МОЩНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ДИОД С УЛУЧШЕННОЙ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬЮ
HIGH PERFORMANCE SILICONDIODE WITH IMPROVED THERMAL STABILITY

Изобретение относится к области конструирования полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых диодов с улучшенной термостабильностью.
Сочетание высокого обратного и низкого прямого напряжений является принципиально важным для силовых диодов, рассчитанных на приложение высоких обратных напряжений (100-10000 В) и протекание большого тока в прямом направлении (10-10000 А) при минимальной мощности потерь.
Известен мощный кремниевый диод, включающий последовательно соединенные высоколегированный эмиттерный слой полупроводникового материала первого типа проводимости, низколегированный базовый слой полупроводникового материала второго типа проводимости и высоколегированный слой полупроводникового материала второго типа проводимости с меньшим по сравнению с базовым слоем удельным сопротивлением (Hall R.H. Power rectifiers and transistors. - Proc. IRE, 40, 1956 [1]).
Описанная конструкция диода позволяет получать как высокое значение обратного напряжения, так и низкое значение прямого напряжения при протекании прямого тока высокой плотности. Высокое обратное напряжение получают за счет низколегированного базового слоя, примыкающего к р-n переходу. При протекании прямого тока низколегированный базовый слой «заливается» неравновесными электронами и дырками (носителями заряда), инжектированными из окружающих этот слой высоколегированных слоев, при этом концентрации неравновесных электронов и дырок в каждой точке базового низколегированного слоя примерно одинаковы, т.е. соблюдается «квазиэлектронейтральность», а его удельное сопротивление снижается (модулируется), что приводит к снижению прямого напряжения.
Существенным недостатком описанного диода является то, что на его вольт-амперной характеристике (ВАХ) имеются диапазоны значений прямого тока, где прямое напряжение имеет отрицательную температурную характеристику (т.е. при возрастании температуры структуры прямое напряжение при фиксированном токе уменьшается). Отрицательная температурная характеристика негативно сказывается на тепловой стабильности распределения плотности прямого тока по площади структуры мощного диода и может привести к шнурованию тока и выходу из строя прибора.
Основными составляющими прямого напряжения данного диода являются напряжение на р-n переходе и напряжение на низколегированном базовом слое, с учетом модуляции его проводимости инжектированными неравновесными носителями заряда.
Напряжение на р-n переходе имеет отрицательную температурную характеристику, его зависимость от температуры при фиксированном токе в типичном для мощных диодов диапазоне температур от -60°С до +180°С близка к линейной.
2
2
Температурная характеристика напряжения на базовом слое определяется температурными зависимостями подвижности электронов и дырок в указанном слое, их времени жизни, а также температурными зависимостями коэффициентов инжекции носителей заряда в данный базовый слой из окружающих его высоколегированных слоев. При различных значениях плотности прямого тока J/см] температурная характеристика может быть как положительной, так и отрицательной. Показано, что при J свыше 10 А/см температурная характеристика напряжения на базовом слое положительна, а зависимость от температуры близка к линейной (Грехов И.В., Отблеск А.Е. Учет электронно-дырочного рассеяния и падения эффективности эмиттера с ростом плотности тока при расчете прямой ветви вольт-амперной характеристики p-s-n - и p-s-R-структур. - Радиотехника и электроника, 1974, т.19, №7, с.1483-1490 [2]).
инв1
2
При малых значениях J основной вклад в прямое напряжение диода вносит напряжение на р-n переходе и суммарная температурная характеристика прямого напряжения отрицательна. По мере увеличения J растет вклад напряжения на низколегированном базовом слое и при некоторой плотности тока инверсии J[А/см] происходит инверсия температурной характеристики прямого напряжения, т.е. температурная характеристика становится положительной.
инв2
инв2
инв1
2
В работе (T.T.Mnatsakanov et al. On the thermal stability of high-voltage rectifier diodes. - Semiconductor Science and Technology, 2006, №21, с.1244-1249 [3]) показано, что для кремниевых диодов существует также плотность тока обратной инверсии J[А/см] (J>J), когда температурная характеристика прямого напряжения снова меняет знак и становится отрицательной.
инв1
инв2
инв1
инв2
Таким образом, для диода описанной выше конструкции в общем случае существует интервал плотностей токов J<J<J, в котором распределение плотности прямого тока по площади структуры устойчиво к тепловому возмущению. Для плотностей токов J<J и J<J возможно возникновение нестабильности распределения плотности прямого тока вплоть до эффектов шнурования.
