приборов, и может быть использована для создания элементной базы устройств силовой полупроводниковой преобразовательной техники. Решается задача увеличения предельной плотности тока, выключаемого интегральным тиристором с внешним полевым управлением. Мощный интегральный тиристор с внешним полевым управлением содержит по меньшей мере один чип, состоящий из множества параллельно электрически соединенных микротиристоных n⁺pNp ⁺ ячеек. Ячейки включают n⁺р-эмиттер, р-базу, N-базу, Nр⁺-эмиттер, рN-коллекторный переход и металлические контакты к n⁺р-эмиттеру и р-базе, выведенные к соответствующим токоподводящим шинам. Общий для всех ячеек мощный полевой транзистор включен между шинами. Толщина центральной части n⁺ -слоя n⁺p-эмиттера каждой ячейки выполнена меньшей, чем толщина его обеих периферийный частей, симметрично расположенных относительно центральной части.

1 сам. п. ф-лы, 1 илл., 9 п.

Полезная модель относится к области мощных полупроводниковых приборов, точнее - приборов с полным управлением, которые включаются и выключаются импульсом тока или напряжения в цепи управления и может быть использовано для создания элементной базы устройств силовой полупроводниковой преобразовательной техники.

Силовой полупроводниковый прибор, в общем случае, должен блокировать высокое напряжение, быстро включать и выключать большой ток, иметь малые электрические потери при включении и выключении и потреблять малую мощность в цепи управления.

Из известных мощных полупроводниковых приборов наилучшее сочетание этих характеристик имеет мощный интегральный тиристор с полевым управлением [V А К. Temple "MOS-Controlled Thyrinstor-MCT - A New Class of Power Devices" IEEE Transaction on El Dev., V ED-38, N16, pp. 1609-1618, 1986], кремниевый чип которого состоит из нескольких сотен тысяч параллельно работающих ячеек с характерным размером (10÷15) мкм, каждая из которых представляет собой n⁺pNp⁺ микротиристор, выключение которого осуществляется замыканием накоротко n⁺p-эмиттерного перехода с помощью встроенного в ячейку полевого микротранзистора. Такой интегральный тиристор, подобно обычному тиристору, может блокировать большое напряжение, имеет малое остаточное напряжение, высокое быстродействие при включении и выключении, и, в отличие от обычного тиристора, малые затраты мощности в цепи управления, поскольку эта мощность потребляется только для формирования канала встроенного полевого микротранзистора.

Принципиальным недостатком такого прибора является сложность конструкции элементарной ячейки, связанная с необходимостью формирования в ней планарного микротранзистора и потерей рабочей площади силового чипа, которую занимают эти микротранзисторы, не участвующие в проведении силового тока.

