Розширення області безпечної роботи потужних напівпровідникових приладів з об'ємними ділильними шарами

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.382.2/.3

РОЗШИРЕННЯ ОБЛАСТІ БЕЗПЕЧНОЇ РОБОТИ ПОТУЖНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ З ОБ'ЄМНИМИ ДІЛИЛЬНИМИ ШАРАМИ

05.27.01 - Твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МУРЗІН ДМИТРО ГЕННАДІЙОВИЧ

Київ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електронної техніки Севастопольського національного технічного університету.

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор, Гусєв Володимир Олександрович, Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри електронної техніки

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, с. н. с., Вербицькій Володимир Григорович, Інститут мікроприладів НАН України, директор інституту;

Доктор фіз.-мат. наук, професор, Романюк Борис Миколайович, інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться «2» червня 2009 р. о 16-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.08 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп.12, аудиторія 412

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «30» квітня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.002.08 В. Г. Артюхов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасна енергетична електроніка пред'являє жорсткі вимоги до електронних ключів по забезпеченню швидкодії, високого рівня робочої напруги і струмів, та малих енергетичних витрат. У якості швидкодіючих напівпровідникових ключів широке застосування у силовій електроніці отримали потужні біполярні транзистори (ПБТ), МДН -- транзистори, транзистори і тиристори із статичною індукцією (SIT) і біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), тиристор GTO (Gate Turn-off Thyristor) і тиристор, що замикається, з жорсткою комутацією та інтегрованим драйвером IGCT (Integrated Gate-commutated Thyristor).

Будучи неідеальними електричними комутаторами, потужні напівпровідникові прилади (ПНП) споживають енергію при роботі, таким чином зменшуючи ефективність системи. Тому забезпечення низького опору відкритого стану, зменшення комутуючих втрат, забезпечення необхідної пробивної напруги і необхідної області безпечної роботи (ОБР) є найбільш важливими завданнями.

Актуальність теми. Загальною проблемою застосування ПНП є те, що традиційні структури не дозволяють реалізувати всю сукупність необхідних електричних параметрів ПНП, оскільки це завдання пред'являє суперечливі вимоги її реалізації і засоби, що приймаються для підвищення максимальної пробивної напруги структури та ОБР, приводять до обмеження швидкодії і мінімальної постійної прямої напруги.

Перспективним напрямом зняття суперечностей між вимогами забезпечення малого падіння напруги відкритого ключа і високої пробивної напруги у комутаційних приладах в даний час є інтеграція позитивних властивостей окремих елементів в одному приладі. Так, IGBT є симбіозом швидкодіючого МДН - транзистора з біполярним транзистором, у якого низький коефіцієнт передачі струму, що забезпечує модуляцію провідності високоомного тіла стоку та дозволяє в (1,5…3) раз знизити статичні втрати у включеному стані за рахунок зниження швидкодії. Підвищена стійкість IGBT до перевантажень по потужності пояснюється квазірівномірним розподілом електричного полю у дрейфовій n-^-області унаслідок нейтралізації заряду електронів зарядом рухомих дірок порівняльної концентрації. Аналогічно досягається зниження статичних втрат в SIT-тиристорах за рахунок модуляції провідності каналу струмом інжекції прямозміщеного p-n переходу.

Розробка більш складних структур і конструкцій ПНП також дозволяє отримати прилади з оптимальним співвідношенням пробивної напруги, опору у відкритому стані і швидкодії, високовольтні імпульсні діоди з гетерогенною по рекомбінаційних властивостях базою, польові транзистори багатоелементного типу (COOLMOS^TM), структури з об'ємними локальними областями протилежного типу провідності в тілі високоомного стоку.

Таким чином, розробка нових структур ПНП, що забезпечують обмеження фізичних процесів, що ініціюють неоднорідність струморозподілення і напруженості електричного поля із збереженням швидкодії та малих енергетичних втрат, як в стаціонарному, так і в динамічному режимі визначає актуальність досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами:

Підготовка дисертаційної роботи пов'язана з виконанням науково-дослідних робіт на кафедрі електронної техніки факультету радіоелектроніки Севастопольського національного технічного університету у період з 2002-2008.

