RU2474926C1 - Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - Google Patents
Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474926C1 RU2474926C1 RU2011138795/28A RU2011138795A RU2474926C1 RU 2474926 C1 RU2474926 C1 RU 2474926C1 RU 2011138795/28 A RU2011138795/28 A RU 2011138795/28A RU 2011138795 A RU2011138795 A RU 2011138795A RU 2474926 C1 RU2474926 C1 RU 2474926C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- zone
- protons
- silicon
- collector
- Prior art date
Links
Landscapes
- Thyristors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, а именно к технологии изготовления динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора, имеющих самозащиту от перенапряжения. Сущность изобретения: способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора с полупроводниковой структурой, содержащей триодную зону р+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной р+-n-р-n+-типа, включает локальное облучение протонами с использованием специального экрана и последующий термический отжиг с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны р+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным p-n-переходом и серединой базового n-слоя, при этом глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hm [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из эмпирических выражений в зависимости от удельного сопротивления исходного кремния, разброса его значений и заданного уровня снижения напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода. Изобретение позволяет снизить трудоемкость процесса регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора и повысить процент выхода годных приборов. 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к технологии регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, а именно к технологии изготовления динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора, имеющих самозащиту от перенапряжения.
Известен способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - тиристора [1] (патент США №5420045, кл. H01L 29/74, публ. 30.05.1995 г.), в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p+-n-p-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p+-n-р-n+-типа, облучают, используя специальные маски, заряженными частицами (протонами или ядрами гелия) с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p+-n-р-типа локальной области с повышенной концентрацией генерационно-рекомбинационных центров (ГРЦ). Границу области с повышенной концентрацией ГРЦ со стороны эмиттерного n+-слоя располагают от поверхности этого слоя на глубине do [мкм], превышающей глубину залегания коллекторного р-n-перехода xjc [мкм]. Значение напряжения переключения прибора UBO [В] регулируют величиной do. При повышении напряжения на приборе ток генерации электронно-дырочных пар в триодной p+-n-p-зоне выше, чем в тиристорной p+-n-р-n+-зоне, что приводит к переключению прибора по аноду в той же области, что и при включении управляющим сигналом, и предотвращает разрушение прибора.
Недостатком описанного способа является низкая температурная стабильность напряжения переключения, так как ток утечки, обусловленный генерацией электронно-дырочных пар на ГРЦ и приводящий к переключению тиристора, очень сильно зависит от температуры (удваивается при повышении температуры через каждые 8÷15°С).
Наиболее близким является способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - тиристора [2] (патент США №4987087, кл. H01L 21/26, публ. 22.01.1991 г.), в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p+-n-р-n+-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя.
Формирование в указанной части базового n-слоя водородсодержащих доноров (ВСД) приводит к уменьшению удельного сопротивления кремния и, соответственно, к снижению напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в пределах триодной зоны p+-n-р-типа. В случае перенапряжения ток лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в этой зоне играет роль внешнего тока управления для окружающей ее тиристорной зоны и приводит к ее переключению.
Данное техническое решение устраняет недостаток описанного выше способа [1]. Однако в [2] отсутствуют соответствующие выражения, позволяющие рассчитать оптимальную глубину залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое hmопт [мкм] и дозу протонов [см-2] в зависимости от среднего значения удельного сопротивления исходного кремния ρnc [Ом·см], максимального относительного его разброса и заданного уровня снижения напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода. Это затрудняет практическую реализацию решения, предложенного в [2], поскольку в каждом случае требуется экспериментальный подбор hmопт и Фnb.
Техническим результатом предлагаемого решения является снижение трудоемкости процесса регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора и повышение процента выхода годных приборов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p+-n-p-n+-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя, глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hm [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из эмпирических выражений:
kвсд - коэффициент, численно равный среднему числу протонов, создающих в кремнии один водородсодержащий донор;
ρnc - численное значение среднего удельного сопротивления исходного кремния, выраженного в Ом·см;
δρn - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: δρn=ρnmax/ρnc-1=1-ρnmin/ρnc; ρnmax и ρnmin - соответственно численные значения максимального и минимального значении удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;
ρne и δρne - соответственно численное значение среднего эквивалентного удельного сопротивления кремния в Ом·см и его максимальный относительный разброс;
kн - коэффициент, равный отношению напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода после облучения Vbr [В] к напряжению его лавинного пробоя до облучения Vbro [В].