Известна также конструкция мощного интегрального тиристора с полевым управлением [Грехов И.В., Костина Л.С., Рожков А.В., Матвеев В. И., Зитта Н. Ф. «Мощный интегральный тиристор с полевым управлением», патент на полезную модель 58787, приоритет от 06 июня 2006 г.], выбранная прототипом предлагаемого изобретения, кремниевый чип которого состоит из множества параллельно включенных микротиристорных n⁺ pNp⁺ ячеек с характерной шириной (10÷15) мкм и длиной (100÷150) мкм, у которых металлические контакты к n⁺р-эмиттеру и р-базе выведены на соответствующие токоподводящие шины, к которым подключен один мощный низковольтный полевой транзистор. Одновременное выключение всех ячеек микротиристорного чипа осуществляется путем замыкания эмиттерной и базовой шин этим транзистором при подаче на его затвор управляющего импульса напряжения. Такое разделение биполярной (тиристорной) и полевой (транзисторной) технологий позволяет существенно упростить технологию изготовления силового микротиристорного чипа и увеличить его полезную (рабочую) площадь за счет удаления из каждой ячейки полевого транзистора. Низковольтный мощный полевой транзистор (MOSFET), замыкающий шины для выключения чипа, в настоящее время является массовым прибором с невысокой стоимостью.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Включение всех микротиристорных ячеек осуществляется пропусканием по шинам импульса управляющего тока (минус на эмиттерной шине), а выключение - замыканием шин внешним полевым транзистором, на затвор которого подается импульс напряжения, формирующий токопроводящий канал. В проводящем состоянии в базовых слоях накоплена электронно-дырочная плазма высокой плотности. Шунтирование эмиттерного n⁺ p перехода внешним полевым транзистором через шины прерывает инжекцию электронов, а дырки из р-базы уходят по р-слою вдоль n⁺-слоя в базовый р⁺-контакт и далее через канал транзистора во внешнюю цепь. После удаления плазмы из р-слоя и прилегающей к нему части М-слоя коллекторный pN-переход смещается в запорном направлении и прибор выключается. Выключение микротиристорной ячейки путем замыкания накоротко n⁺р-эмиттера с р-базой возможно только в том случае, если падение напряжения при протекании всего силового тока ячейки по цепи от р-базы 3 до внешнего контакта не превышает порогового значения для начала инжекции электронов n⁺р-эмиттером. Это напряжение равно примерно 0.6 вольта для кремниевого n⁺p-перехода. Расчеты и эксперименты показывают, что наиболее существенную часть в сопротивление этой цепи вносит сопротивление растекания базового р-слоя под эмиттерным n⁺-слоем. Этот слой является базовым слоем управляемого n⁺pN-транзистора микротиристорной n⁺pNp ⁺-ячейки. Его толщина и уровень легирования должны быть достаточно малыми, чтобы обеспечить малое время пролета электронов через р-базу и высокий коэффициент инжекции n⁺p-эмиттера, т е, обеспечить высокое быстродействие при включении и малое остаточное напряжение во включенном состоянии. С другой стороны, толщина и уровень легирования должны быть достаточно велики для того, чтобы обеспечить малое тангенциальное сопротивление р-базы, т.е. обеспечить возможность выключения большого тока, а также предотвратить смыкание области объемного заряда коллекторного рN-перехода с эмиттерным n⁺-слоем при блокировании полного рабочего напряжения. Таким образом, при увеличении быстродействия и уменьшении остаточного напряжения уменьшается предельная величина выключаемого тока.

В принципе, тангенциальное сопротивление р-слоя можно уменьшить путем уменьшения размера n⁺ p-эмиттера в направлении протекания дырочного тока. В конструкции прибора, взятой за прототип, этот размер лежит в пределах (5÷12)мкм, что дает возможность производить такие приборы на простых технологических линиях с топологическим разрешением (1.5÷2.0)мкм. Уменьшение размера n⁺-эмиттера, например, до единиц микрон, потребует перехода на оборудование с субмикронным разрешением, что резко увеличит сложность и стоимость технологического процесса, а также уменьшит выход годных приборов.

Таким образом, существующая конструкция прототипа является компромиссным вариантом между противоречивыми требованиями к параметрам конструкции, определяющими динамические характеристики (максимальный выключаемый ток, времена включения и выключения) и статические характеристики (остаточное напряжение во включенном состоянии), а также степень сложности технологии изготовления.

Предлагаемое устройство позволяет уменьшить эти противоречия и решает задачу увеличения предельной плотности тока, выключаемого интегральным тиристором с внешним полевым управлением, без ухудшения основных параметров устройства, таких как быстродействие и остаточное напряжение.