Основні результати роботи отримані в процесі виконаних науково-дослідних робіт за планами Міністерства освіти та науки України «Дослідження перехідних процесів у високовольтних напівпровідникових приладах перетворювальної техніки» - номери державної реєстрації №0199U00780 (2002-2004 рр.), №0104U010187(2005-2007 рр.) та госпдоговірних робіт «Розробка вторинних джерел живлення в інтегральному виконанні підвищеної надійності» - №0104U005197, №0107U003775( 2005-2007 рр.), присвячені питанням розробки і дослідженням характеристик потужних напівпровідникових приладів.

Мета і задачі дослідження. Мета даної дисертаційної роботи полягає в розробці теоретичних положень і експериментальних досліджень, спрямованих на розширення області безпечної роботи ПНП за рахунок поліпшення рівномірності розподілу напруженості електричного поля та густини струму в структурі ПНП із об'ємним ділильним шаром (ОДШ) при збереженні швидкодії й малих енергетичних втрат, як у стаціонарному, так і в динамічному режимі.

Для досягнення мети роботи були поставлені наступні задачі дослідження:

Аналіз сучасних конструктивних методів підвищення граничної напруги та області безпечної роботи потужних кремнієвих приладів.

Розробка моделі розподілу поля і потенціалу для модельної структури з нескінченно тонкими сильнолегованими p+-елементами.

Розробка моделі розподілу електричного поля в структурі діода Шоттки з ОДШ, та біполярного транзистора з ОДШ в області колектора.

Розробка математичної моделі розподілу густини струму емітера потужного біполярного транзистора при запиранні і одержання зв'язку максимально припустимої динамічної напруги з параметрами структури в ключовому режимі. транзистор напруга кремнієвий біполярний

Експериментальні дослідження статичних та динамічних параметрів і області безпечної роботи конструкцій потужних біполярних транзисторів з об'ємним ділильним шаром.

Об'єктом досліджень є потужні напівпровідникові прилади з розширеною областю безпечної роботи.

Предметом досліджень є фізико-конструктивні методи розширення області безпечної роботи ПНП в стаціонарному та динамічному режимах.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань використовувалися основні закономірності фізики напівпровідникових приладів, аналітичні методи математичного моделювання фізичних процесів в напівпровідниках, методи чисельного моделювання і статистичної обробки результатів експериментів з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розширення області безпечної роботи потужних напівпровідникових приладів, вперше отримані наступні наукові результати:

1. Отримано одномірне наближення вирішення рівняння Пуассона для модельної структури з нескінченно тонкими сильнолегованими p+- елементами, вбудованими в низьколеговану n-базу.

2. Розроблена фізико-математична модель розподілу поля та потенціалу у діоднії структурі з об'ємним ділильним шаром, що встановлює взаємозв'язок між місцеположенням сітки в базі і граничною напругою пробою в структурі з ОДШ.

3. Розвинена аналітична фізико-математична модель розподілу густини струму емітера та встановлений зв'язок між максимальною динамічною напругою і параметрами структури в перехідному режимі дозволили визначити основні напрямки по вдосконалюванню структури транзистора з метою забезпечення максимальної динамічної області безпечної роботи потужного біполярного транзистора.

4. Досліджений вплив локальних рекомбінаційних областей, створених опромінюванням альфа-частками, на підвищення швидкодії високовольтних транзисторних структур з ОДШ.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

· створення методу розширення статичною і динамічною ОБР ПНП шляхом реалізації об'ємних ділильних шарів в області приладу, що блокує напругу.

· поєднання технології локального впливу іонами He⁺⁺ та структури з об'ємними ділильними шарами дозволила отримати оптимальну сукупність параметрів потужного напівпровідникового ключа.

· встановленій зв'язку між динамічною ОБР, параметрами структури при вимиканні, що дозволяє рекомендувати оптимальні структури для розробки потужних високовольтних біполярних транзисторів з максимальними граничними характеристиками.

· за результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблені потужні біполярні транзистори з об'ємними ділильними шарами та локальними рекомбінаційними областями в колекторі, забезпечили підвищення граничних напруг колектор-емітер в (1,7-2) рази і швидкодії в 2 рази в порівнянні із транзисторами з традиційною структурою і однаковою площею кристала.