Среднее, максимальное и минимальное значения удельного сопротивления исходного кремния ρnc, ρnmax и ρnmin определяются по площади исходной кремниевой пластины.
Признаком, отличающим данное техническое решение от прототипа, является то, что глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hmопт [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из выражений (1) и (2) с учетом (3), (4) и (5).
Известных технических решений с таким признаком не обнаружено.
Технический результат достигается тем, что:
1. При глубине залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое hm, равной hmопт, имеет место наиболее эффективное снижение Vbr при заданной дозе протонов, причем эффективность снижения Vbr уменьшается не более чем на 10% при изменении отношения hm/hmопт в интервале, оговоренном в выражении (1). Таким образом, выбор значения hm в соответствии с выражением (1) с учетом (3) позволяет при заданном значении kн использовать минимальную необходимую дозу протонов, то есть минимизировать длительность весьма дорогостоящего процесса протонного облучения. Кроме того, упрощается сам процесс облучения, так как не требуется жесткого соблюдения условия hm=hmопт.
2. Выбор дозы протонов в соответствии с выражением (2) с учетом (4) и (5), по меньшей мере, сокращает затраты на экспериментальный подбор дозы протонов для регулирования напряжения переключения силовых полупроводниковых приборов (СПП), изготовленных на основе пластин кремния с известными значениями среднего удельного сопротивления и его разброса. Более того, при высоком уровне технологии изготовления СПП, когда фактические значения их напряжений переключения практически совпадают с расчетными, данный способ позволяет облучать полупроводниковые структуры СПП до завершения процесса их изготовления, в частности до травления, очистки и пассивации их краевых фасок. Это снимает ограничение на температуру отжига структур после облучения и исключает брак, который имеет место при отжиге готовых структур вследствие изменения свойств пассивирующих покрытий фасок.
Приведенные эмпирические выражения для выбора глубины залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое и дозы протонов в зависимости от удельного сопротивления кремния, его разброса и заданного значения коэффициента kн получены на основе численных расчетов и многочисленных экспериментов.
На чертеже в качестве примера показана полупроводниковая структура СПП, изготавливаемая по предлагаемому способу.
Полупроводниковая структура 1 содержит анодный р+-слой 2, базовый n-слой 3 и базовый р-слой 4, образующие с кольцевыми эмиттерными n+-слоями 5 и 6 соответственно первую (вспомогательную) и вторую (основную) тиристорные зоны p+-n-р-n+-типа, окружающие триодную зону А p+-n-р-типа. Базовый n-слой 3 образует с анодным р+-слоем 2 анодный p+-n-переход 7, а с базовым р-слоем 4 - коллекторный р-n-переход 8. Эмиттерный n+-слой 6 образует с базовым р-слоем эмиттерный n+-р-переход 9 основной тиристорной зоны. Прибор содержит омические контакты 10, 11, 12 и 13 соответственно к анодному p+-слою, к эмиттерным n+-слоям 5, 6 и к р-слою триодной зоны А. Углы β и γ краевой фаски равны примерно 60°. Такой профиль краевой фаски исключает поверхностный пробой при обратном смещении коллекторного р-n-перехода, обеспечивая тем самым максимально возможные значения напряжения лавинного пробоя этого р-n-перехода (защитное покрытие краевого профиля и шунтировка эмиттерного n+-р-перехода основной тиристорной зоны на рисунке не показаны).
В качестве примера реализации предлагаемого способа проведено регулирование напряжения переключения прибора, полупроводниковая структура которого показана на чертеже. Диаметр полупроводниковой структуры был равен 24 мм. Приборы изготавливались по традиционной диффузионной технологии, используемой в отечественном производстве силовых полупроводниковых приборов. На одной кремниевой пластине диаметром 82 мм изготавливалось 7 приборов.
