СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD OF VOLTAGE LIMITERS MANUFACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области конструирования и производства мощных кремниевых ограничителей напряжения (защитных диодов), преимущественно с напряжениями пробоя от 3 до 15 В, предназначенных для защиты электронных компонентов - интегральных микросхем и полупроводниковых приборов в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) от воздействия мощных импульсных электрических перенапряжений различного рода, - коммутационного характера, действия электростатического разряда или наведенных в электрических сетях вследствие грозовых разрядов, или, например, электромагнитных воздействий ядерного взрыва.
Уровень техники
18
20
-3
Кремниевые ограничители напряжения - силовые защитные полупроводниковые приборы (ППП), способные выдерживать неоднократное воздействие мощных импульсов тока (напряжения) без деградации собственных электрических характеристик, что характеризуется, в первую очередь, возрастанием обратного тока (ток утечки) p-n-перехода, лежащего в основе таких приборов. Устойчивость ППП к воздействию таких импульсов тем больше, чем глубже залегание p-n-перехода в кремниевом кристалле. Для силовых приборов достаточной глубиной залегания p-n-переходов следует считать глубину не менее 10 мкм [1]. Относительно высоковольтные p-n-переходы силовых ППП с напряжением пробоя свыше 10…15 Вольт изготавливаются либо длительной высокотемпературной диффузией фосфора или бора в кремний, соответственно n- или p-типа проводимости, или способом толстослойной эпитаксии, что позволяет получать p-n-структуры с практически любой требуемой глубиной залегания p-n-перехода. Для низковольтных p-n-переходов с напряжением пробоя менее 10 В получение таких p-n-структур в кремнии - достаточно серьезная технологическая проблема в связи с тем, что низковольтные p-n-переходы необходимо формировать в сильно легированном кремнии с концентрацией базовой примеси на уровне 10…10 см. Причем необходимо использовать легирующую (компенсирующую) примесь с соответствующей высокой предельной растворимостью и, в соответствии с присущим ей коэффициентом диффузии, выбирать специальные режимы (температура, время) диффузии, обеспечивающие требуемые характеристики силового p-n-перехода, в частности глубину его залегания. Фосфор и бор отличаются недостаточной для требуемого уровня предельной растворимостью в кремнии. Техника толстослойной эпитаксии в России также не обеспечивает получение качественных p-n-структур с напряжением пробоя ниже ~15 Вольт.
Задача настоящего изобретения - создание способа изготовления низковольтных ограничителей напряжения на основе кремниевых p-n-структур (кристаллов) с напряжениями пробоя от 3 до 15 В с p-n-переходами, залегающими на достаточной для силовых ППП глубине, т.е. на глубине не менее 10 мкм.
Раскрытие сущности изобретения
Имеются значительные технологические проблемы получения мощных низковольтных ограничителей напряжения - защитных диодов. В основном это касается ограничителей напряжения с напряжением пробоя ниже ~15 В и особенно - ниже ~6 В. Достаточно привести пример значений основных электрических параметров серий выпускаемых в мире ограничителей напряжения, представленных в Data Sheets практически всех зарубежных фирм - производителей мощных (более 0,5 кВт) ограничителей напряжения (transient voltage suppressors) [2, 3]. Все эти серии начинаются с номинала с напряжением пробоя 6.8 В и в основе конструкции таких ограничителей напряжения лежит один кремниевый кристалл (кремниевая p-n-структура). Работа таких однокристальных ограничителей напряжения основана на эффекте обратимого электрического пробоя обратно смещенных p-n-переходов. Соответственно, p-n-структуры в конструкциях таких ограничителей напряжения в рабочем положении ориентированы в обратном направлении вольт-амперной характеристики (ВАХ) относительно импульса электрической перегрузки, защитой от которого они служат.
18
-3
Проблемы получения низковольтных, с напряжением пробоя от 3 до 15 В, однокристальных ограничителей напряжения обусловлены в основном тем, что p-n-переход в кристалле силовых полупроводниковых приборов, каковыми являются ограничители напряжения и которые по своему предназначению должны многократно ограничивать напряжение перегрузки и рассеивать (отводить) мощности импульсных воздействий значительной величины, в частности, порядка от 0,5 до 5,0 кВт, что характерно для наиболее распространенных типов ограничителей напряжения, должен быть расположен на как можно большей глубине, минимум - на глубине (Xj) порядка 10 мкм [1]. В случае низковольтных ограничителей - в сильно легированном кремнии, т.е. с концентрацией базовой примеси (Nx) на уровне и выше 1⋅10 см. Создать p-n-переход, т.е. перекомпенсировать базовую легирующую примесь такой величины и до такой глубины общепринятыми способами и с применением типичных легирующих примесей - фосфора или бора практически невозможно.