Приведені в дисертаційній роботі результати теоретичних і експериментальних досліджень, були упроваджені в учбовий процес в Севастопольському національному технічному університеті по дисциплінам «Твердотільна електроніка», «Фізика напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем», що підтверджене актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень електрофізичних властивостей n-p-n структур з ОДШ. Здобувачу належать формулювання та вибір шляхів розв'язання задач, теоретичне обґрунтування отриманих результатів, вибір методів та засобів дослідження діодних та транзисторних структур з ОДШ.

В роботах [1-5,8,13] автором розроблена фізико-математична модель одномірного розподілу поля і потенціалу в діодній структурі з ОДШ, отримано взаємозв'язок між розташуванням ОДШ і граничною напругою пробою структури, та розроблено моделі розподілу електричного поля в структурі діода Шоттки з ОДШ і біполярного транзистора з ОДШ в області колектора. В роботах [7,10,12,14] автором запропонована модель динамічної області безпечної роботи потужного біполярного транзистора, отримано розподіл густини струму емітера потужного біполярного транзистора при перемиканні та взаємозв'язок максимально допустимої динамічної напругі з параметрами структури та режимом роботи біполярного транзистора в ключовому режимі. В роботі [15] автором запропонований метод введення ОДШ в структуру ПНП, розроблена технологічна схема виготовлення ПНП з ОДШ. В роботах [1,3-6,8,10-12] автором проведені експериментальні дослідження впливу ОДШ на поширення області безпечної роботи різних конструкцій потужних біполярних транзисторів з ОДШ та впливу локальних рекомбінаційних областей на підвищення швидкодії високовольтних транзисторних структур з ОДШ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи увійшли до збірок наукових робіт:

· матеріали міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих учених «Молодь і сучасні проблеми радіотехніки РТ-2005» 24-29 квітня 2005 р., Севастополь;

· матеріали 9-го Міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті» 19-21 квітня 2005 р.;

· матеріали міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих учених «Молодь і сучасні проблеми радіотехніки РТ-2007» 24-29 квітня 2007 р., Севастополь;

· матеріали 10-го Міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті» 10-12 квітня 2006 р.;

· матеріали 11-го Міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті» 10-12 квітня 2007 р.;

· матеріали 3-ої міжнародної молодіжної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікації «РТ-2007», м. Севастополь, 16-21 квітня 2007 р.;

· матеріали 12-го Міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті» 1-3 квітня 2008 р.;

· у науково-технічних семінарах в університеті СевНТУ кафедри електронної техніки.

Публікації. Зміст дисертації опублікований у 15 наукових працях, з них 9 профільно-фахових виданнях, рекомендованих Вищою атестаційною комісією України для публікації матеріалів дисертаційних робіт.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з введення,6 розділів, висновку, списку літератури і публікацій. Робота містить 150с., зокрема 110с. тексту, 77 малюнків, 3 таблиць, бібліографія з 223 найменувань на 11с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні визначено місце дослідження в загальній проблемі, обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані: мета, задачі, об'єкт, предмет, методи дослідження, викладено наукову новизну, обґрунтовано достовірність та практичне значення одержаних результатів, відомості про особистий внесок здобувача, апробацію та публікації основних результатів дисертації, стисло розкритий зміст дисертаційної роботи.

У розділі 1 розглянуті тенденції розвитку та модифікації конструкцій ПНП, проведений аналіз сучасних літературних джерел по питаннях, пов'язаних з темою дисертаційної роботи.

Відмічено, що для ПНП важливо забезпечити максимальні можливі значення ряду параметрів (вихідної потужності та робочого струму, граничної частоти, коефіцієнта посилення по потужності) та мінімальні можливі значення активних втрат потужності, визначених параметрами (напруга насичення, теплового опору, ємкостей колекторного і емітерного переходів, індуктивності емітерного виводу). Ряд параметрів, таких як: робоча напруга, максимально допустима напруга, статичний коефіцієнт передачі струму, повинні мати деякі оптимальні значення, визначені вимогами до решти характеристик приладу. Вимоги до перерахованих параметрів знаходяться в суперечності один з одним і при створенні потужних імпульсних транзисторів необхідно проводити їх оптимізацію. Відмічено, що для потужних високовольтних напівпровідникових приладів, які використовуються в комутаційних системах, потрібно, з одного боку, забезпечення високої пробивної напруги і області безпечної роботи, з іншого боку - забезпечення великих швидкостей перемикання і малого прямого падіння напруги відкритого ключа.