После изготовления приборы подвергались локальному облучению протонами и последующему термическому отжигу при температуре 270°С в течение 4 ч, что приводило к созданию в базовом n-слое в пределах триодной зоны А p+-n-р-типа области 14 (см. чертеж) с водородсодержащими донорами, максимум концентрации которых располагался на расстоянии hm от плоскости коллекторного р-n-перехода.
Всего было исследовано 7 вариантов реализации предлагаемого изобретения. Отличительные особенности вариантов и результаты их реализации представлены в табл.1.
Как следует из таблицы, исследованные варианты реализации предлагаемого изобретения можно подразделить на 3 группы. К первой группе относятся варианты 1 и 3, в которых доза протонов Фnb выбиралась в зависимости от среднего значения удельного сопротивления исходного кремния ρnc при hm=hmoпт, δρn=0,03 и kн=0,9. Ко второй группе относятся варианты 2, 4 и 5, которые отличались между собой только значением hm. Здесь доза протонов сохранялась неизменной. И, наконец, к третьей группе относятся варианты 6 и 7, в которых доза протонов выбиралась в зависимости от значения коэффициента kн при ρnc=200 Ом·см, δρn=0,05 и hm=hmoпт. При расчетах дозы протонов коэффициент kвсд в соответствии с экспериментальными данными был принят равным 7.
Таблица 1 | |||||||||
Номер варианта | ρnc, Ом·см | δρn | kн | hmопт, мкм | hm/hmопт | Фnb, 1012 см-2 | Vbro, В | Vbr, В | kнэ=Vbr/Vbro |
1 | 100 | 0,03 | 0,9 | 76 | 1 | 1,1 | 2790 | 2470 | 0,885 |
2 | 200 | 0,03 | 0,9 | 124 | 1 | 0,96 | 4680 | 4160 | 0,889 |
3 | 350 | 0,03 | 0,9 | 188 | 1 | 0,9 | 7140 | 6520 | 0,913 |
4 | 200 | 0,03 | 0,9 | 124 | 0,6 | 0,96 | 4680 | 4320 | 0,923 |
5 | 200 | 0,03 | 0,9 | 124 | 1,5 | 0,96 | 4680 | 4305 | 0,92 |
6 | 200 | 0,05 | 0,9 | 124 | 1 | 1,15 | 4605 | 4070 | 0,884 |
7 | 200 | 0,05 | 0,95 | 124 | 1 | 0,8 | 4605 | 4330 | 0,94 |
В последних трех столбцах табл.1 приведены значения напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода до облучения (Vbro), после облучения протонами (Vbr) и их отношение, представляющее собой экспериментальное значение коэффициента kн (kнэ). Видно, что даже в случае вариантов 4 и 5 значения коэффициента kнэ отличаются от заданного значения коэффициента kн=0,9 менее чем на 3%, и даже от значения kнэ в случае варианта 2 - менее чем на 4%.
В заключение заметим, что прибор, представленный на фигуре, без внешнего управляющего вывода представляет собой динистор, а с внешним управляющим выводом, контактирующим с металлизацией 13 триодной зоны А, - тиристор. Этот же прибор с фотоокном вместо металлизации 13 триодной зоны А представляет собой фототиристор.
Источники информации
1. Патент США №5420045, кл. H01L 29/74, публ. 30.05.1995 г.
2. Патент США №4987087, кл. H01L 21/26, публ. 22.01.1991 г. (прототип).
Claims (1)
- Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону р+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной р+-n-р-n+-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны р+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя, отличающийся тем, что глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hm [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из выражений:
kвсд - коэффициент, численно равный среднему числу протонов, создающих в кремнии один водородсодержащий донор;
ρnc - численное значение среднего удельного сопротивления исходного кремния, выраженного в Ом·см;
δρn - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: δρn=ρnmax/ρnc-1=1-ρnmin/ρnc; ρnmax и ρnmin - соответственно численные значения максимального и минимального значений удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;
ρne и δρne - соответственно численное значение среднего эквивалентного удельного сопротивления кремния в Ом·см и его максимальный относительный разброс;
kн - коэффициент, равный отношению напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода после облучения Vbr [В] к напряжению его лавинного пробоя до облучения Vbro [В].