Наиболее близким к предлагаемому решению является решение по патенту DE №4337329, кл. H01L 21/329, опубл. 04.05.1995 г. [4], в котором получена положительная температурная характеристика прямого напряжения. Предлагается мощный кремниевый диод с улучшенной термостабильностью, включающий последовательно соединенные эмиттерный слой первого типа проводимости, низколегированный базовый слой второго типа проводимости и высоколегированный слой второго типа проводимости с меньшим по сравнению с базовым слоем удельным сопротивлением.
При этом в эмиттерном слое первого типа проводимости находится дополнительная область, содержащая повышенную по сравнению с окружающими слоями концентрацию рекомбинационных центров (область повышенной рекомбинации) [4].
инв1
2
Техническое решение, предложенное в [4], позволяет получить значение J на уровне 100-200 А/см.
Техническим результатом предлагаемого решения является получение положительной температурной характеристики прямого напряжения во всем требуемом интервале плотностей прямого тока.
18
-3
15
-3
2
2
max
max 0
max
max 0
Для этого в мощном кремниевом диоде с улучшенной термостабильностью, включающем последовательно соединенные эмиттерный слой первого типа проводимости, низколегированный базовый слой второго типа проводимости и высоколегированный слой второго типа проводимости с меньшим по сравнению с базовым слоем удельным сопротивлением, в высоколегированный слой второго типа проводимости дополнительно введена область, концентрация легирующей примеси в которой меньше, чем в прилегающих к ее границам областях этого высоколегированного слоя, при этом максимальная концентрация легирующей примеси в части высоколегированного слоя второго типа проводимости между этой дополнительной областью и низколегированным базовым слоем второго типа проводимости должна быть не менее 5·10 см, а концентрация легирующей примеси в пределах дополнительной области должна быть не менее 2·10·(J/J)[см], где J [А/см] - максимальная импульсная плотность прямого тока через диод, а J [А/см]=1000.
К отличительным признакам предлагаемого технического решения относятся:
1. Высоколегированный слой второго типа проводимости с меньшим по сравнению с базовым слоем удельным сопротивлением содержит внутри себя дополнительную область с концентрацией легирующей примеси, меньшей по отношению к окружающим ее областям. Соответственно эта область имеет повышенное удельное сопротивление.
В известных решениях эта дополнительная область отсутствует, поэтому вклад в прямое напряжение диода падений напряжения на высоколегированных слоях первого и второго типов проводимости значительно меньше, чем вклады напряжения на р-n переходе и на низколегированном базовом слое. В результате температурная характеристика падений напряжения на высоколегированных слоях практически не влияет на температурную характеристику прямого напряжения.
инв1
В предлагаемом техническом решении за счет введения дополнительной области с повышенным удельным сопротивлением достигается положительная температурная характеристика падения напряжения на этой области в интервале рабочих температур диода и уменьшение значения J.
18
-3
2
2. Максимальная концентрация легирующей примеси в части высоколегированного слоя второго типа проводимости между введенной дополнительной областью и низколегированным базовым слоем второго типа проводимости должна быть не менее 5·10 [см]. Это объясняется тем, что предлагаемое решение эффективно лишь при условии отсутствия заметной модуляции проводимости за счет неравновесных носителей в дополнительной области с повышенным удельным сопротивлением. Невыполнение этого условия делает диод близким к обычному мощному диоду [1] без вышеуказанной дополнительной области. Кроме того, возможно появление на прямых ВАХ диода S-образных участков с отрицательным динамическим сопротивлением (ОДС). Наличие участка ОДС на ВАХ приводит к возрастанию нестабильности распределения тока по площади структуры диода и технический результат не может быть достигнут. Эксперименты и расчеты показывают, что предлагаемая выше концентрация примеси позволяет практически полностью исключить проникновение неравновесных носителей заряда первого типа проводимости из низколегированного базового слоя в дополнительную область при любых плотностях прямого тока, вплоть до десятков тысяч А/см.
15
max
max0
max
3. Концентрация легирующей примеси в пределах дополнительной области высоколегированного слоя второго типа проводимости с повышенным удельным сопротивлением должна быть не менее 2·10 J/J. Невыполнение этого условия приводит к появлению модуляции проводимости дополнительной области за счет неравновесных носителей заряда второго типа проводимости, «затягиваемых» электрическим полем из высоколегированных областей слоя второго типа проводимости. Последствия описаны в предыдущем пункте. Выполнение условия позволяет исключить появление на ВАХ участков ОДС вплоть до заданной плотности тока J.
Таким образом, каждый из перечисленных выше отличительных признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели.
На фиг.1 показан профиль распределения примесей в полупроводниковой структуре диода по предлагаемому решению.