Визначено, що один з основних напрямків розширення ОБР як в прямому, так і зворотному зсуві емітерного p-n переходу, полягає у забезпеченні малого і стабільного у часі теплового опору Rт_. Наступною по важливості мірою є реалізація необхідного відношення периметра емітера до площі бази для рівномірного розподілу струму колектора і потужності в режимі перемикання. Інший спосіб забезпечення рівномірності розподілу струму полягає у впровадженні в емітерні смужки баластних опорів, або використання багатоемітерной структури, як у СВЧ, - транзисторах. Для ключових транзисторів застосовуються вбудовані в емітерні смужки технологічні шунти, яки збільшують стійкість до теплових перевантажень.

Проведений аналіз фізико-конструктивних та технологічних методів підвищення граничної робочої напруги, розширення прямої та зворотної області безпечної роботи з одночасним збереженням або зменшенням статичних і динамічних втрат потужних напівпровідникових приладів встановлює три основних напрямки по підвищенню ефективності їхньої роботи в ключових схемах.

Перше містить у собі створення суперпереходів в області приладу, що блокує напругу, які забезпечують рівномірний розподіл напруженості електричного полю, що дозволяє забезпечувати високу пробивну напругу при одночасній реалізації малого опору відкритого стану й високої швидкодії. Цей напрямок широко використовується у виробництві високовольтних потужних польових транзисторів з ізольованим затвором.

Другий напрямок для швидкодіючих інжекційних приладів полягає у створенні структур з гетерогенними рекомбінаційними областями, як по глибині, так і по площі, в області, що блокують напругу, що забезпечує підвищення швидкодії і зниження динамічних втрат при збереженні малого прямого спадання напруги та високих значень напруги, що блокує. Реалізація подібних структур здійснюється за допомогою локального опромінення протонами й іонами гелію (б- частки) високих енергій. Найбільш широко ці методи використовуються при виробництві високовольтних імпульсних діодів, біполярних транзисторів і тиристорів.

Третій напрямок - застосування техніки побудови об'ємних ділильних шарів в області приладу, що блокує напругу. Конструктивний метод введення ОДШ у структуру p-n переходу направлений на зниження максимальної напруженості електричного поля в структурі потужних високовольтних напівпровідникових приладів та забезпечення додаткових запасів по електричних і теплових параметрах. Істотною перевагою концепції ОДШ у порівнянні з технологією суперпереходів є значний економічний виграш, тому що техніка ОДШ не вимагає залучення прецизійних технологій іонного впровадження при створенні суперпереходів. Так само сполучення техніки ОДШ із технологією локального впливу іонами He для керування рекомбінаційними процесами в структурі приладу дозволяє реалізувати оптимальну сукупність параметрів потужного напівпровідникового ключа.

У зв'язку із цим тематика дисертаційної роботи акцентована на створенні аналітичної моделі p-n переходу з об'ємним ділильним шаром, розробці технологічного процесу вбудовування ОДШ в область низьколегованого колектора, експериментальних дослідженнях статичних і динамічних параметрів і області безпечної роботи потужних біполярних транзисторів.

У розділі 2 проведені дослідження впливу введення ОДШ в структуру p-n переходу для підвищення рівномірності розподілу напруженості електричного поля, зниження імовірності виникнення електричної й теплової форми пробою в структурі ПНП. Конструкція об'ємних ділильних шарів є тонкою сіткою з регулярною структурою, вбудованою у високоомну область бази p-n переходу. Елемент цієї сітки виконується у вигляді тонкого плоского шару прямокутної або кругової конфігурації з протилежним базі типом провідності: для n-бази використовується p+-сітка, для p бази n+-сітка. Розмір елементів сітки ОДШ вибирається сумарним з розміром кроку сітки. Крок сітки (відстань між елементами сітки) визначається рівнем легування високоомної бази і складає десятки мікрометрів (товщина ОПЗ при робочій зворотній напрузі). Глибина залягання сітки W визначається півшириною товщини ОПЗ при максимальній зворотній напрузі (рис. 1).