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011138795/28A RU2474926C1 (ru) | 2011-09-21 | 2011-09-21 | Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011138795/28A RU2474926C1 (ru) | 2011-09-21 | 2011-09-21 | Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2474926C1 true RU2474926C1 (ru) | 2013-02-10 |
Family
ID=49120588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011138795/28A RU2474926C1 (ru) | 2011-09-21 | 2011-09-21 | Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2474926C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187991U1 (ru) * | 2018-11-22 | 2019-03-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Динистор с наносекундным быстродействием |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0316881A2 (de) * | 1987-11-20 | 1989-05-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Thyristor mit einstellbarer Kippspannung |
US4987087A (en) * | 1988-05-19 | 1991-01-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Process for manufacturing a thyristor with proton irradiation |
EP0423721A2 (en) * | 1989-10-16 | 1991-04-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device with overvoltage protective function and method of fabricating such device |
WO1992017907A1 (de) * | 1991-03-27 | 1992-10-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Thyristor mit einstellbarer kippspannung und verfahren zu seiner herstellung |
EP0651446A2 (en) * | 1993-10-28 | 1995-05-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | GTO thyristor |
RU2119211C1 (ru) * | 1996-03-13 | 1998-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Электровыпрямитель" | Способ регулирования величины напряжения в открытом состоянии тиристоров и диодов |
-
2011
- 2011-09-21 RU RU2011138795/28A patent/RU2474926C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0316881A2 (de) * | 1987-11-20 | 1989-05-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Thyristor mit einstellbarer Kippspannung |
US4987087A (en) * | 1988-05-19 | 1991-01-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Process for manufacturing a thyristor with proton irradiation |
EP0423721A2 (en) * | 1989-10-16 | 1991-04-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device with overvoltage protective function and method of fabricating such device |
WO1992017907A1 (de) * | 1991-03-27 | 1992-10-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Thyristor mit einstellbarer kippspannung und verfahren zu seiner herstellung |
EP0651446A2 (en) * | 1993-10-28 | 1995-05-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | GTO thyristor |
RU2119211C1 (ru) * | 1996-03-13 | 1998-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Электровыпрямитель" | Способ регулирования величины напряжения в открытом состоянии тиристоров и диодов |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187991U1 (ru) * | 2018-11-22 | 2019-03-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Динистор с наносекундным быстродействием |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9870923B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device | |
US10176986B2 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
JP5104314B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
CN107251205B (zh) | 半导体装置和半导体装置的制造方法 | |
EP2980856B1 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2019106544A (ja) | 半導体装置 | |
KR100964153B1 (ko) | 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지 | |
KR101745437B1 (ko) | 바이폴라 넌-펀치-쓰루 전력 반도체 디바이스 | |
CN106601826B (zh) | 一种快恢复二极管及其制作方法 | |
DE112013002031T5 (de) | Halbleitervorrichtung und Halbleitervorrichtungsherstellungsverfahren | |
JPH01258476A (ja) | 高耐圧半導体装置の製造方法 | |
CN109994383A (zh) | 半导体器件和用于形成半导体器件的方法 | |
US20140117406A1 (en) | Reverse blocking mos semiconductor device and manufacturing method thereof | |
CN103035745B (zh) | 采用刻槽工艺形成的恒流二极管及其制造方法 | |
RU2474926C1 (ru) | Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора | |
US20200119173A1 (en) | Advanced field stop thyristor structure and manufacture methods | |
CN106558624B (zh) | 一种快速恢复二极管及其制造方法 | |
CN103794645B (zh) | Igbt器件及其制作方法 | |
US8993372B2 (en) | Method for producing a semiconductor component | |
WO2011058035A2 (en) | Punch-through semiconductor device and method for producing same | |
JPS61231776A (ja) | 光検知半導体装置 | |
RU2783629C1 (ru) | Стабилитрон на структуре "кремний на изоляторе" | |
CN109148557A (zh) | 超结器件及其制造方法 | |
JPH02278882A (ja) | 光センサの製造方法 | |
RU155167U1 (ru) | Высокотемпературный радиационно-стойкий карбид кремниевый детектор ультрафиолетового излучения |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140922 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160220 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170922 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180912 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200922 |