Задача решается мощным интегральным тиристором с внешним полевым управлением, содержащим по меньшей мере один чип, состоящий из множества параллельно электрически соединенных микротиристоных n⁺pNp⁺-ячеек, включающих n⁺р-эмиттер, р-базу, N-базу, Nр⁺ -эмиттер, рN-коллекторный переход и металлические контакты к n⁺р-эмиттеру и р-базе, выведенные к соответствующим токоподводящим шинам, и один общий для всех ячеек мощный полевой транзистор, включенный между шинами, причем толщина центральной части n⁺-слоя n⁺р-эмиттера каждой ячейки выполнена меньшей, чем толщина его обеих периферийный частей, симметрично расположенных относительно центральной части, ширина каждой центральной части n⁺-слоя лежит в пределах от 1 мкм до 5 мкм, ширина периферийной части - от 2 мкм до 5 мкм, толщина центральной части составляет от 0.2 мкм до 2 мкм, а толщина периферийных частей - от 1.5 мкм до 5 мкм.

На Фиг. изображена предлагаемая конструкция чипа, где:

1 - n⁺рNр⁺-микротиристорная ячейка;

2 - n⁺р-эмиттер;

3 - р-база;

4 - N-база;

5 - Nр⁺-эмиттер;

6 - коллекторный рN-переход;

7 - металлический контакт к эмиттерам;

8 - металлический контакт к базам;

9 - внешний полевой транзистор;

10 - эмиттерная и базовая шины.

Одновременное переключение всех микротиристорных ячеек 1 в проводящее состояние осуществляется пропусканием импульса тока по шинам (минус на эмиттерной шине 10). Электроны, инжектируемые n⁺р-эмиттером 2, вызывают встречную инжекцию дырок, инжектируемых Nр⁺ -эмиттером 5, и переключение тиристорных ячеек 1 в проводящее состояние. Переключение у внешнего периметра эмиттера начинается раньше, чем в его центральной части и происходит быстрее, поэтому скорость нарастания тока при включении определяется быстродействием тонкобазовой периферийной части ячейки 1. В стационарном включенном состоянии инжектирует вся площадь n⁺p-эмиттера 2. Плотность тока в его центральной части с большей шириной базовой области несколько меньше, чем у внешнего периметра, вследствие меньшего коэффициента инжекции n⁺p-эмиттера из-за большей концентрации легирующей примеси у границы с n⁺ -слоем и меньшего коэффициента переноса через более толстую р-базу. Однако, из-за того, что ширина ячейки значительно меньше как толщины N-базы 4, так и диффузионной длины носителей тока в ней, то вся N-база заполняется хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой практически однородно, и поэтому остаточные напряжение на n⁺pNp⁺-ячейке 1 с уменьшенной толщиной n⁺-слоя в центральной части практически такое же, как было бы на ячейке с одинаковой толщиной n⁺-слоя по всей площади.

Выключение всех микротиристорных ячеек 1 осуществляется путем замыкания накоротко эмиттерных и базовых шин 10 внешним полевым транзистором 9. При этом прекращается инжекция электронов из n⁺p-эмиттеров 2, дырки из р-базы 3 уходят вдоль n⁺-слоя в р⁺-контакт и далее через транзистор 9 во внешнюю цепь, а электроны уходят в N-базу 4, вызывая встречную инжекцию дырок р⁺N-эмиттером 5. После удаления электронно-дырочной плазмы из р-базы 3 и прилегающей к ней области N-базы 4, коллекторный рN-переход 6 смещается в запорном направлении, и ток через микротиристорные ячейки 1 резко уменьшается. После этого процесса в N-базе 4 остается значительное количество электронно-дырочной плазмы в области Np⁺ -эмиттером 5, дырки из которой уходят через образующуюся область объемного заряда (ООЗ) коллекторного рN-перехода 6, вызывая соответствующую инжекцию дырок прямосмещенным Nр⁺-эмиттером 5. Таким образом, через ячейку протекает дырочный ток, уменьшающийся во времени по мере рекомбинации запаса избыточных электронов в N-базе 4. Уменьшение толщины эмиттерного n⁺-слоя в центральной части ячейки приводит к увеличению толщины р-базы 3, т.е. к уменьшению тангенциального сопротивления и к соответствующему увеличению предельного выключаемого тока. Поскольку р-база 3, как правило, изготавливается путем термодиффузии бора в N-кремний из источника с постоянной концентрацией, то удельное сопротивление в ней быстро уменьшается по мере приближения к поверхности и поэтому уменьшение толщины n⁺-слоя приводит к резкому (нелинейному) уменьшению сопротивления растекания.