Для оцінки впливу місцеположення сітки в базі (W) на граничну напругу пробою у структурі з ОДШ проведено одновимірне вирішення рівняння Пуассона для модельної структури з нескінченно тонкими сильнолегованими p+ - елементами (рис. 2).

При напрузі U, меншим Uсм, вирішення рівняння Пуассона (рис. 2 б,в) за граничних умов E(d)= 0; U(0)= 0 має вигляд:

; .

Досягши напруги Uсм, максимальна напруженість поля і потенціал відповідають (1):

, . (1)

Подальший зріст напруги перерозподіляє потенціал між металургійним переходом і переходом p⁺-n₂ (ОДШ - n₂ база).

U - Uсм = U₁+ U₂, (2)

де U₁ - зріст потенціалу на металургійному p-n переході;

U₂ - на переході ОДШ - n₂ - база.

Шар бази товщиною W в цьому випадку є аналогом діелектрика з вбудованим зарядом іонів Q = qN_B1W, а сама структура подібна до структури МДН - елемента приладу із зарядовим зв'язком.

Рівняння Пуассона для областей і має вигляд:

. (3)

З рішення (3) і граничної умови U₂(W)=0 слідує (рис. 2 г,д):

; (4)

; .

Різниця потенціалів U₁ відповідає падінню напруги на діелектрику конденсатора, поверхнева густина заряду обкладання якого рівна , та рівна густини заряду на другому шарі бази. Тому:

.

Підставив значення U₁ та U₂ з (4) в (2), отримаємо:

. (5)

З (5) виходить, що вирішення рівняння Пуассона у одновимірному наближенні для p-n переходу з ОДШ може бути представлене у вигляді еквівалентної схеми, що містить дві послідовно включені ємкості, одна з яких постійна (С₁₀), а друга (С₂₀) зменшується із зростанням U₂ ().

З урахуванням двовимірної топології ОДШ слідує:

, (6)

де - коефіцієнт форми ОДШ; S_p,S_j - площа ОДШ і p-n переходу відповідно.

Аналіз (6) показує, що при зменшені коефіцієнти форми, частина зовнішньої напруги, що блокується ОДШ, збільшуюся.

Отримана залежність максимальної напруги від місцеположення ОДШ в структурі p-n переходу. Показано, що якщо глибина залягання ОДШ складає половину ширини ОПЗ (), то для ОДШ з коефіцієнтом форми a=1 максимальне значення напруги складають 1,75 U_B0. Отриманий результат якісно співпадає з двовимірним чисельним аналізом розподілу поля в стокової області з ОДШ МДН - транзистора, який показав наявність максимуму пробивної напруги при .

Запропонована структура діода Шоттки з ОДШ, що дозволяє зменшити наявні суперечності в реалізації імпульсних діодів на основі бар'єрів Шоттки. При правильному виборі глибини залягання ОДШ можна добитися умов, при яких пробій наступатиме в об'ємі бази діода, а не на контакті метал-напівпровідник. Структури подібного типу здатні забезпечувати високу зворотну напругу і надійність, аналогічну діодам на основі p-n переходу, при значно вищій швидкодії.

Розглянуті фізичні аспекти перехідних процесів в структурі біполярного транзистора з утворенням «струмових шнурів» локалізованих у вузьких областях, що супроводжується різким зниженням робочої напруги U_CE та втратою управління через базу.

Отримана залежність максимальної відстані до шару ОДШ від концентрації домішок у колекторі біполярного транзистора при різних значеннях коефіцієнта посилення. Показано, що із збільшенням концентрації домішки в колекторі для транзисторів з вищим коефіцієнтом посилення необхідна відстань до ОДШ зменшується. З проведеного аналізу виходить, що із збільшенням концентрації домішки в колекторі і для транзисторів з вищим коефіцієнтом посилення відстань до ОДШ зменшується.