На фиг.2 представлены ВАХ диода во включенном состоянии для температур структуры 25°С и 150°С по прототипу.
На фиг.3 - экспериментально полученные ВАХ диода по предлагаемому решению для температур структуры 25°С и 150°С.
(31)max
(32)
max
max 0
-3
18
-3
-3
15
Мощный кремниевый диод включает последовательно соединенные эмиттерный слой первого типа проводимости 1, базовый слой второго типа проводимости 2 и высоколегированный слой второго типа проводимости с меньшим по сравнению с базовым слоем удельным сопротивлением 3, при этом слой 3 содержит область (32) с повышенным удельным сопротивлением (пониженной концентрацией легирующей примеси) по сравнению с окружающими ее частями высоколегированного слоя второго типа проводимости (31) и (33), максимальная концентрация легирующей примеси в области (31) - N[см] должна быть не менее 5·10 см, а концентрация легирующей примеси в области (32) - N[см] - не менее 2·10·J/J.
2
2
инв1
Приведенные на фиг.2 ВАХ прототипа показывают, что температурная инверсия падения напряжения происходит при прямом токе примерно 75 А. Учитывая приведенное в прототипе значение площади прибора 32,4 мм, это соответствует J=230 А/см.
инв1
инв1
2
2
Приведенные на фиг.3 ВАХ диода по предлагаемому решению показывают значение J=60 А/см. При J>J в исследованном диапазоне плотностей токов до J=300 А/см температурная характеристика напряжения положительна.
Работа прибора.
2
Рабочая плотность тока мощного диода обычно составляет 70÷120 А/см.
инв1
2
За счет наличия дополнительной области (32), температурная характеристика которой положительна, температурная инверсия ВАХ наступает при J=60 А/см (Фиг.3), что существенно ниже, чем для прототипа.
инв1
В диапазоне плотностей токов J>J температурная характеристика напряжения положительна. Это означает, что если в какой-либо точке диода имеется сниженное падение напряжения, в ней не будет концентрироваться большой ток, поскольку связанное с этим повышение температуры приведет к повышению падения напряжения и выравниванию распределения плотности тока по площади включенного диода. Таким образом обеспечивается повышенная термостабильность работы приборов большой площади или нескольких приборов при их параллельном соединении.
Пример реализации.
2
Были изготовлены 4 партии диодов на кремниевых дисках диаметром 32 мм с удельным сопротивлением 60 Ом·см. Их ВАХ при температурах 25°С и 150°С исследованы в диапазоне J до 300 А/см.
(31)max
(32)
инв1
инв2
В таблице приведены значения концентраций N и N, а также J и J для всех партий.
(31)max
(32)
Партия 1 изготовлена со значениями N и Nпо предлагаемому решению.
(31)max
(32)
max
18
-3
15
-3
2
Партия 2 изготовлена с граничными значениями N=5·10 см и N=2·10 см (для J=1000 А/см). На ВАХ этих диодов при температурах 25°С и 150°С также нет участков с ОДС и, соответственно, нет точки обратной инверсии.
(31)max
(32)
Для сравнения изготовлены партии 3 и 4 со значениями Nи N, выходящими за оговоренные предлагаемым решением пределы.
Таблица
Номер партии
N<sub>(3l)max</sub>, см<sup>-3</sup>
N<sub>(32)</sub>, см<sup>-3</sup>
J<sub>инв1</sub>, А/см<sup>2</sup>
J<sub>инв2</sub>, А/см<sup>2</sup>
1
7·10<sup>18</sup>
3·10<sup>15</sup>
60
Точки обратной инверсии не обнаружены. Участков ОДС нет
2
5·10<sup>18</sup>
2·10<sup>15</sup>
57
3
10<sup>17</sup>
3·10<sup>15</sup>
Точки инверсии не обнаружены. Температурная характеристика напряжения отрицательна.
4
5·10<sup>18</sup>
5·10<sup>14</sup>
40
150
S-образные ВАХ
Как видно из таблицы, приборы партий 1 и 2 имеют положительную температурную характеристику.
Приборы партии 3 при всех значениях плотностей токов в исследованной области имеют падение напряжения при 150°С меньше, чем при 25°С, т.е. отрицательную температурную характеристику.
Приборы партии 4 имеют S-образные ВАХ. Структуры партий 3 и 4 не могут использоваться в мощных приборах большой площади или при включении приборов в параллель из-за низкой термостабильности.
(31)max
(32)
Приведенные данные доказывают обоснованность оговоренных в предлагаемом решении пределов значений Nи N.