Известна фирма, презентующая производство 1,5 кВт-ных ограничителей напряжения с Unpo6 ниже 6,8 В, а именно ограничителей напряжения с Uпроб 6,2 В, предназначенных для защиты РЭА с напряжением питания 5 В [4]. Примечательно, что эти ограничители представлены вне типового ряда серий ограничителей, начинающихся с номинала 6,8 В, что, очевидно, свидетельствует о неких особенностях технологии их производства. Информация об этих технологиях в свободном доступе отсутствует. Известно только, что это - также однокристальные приборы, в основе конструкции которых - кремниевые p-n-структуры, работающие на эффекте обратимого электрического пробоя при воздействии импульсного перенапряжения на обратно смещенный p-n-переход.
19
-3
Для формирования сверхнизковольтных p-n-структур, т.е. с напряжением пробоя менее 6 В, предназначенных для защиты РЭА с напряжениями питания менее 5 В, например, 3 В, необходим кремний с концентрацией базовой примеси более 10 см, что находится практически на пределе уровня легирования кремния. Для перекомпенсации базовой примеси такого уровня, т.е. для создания сверхнизковольтных p-n-переходов, требуется легирующая примесь противоположного типа проводимости, предельная растворимость которой в кремнии на один-два порядка выше концентрации базовой легирующей примеси, а условия формирования низковольтного p-n-перехода ограничителя напряжения диффузией должны обеспечивать предельно высокие концентрации компенсирующей примеси на глубине до и более 10 мкм. Анализ известных методов формирования p-n-структур: диффузия в газовой фазе, диффузия из стеклообразующих пленок, из твердых источников, выявляет определенные ограничения по удовлетворению требований к технологии получения низковольтных силовых p-n-структур по обеспечению предельно высокой поверхностной концентрации легирующей примеси и значительной глубины залегания p-n-переходов. Получение силовых p-n-структур с напряжением пробоя от 6 В и более и ограничителей напряжения на их основе является практически пределом возможностей этих технологий.
Отечественное производство эпитаксиальных p-n-структур обеспечивает получение силовых р-n-структур с воспроизводимым минимальным напряжением пробоя лишь порядка 15 В.
Прогрессивный метод ионного легирования также не обеспечивает требования к низковольтным p-n-структурам силовых полупроводниковых приборов: получение достаточно высоких уровней легирования и достаточных глубин залегания p-n-переходов, - даже при предельно достижимых в настоящее время энергиях и дозах легирования
Наиболее близким по достигаемой цели, т.е. получения низковольтных, в том числе с напряжениями пробоя ниже 6,0 В, кремниевых ограничителей напряжения, который можно считать прототипом, является способ изготовления низковольтных ограничителей на основе принципа последовательного соединения определенного количества кремниевых p-n-структур, ориентированных, в рабочем положении, в прямом направлении вольт-амперной характеристики (ВАХ).
Производитель низковольтных ограничителей, использующий этот принцип, - фирма General Semiconductor Industries, Inc. [5]: серия 1,5 кВт-ных ограничителей напряжения типов от GHV-2 до GHV-16 (напряжения пробоя от 1.33 В до 10.7 В) с симметричной ВАХ. Многокристальная конструкция ограничителей этого рода представляет собой два, включенных навстречу друг другу "столба" из ряда соединенных последовательно кремниевых p-n-структур, ориентированных в прямом направлении ВАХ. Результирующее напряжение пробоя таких низковольтных ограничителей есть, таким образом, сумма падений прямых напряжений ряда p-n-переходов, смещенных в прямом направлении. Значение величины падения прямого напряжения каждого из таких p-n-переходов находится на уровне от 0,6 В до 0,7 В. Т.е., например, конструкция каждого из "столбов" ограничителя напряжения на основе прямосмещенных кремниевых p-n-структур с напряжением пробоя 3,3 В включает пять диодных кристаллов, конструкция с напряжением пробоя 6,7 В - десять кристаллов. Два встречно включенных "столба" - вдвое большее количество кристаллов.
Идентичный принцип используется отечественными производителями при конструировании сверхнизковольтных стабилитронов (стабисторов) с напряжениями стабилизации 0.7 В, 1.3 В, 1.9 В - стабисторы 2С107А, 2С113А, 2С119А [6].
-8
-12
Недостатки конструкции и технологии изготовления мощных низковольтных ограничителей напряжения на основе способа последовательной сборки кристаллов с прямосмещенными p-n-переходами (GHV-2÷GHV-16 Series [5]) - многокристальность конструкции, т.е. высокая себестоимость прибора и низкая его эксплуатационная надежность. Быстродействие таких ограничителей напряжения, характеризуемое временем включения 1⋅10 с, также значительно уступает быстродействию однокристальных ограничителей, время включения которых ~1⋅10 с, работающих на эффекте физического обратимого пробоя p-n-перехода, что, с точки зрения эффективности защиты электронного оборудования от импульсных электрических перегрузок, имеет весьма существенное значение.