У розділі 3 розглянуті технологічні аспекти реалізації ОДШ в структурі біполярного транзистора і їх порівняльні характеристики. Була запропонована технологія виготовлення об'ємних ділильних шарів на базі епітаксіально-планарної технології виготовлення потужних кремнієвих біполярних транзисторів.

Розроблений та оптимізований технологічний маршрут формування об'ємного ділильного шару в структурі кремнієвого високовольтного біполярного транзистора та реалізовані різні конструкції імпульсних транзисторів. Результати досліджень показали, що для створення бездефектного эпітаксіального шару над елементами ОДШ необхідно проводити імплантацію домішки ОДШ через шар, що демпфірує, SiO₂ порядку 0,1 мкм з наступним рекристалізаційним отжигом в інертному середовищі. Показано, що реалізація ОДШ із осередком розміром 10х10 мкм не вимагає строгої орієнтації щодо активних елементів транзисторної структури. Проведені експериментальні дослідження з відпрацьовування техпроцесу дозволили запропонувати оптимізований техпроцес, що забезпечує мінімальний рівень дефектності структури та не приводить до істотного подорожчання вартості приладів з ОДШ.

Приведені порівняльні характеристики основних електричних параметрів конструкції з ОДШ, модифікованими емітерами у базової моделі - транзистора типу КТ-841. Експериментальні дослідження показали, що введення ОДШ в колекторну область дозволило поширити ОБР транзисторів в області великих значень напруги а, поєднання в одній конструкції з об'ємним ділильним шаром структури полого емітера з баластними опорами і застосування тришарового колектора n^--n-n+ - типу, дозволяє використовувати переваги кожного з цих елементів і сумісним впливом отримати транзистор з максимальною площею ОБР.

У розділі 4 розглянута статична область безпечної роботи в прямому зсуві потужного біполярного транзистора і основні напрями розширення ОБР. Розширення струмового діапазону застосування інжекційних напівпровідникових приладів обмежується ефектами неоднорідного розподілу густини струму по структурі. Кумуляція (стиснення) струму в напівпровідникових приладах часто виступає як причина переходу приладу, що ініціює аномальний режим роботи те, що приводить до повної або часткової відмови приладу. У біполярних транзисторах - це найчастіше ВП, що приводить до катастрофічних відмов у роботі електронних схем. Проаналізовані відомі моделі, що описують явище вторинного пробою і чинники виникнення повторного пробою. Докладний аналіз моделей ВП дозволяє сформулювати наступні основні виводи:

1. ВП в біполярних транзисторах при прямому зсуві емітерного переходу в більшості випадків визначається тепловими ефектами;

2. ініціація ВП при зворотному зсуві емітерного переходу викликається електричними ефектами;

3. завершальна стадія ВП супроводжується утворенням мезоплазмених каналів, що приводять до необоротних деградаційних явищ;

4. наявність струм-температурних зв'язків у транзисторі приводить до первинного стиснення струму. У результаті ефективна площа транзистора, визначена величиною колекторного струму, стає менше площі емітера;

5. теплова форма ВП може характеризуватися критичною енергією та часом затримки ВП;

6. струмова форма ВП характеризується критичною густиною струму при перемиканні транзистора з режиму відсічення у активному режимі, та критичним значенням напруги на колекторі при перемиканні транзистора з режиму насичення в режим відсічення.

З метою експериментального підтвердження основних напрямів розширення ОБР було проведено дослідження різних модифікацій конструкцій біполярного транзистора на базі кристала потужного біполярного n+-p-n-n+ транзистора КТ-841.

Поперечні розрізи структур транзисторів, які використовувалися у експерименті представлені на рис. 3.

Застосування конструкції з баластним емітерним опором знижує вірогідність «стиснення» струму в процесі включення і виключення, при цьому центральна частина емітера легована слабкіше ніж периферія, що знижує коефіцієнт інжекції у центрі, в порівнянні з периферією. Слаболегована частина тут грає роль баластного опору, що дає в порівнянні з конструкції «полого» емітера додаткову перевагу - підвищення стійкості транзистора до вторинного пробою. Окрім цього така конструкція знижує час спаду, за рахунок того, що заряд накопичується поблизу базових контактів. Варіант «полого» емітера, запобігає накопиченню заряду в центрі емітера у період виключення. Експериментальні дослідження підтвердили основні положення теоретичного аналізу.