Таким образом, предлагаемая конструкция микротиристорной n⁺pNp⁺-ячейки с уменьшенной толщиной n⁺-эмиттерного слоя в центральной части позволяет увеличить предельное значение выключаемого тока без ухудшения статических и динамических характеристик.

Как установили авторы, для создания микротиристорных чипов с предельными значениями выключаемого тока, большими чем у прототипа, ширина центральной части n⁺-слоя n⁺-эмиттера должна быть (1÷5)мкм, ширина его периферийной части (2÷5) мкм, толщина центральной части от 0.2 мкм до 2 мкм, а толщина периферийных частей - от 1.5 мкм до 5 мкм.

Эти параметры выбираются из следующих соображений.

Как уже отмечалось, предельная величина выключаемого тока в микротиристорной ячейке возрастает при уменьшении сопротивления растекания базового р-слоя под эмиттерным n⁺-слоем, поэтому уменьшение ширины n⁺-слоя в направлении протекания тока при выключении приводит к увеличению выключаемого тока. Этот ток в направлении от N-базы к рослою р⁺-слою управляющего электрода является чисто дырочным. Концентрация свободных дырок P_f в потоке растет с плотностью дырочного тока j_p по закону P_f=j_p/qV_s, где q - заряд электрона, V_s - насыщенная скорость дырок в кремнии (~10⁷ см/сек), когда P_f становится сравнимой с концентрацией легирующей примеси в N-базе, нескомпенсированный нескомпенсированный заряд движущихся дырок формирует электрическое поле, быстро увеличивающееся с ростом тока. Когда напряженность поля достигает критической величины Е_кр для лавинного пробоя, прибор выходит из строя. Это явление создает фундаментальное ограничение предельной плотности выключаемого тока. Поскольку уменьшение ширины n⁺-слоя приводит к усложнению и удорожанию технологии изготовления прибора, эту ширину выбирают не менее той, которая обеспечивает выключение тока, равного критическому току, вызывающему лавинный пробой. В приборах с конструкцией прототипа оптимальная расчетная ширина n⁺-слоя должна быть равной 3-4 мкм и предельная плотность выключаемого тока, ограниченная лавинным пробоем, должна составлять ~250 А/см. Однако, из-за технологической сложности создания металлических контактов большой толщины (~5 мкм) для проведения силового тока в ячейке таких малых размеров приходится увеличивать ширину n⁺ -слоя до ~12 мкм. В этом случае предельная плотность выключаемого тока ограничивается уже не лавинным пробоем, а сопротивлением растекания р-слоя под n⁺-слоем и составляет ~100 А/см ².

В предлагаемой конструкции прибора для уменьшения сопротивления растекания р-слоя толщина центральной части расположенного под ним n⁺-слоя уменьшена относительно обеих периферийных частей. Чем меньше толщина и больше ширина центральной части n⁺-слоя, тем меньше сопротивление растекания расположенного под ним р-слоя, и, соответственно, больше предельная величина выключаемого тока. Однако, при этом возрастает остаточное напряжение во включенном состоянии и может ухудшиться быстродействие. Предлагаемый диапазон изменения геометрических размеров n⁺-слоя определен экспериментально и обеспечивает увеличение выключаемого тока без существенного увеличения остаточного напряжения и ухудшения быстродействия.

Устройство работает следующим образом.

В стационарном выключенном состоянии коллекторный pN переход 6 блокирует внешнее напряжение, приложенное к силовым клеммам. Для включения прибора через эмиттерную и базовую шины 10 пропускается короткий (0.5 мкс) импульс тока в проводящем направлении (минус на n⁺-слое). При этом все тиристорные ячейки 1 переходят во включенное состояние и через нагрузку протекает силовой ток. Для выключения прибора в цепь управления силового транзистора 9 подается импульс напряжения, формирующий проводящий канал. Этот канал замыкает накоротко n ⁺р-эмиттер 2, инжекция электронов прекращается, и прибор переходит в выключенное состояние.