Задача настоящего изобретения - создание способа изготовления низковольтных ограничителей напряжения на основе кремниевых p-n-структур (кристаллов) с напряжениями пробоя от 3 В до 15 В с p-n-переходами, залегающими на достаточной для силовых приборов глубине - более 10 мкм.
20
-3
17
-3
Указанная задача решается тем, что предложен способ изготовления ограничителей напряжения с напряжениями пробоя от 3 В до 15 В (фиг.), содержащих базовые кристаллы 1 легированного кремния с созданными в них p-n-переходами 2, состоящими из p-слоев 3, легированных примесью p-типа проводимости, и n - слоев 4, легированных примесью n-типа проводимости, диэлектрической защиты p-n-переходов 5 и металлических омических контактов 6, металлических теплоотводов 7, металлических выводов 8 и герметичных корпусов 9, по которому, базовые кристаллы 1 выполнены из кремния, легированного примесью p-типа проводимости - бором с концентрацией от 2⋅10 см до 4⋅10 см, соответствующей удельному сопротивлению кремния от 0.001 Ом⋅см до 0.1 Ом⋅см, а р-n-переходы 2 в базовых кремниевых кристаллах 1 формируют длительной высококонцентрационной диффузией мышьяка из бесконечного источника в эвакуированной кварцевой ампуле при температуре ~1150°С в течение времени от 8 до 48 часов.
Краткое описание чертежей
На чертеже изображена схема конструкции однокристального ограничителя напряжения:
1 - базовый кристалл; 2 - p-n-переход; 3 - p-слой; 4 - n-слой; 5 диэлектрическая защита; 6 - металлический омический контакт; 7 - металлический теплоотвод; 8 - металлический вывод; 9 - герметичный корпус.
Осуществление изобретения
Пример.
v
x
j
20
-3
16
-3
На основе кремниевых пластин p-типа проводимости с удельными сопротивлениями (R) в диапазоне от 0.001 Ом⋅см до 0.07 Ом⋅см (концентрации базовой примеси (N) - бора соответственно в диапазоне от 1⋅10 см до 2⋅10 см в режимах диффузии при температуре 1150°С в течение времени 8, 24, 48 ч изготовлены образцы ограничителей напряжения с напряжениями пробоя от 3.3 В до 15 В и глубинами залегания (X) от 9 до 16 мкм (таблица 1).
Проведены сравнительные исследования образцов ограничителей напряжения с напряжением пробоя 5.4 В, изготовленных по предлагаемому способу, и образцов ограничителей напряжения GHV-6 фирмы General Semiconductor Industries, Inc. [5] с аналогичным напряжением пробоя (5.4 В).
В таблице 2 приведены экспериментальные значения основных функциональных параметров исследованных ограничителей напряжения - напряжения пробоя (Uпроб), напряжения ограничения (Uогр.и), коэффициента ограничения (Когр.и=Uогр.и/Uпроб), предельно допустимого импульсного тока (Iогр.и.max), свидетельствующие превосходство низковольтных ограничителей напряжения, изготовленных по предлагаемому способу по сравнению с зарубежными аналогами. Параметры Uогр.и, Когр.и характеризуют величину остаточного перенапряжения, т.е. эффективность защиты электронных компонентов от импульсных электрических перегрузок [7].
Литература
1. Лаев С.А. Исследование лавинного пробоя кремниевых p-n- и p-n-p-структур в широком диапазоне напряжений и токов и разработка мощных ограничителей напряжения и стабилитронов. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Всесоюзный электротехнический институт им. В.И. Ленина. - Москва 1973, 148 с.
2. Data Sheet. 1500 Watt Unidirectional and Bidirectional Transient Voltage Suppressors. M1.5KE6.8A ÷ M1.5KE400CA Series, Microsemi Corporation, - Rev. E 11/15/2013, p. 1-7.
3. Data Sheet. 1500 Watt Peak Power Zener Transient Voltage Suppressors 1.5SMC6.8AT3 ÷ 1.5SMC91AT3 Series, ON Semiconductor, Rev.7, 2007, p. 1-8.
4. Data Sheet. 1500 Watt Low Voltage Transient Voltage Suppressors 1N5907, 1N5908, Microsemi Corporation, Rev. A, 2003, p. 1-3.
5. Data Sheet. Biderectional Surge Suppressors GHV-2 ÷ GHV-16 Series, General Semiconductor Industries, Inc. 2003, p. 1-3.
6. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982. - 744 с.
7. Кадуков Андрей "TVS-диоды - полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений в электронных цепяхʺ//Компоненты и Технологии, №10, 2001, с. 32-36.