Аналіз ОБР різних конструкцій транзисторів (рис. 4) показує, що введення об'ємного ділильного шару в структуру транзистора дозволяє значно збільшити площу ОБР для всіх типів конструкцій емітера. Окрім цього, для транзисторів без об'ємного ділильного шару в колекторі застосування конструкції емітера з додатковими баластними опорами в емітері та варіанту полого емітера також розширює пряму ОБР. Таким чином, поєднання в одній конструкції об'ємного ділильного шару, тришарового колектора n^Ї-n-n+ - типу і конструкції емітера з баластними стабілізуючими резисторами дозволило використати переваги кожного з цих елементів і сумісним впливом отримати транзистор з максимальною площею ОБР.

У розділі 5 проведено аналіз динамічної ОБР потужних біполярних транзисторів. В результаті аналізу динамічної ОБР потужних біполярних транзисторів розроблена модель для визначення густини струму колектора потужного біполярного транзистора при виключенні.

Максимальна густина струму в перехідному режимі у загальному випадку визначається чисельним методом вирішення фундаментальних двовимірних рівнянь фізики напівпровідників в нестаціонарному режимі. Була проведена якісна оцінка, використовуючи квазістатичний аналіз, припускаючи, що інерційність колекторного струму вища за інерційність струму бази, що реалізується в більшості транзисторних ключів. Як модель розглянутий транзистор з смуговою топологією емітера і двосторонньою базовою металізацією.

Початкові рівняння для безрозмірної густини струму колектора Z (рівень інжекції) мають вигляд:

де ; ; ;

, - довжина і ширина емітерної смужки;

- питомий поверхневий опір активної бази;

- критична густина струму, при якому Z=1 в площині еміттерного переходу;

- безрозмірний коефіцієнт, що враховує залежність опору шару бази від рівня інжекції;

- одновимірний коефіцієнт передачі струму бази.

Диференціюючи друге рівняння системи по Y з урахуванням першого, отримуємо:

(7)

Оскільки в режимі перемикання (Z>>1), то впливом другого доданку в (7) можна нехтувати. Аналогічно, функція:

змінюється значно слабкіше в порівнянні з Z(Y). На цій підставі, вважаючи що не залежить від координати, а змінюється лише із зміною середнього рівня інжекції. Рівняння (7) в цьому випадку приймає вигляд:

(8)

з граничними умовами: і .

Вирішення рівняння (8) з відповідними граничними умовами приймає наступний вигляд: .

Ширина провідної області (рис. 5) знайдена з умови :

Середнє значення може бути записано як інтегральний струм ємітера:

,

де S_Ш - площа струмового шнура.

Звідси максимальна густина струму емітера:

(9)

Де

;.

Аналіз (9) показує, що для підвищення стійкості ПБТ до ВП при виключенні необхідно реалізувати структуру з розвиненим периметром емітерного переходу і товстим шаром високоомного колектора. Ширина провідного шнура визначається ефективною товщиною бази , отож подальше зменшення ширини смужки емітера (збільшення периметра) не забезпечить істотного підвищення граничної напруги при виключенні ПБТ. Отриманий результат має достатню ясну інтерпретацію - при стисненні провідної області емітера інжектірованії з неї носії пролітає розширену базу схильну до поперечної дифузії і дрейфу за рахунок двовимірного характеру поля в колекторі, що приводить до розширення провідної зони на величину, що сумарна проліт в подовжньому напрямі.

Для встановлення зв'язку між максимальною динамічною напругою та параметрами структури і режимом роботи транзистора в ключовій схемі розглянуті прилади з двошаровим і тришаровим колектором.