Пример 1.

Согласно формуле предлагаемого изобретения на технологической линии с топологическим разрешением (1.5÷2)мкм был изготовлен чип интегрального тиристора соответственно Фиг. Коллекторный рN-переход был изготовлен диффузией на глубину 6· 10 ^-4 см бора с поверхностной концентрацией 1·10 ¹⁸ см^-3 в пластину кремния с концентрацией донорной примеси (фосфора) 3·10¹³ см^-3. Затем были изготовлены n⁺-эмиттеры в виде полосок шириной 12 мкм и длиной 100 мкм путем диффузии фосфора с поверхностной концентрацией 1·10²⁰ см^-3. Центральная часть имела ширину 4 мкм и толщину 1 мкм, периферийные части полосок имели ширину 4 мкм и толщину 3 мкм. Общее число полос было 2·10⁴, рабочая площадь чипа 0.5 см² . Одновременно был изготовлен, согласно прототипу, аналогичный чип, но без углубления в центральной части n⁺-эмиттера. Характеристики обоих чипов - прототипа и изобретения, соответственно:

Таким образом показано, что предлагаемое устройство позволяет вдвое увеличить предельный выключаемый ток без ухудшения остальных характеристик чипа.

В следующих примерах приборы имели такую же конструкцию, как и в Примере 1; варьировались только размеры (ширина и толщина) центральной и периферийных частей n⁺-эмиттеров.

Пример 2.

То же, что в примере 1, но ширина центральной части - 1 мкм. .

Пример 3.

То же, что в примере 1, но ширина центральной части - 5 мкм.

Пример 4.

То же, что в примере 1, но толщина центральной части - 0.2 мкм.

Пример 5.

То же, что в примере 1, но толщина центральной части - 2.0 мкм.

Пример 6.

То же, что в примере 1, но ширина периферийной части - 2.0 мкм.

Пример 7.

То же, что в примере 1, но ширина периферийной части - 5.0 мкм.

Пример 8.

То же, что в примере 1, но толщина периферийной части - 1.5 мкм

Пример 9.

То же, что в примере 1, но толщина периферийной части - 5.0 мкм.

Из приведенных примеров видно, что уменьшение толщины и увеличение ширины центральной части ведет к увеличению предельной величины выключаемого тока, однако при этом ненамного увеличивается остаточное напряжение во включенном состоянии. Увеличение ширины периферийной части (при неизменной суммарной ширине эмиттерной n⁺ -полосы) уменьшает остаточное напряжение, но при этом несколько уменьшается выключаемый ток. Близкое к оптимальному соотношение всех геометрических размеров приведено в Примере 1.

Мощный интегральный тиристор с внешним полевым управлением, содержащий по меньшей мере один чип, состоящий из множества параллельно электрически соединенных микротиристорных n⁺pNp ⁺ ячеек, включающих n⁺р-эмиттер, р-базу, N-базу, Nр⁺-эмиттер, рN-коллекторный переход и металлические контакты к n⁺p-эмиттеру и р-базе, выведенные к соответствующим токоподводящим шинам, и один общий для всех ячеек мощный полевой транзистор, включенный между шинами, причем толщина центральной части n⁺-слоя n⁺р-эмиттера каждой ячейки выполнена меньшей, чем толщина его обеих периферийный частей, симметрично расположенных относительно центральной части, ширина каждой центральной части n⁺-слоя лежит в пределах от 1 до 5 мкм, ширина периферийной части - от 2 до 5 мкм, толщина центральной части составляет от 0,2 до 2 мкм, а толщина периферийных частей - от 1,5 до 5 мкм.