Структура і розподіл поля в транзисторі з тришаровим колектором представлена на рис. 6. Як видно з рис. 6 в епітаксіальному шарі присутній шар Н, в якому концентрація вище чим в області n^-. Залежність граничної напруги від струму колектора знайдено з рівняння Пуассона. При цьому сумарна напруга, що блокується колектором має вигляд:

. (10)

З приведеного виразу виходить, що при великій густини струму при вимикання ПБТ структура з тришаровим колектором забезпечує більшу напругу що блокує. Аналіз (10) показує, що Ucem є екстремальною функцією густини струму і має мінімум при густини струму:

;.

У свою чергу, U_СЕ має максимум при

;

Таким чином, загальне рівняння для Ucem має вигляд:

Величина U_ceo=Е_kp·Н_opt забезпечує максимальну напругу колектор - емітер. З цієї умови слідує обмеження на Н_opt

.

Якщо в колекторі використовується мінімально можлива концентрація N₁, відповідна максимально допустимій температурі переходу T_j, то для забезпечення U_cbo товщина має бути:

(11)

Звідси слідує оцінне співвідношення:

.

Якщо в транзисторному ключі використовується глибоке шунтування емітерного переходу (U_ceR=U_Bcb), то =2 і концентрація домішок в n - шарі може бути оцінена з першого разу (11).

Рис. 6. Структура і розподіл поля в тришаровому колекторі:

1 - jc>j_ko1; 2 - jc=j_k2, 3 - jc=j_ko2, 4 - jc>j_ko2.

Застосування даної моделі дозволяє цілеспрямовано змінювати параметри конструкції транзистора з тришаровим колектором з метою розширення динамічної ОБР потужного біполярного транзистора.

У розділі 6 проведені дослідження по підвищенню швидкодії транзисторних структур, використовуючи особливості взаємодії альфа-частинок з кремнієм, а саме: творення керованого профілю розподілу рекомбінаційних властивостей кремнію як по глибині, так і за площею структури приладу. Показано, що ця властивість дозволяє цілеспрямовано змінювати електрофізичні властивості матеріалу в заданих областях приладу, де відбувається накопичення надмірного заряду, що знижує швидкодію. Локальність радіаційної дії дозволяє поліпшити сукупність як частотних, так і статичних характеристик приладів, які мають протилежний характер залежності від часу життя нерівноважних носіїв заряду. Проведені експериментальні дослідження по оцінці ефективності радіаційної обробки альфа-частками для зниження часу виключення транзисторів з ОДШ на кристалах транзисторних структур n-p-n типу.

Результати експериментальних досліджень показали, що введення у технологічний процес виробництва ПБТ з ОДШ радіаційно-термічної обробки пластин б- частинками дозволило зменшити значення тривалості заднього фронту в 2 рази, час розсмоктування в 1.6 разу, при збереженні решти граничних параметрів транзистора. Проведення стабілізуючого відпалу в режимі форсажу конвеєрної печі у середовищі N₂ дало за значне зменшення часу (близько 40 мін) в порівнянні з 42 годинами стандартної витримки при Т=300?C і аналогічних результатах відновлення основних характеристик при більшій швидкодії, що значно знижує тривалість і енергетичні витрати технологічного процесу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИВОДИ

1. Отримано одновимірне наближення вирішення рівняння Пуассона для модельної структури з нескінченно тонкими сильнолегованими p⁺- елементами, вбудованими у низьколеговану n-базу, яка блокує зворотну напругу. Отримана залежність максимальної напруги від місцеположення ОДШ в структурі p-n переходу.

2. Розроблена нова конструкція діода Шоттки на основі структури з ОДШ. Показано, що в структурах з глибиною залягання ОДШ менше половини максимального значення товщини ОПЗ, пробій відбувається в об'ємі бази діода, а не на контакті метал-напівпровідник. Структури подібного типу забезпечують високу зворотну напругу і надійність, аналогічну діодам на основі p-n переходу, при значно вищій швидкодії.

3. Розроблена модель біполярного транзистора з ОДШ в колекторі. Проведена оцінка максимального допущення відстані до ОДШ з умови лавинного пробою колекторного переходу у присутності динамічного заряду інжектірованих носіїв. Показано, що із збільшенням концентрації домішки в колекторі і для транзисторів з вищим коефіцієнтом посилення необхідна відстань до ОДШ зменшується.

4. Розроблено та оптимізовано технологічний маршрут формування ОДШ в структурі кремнієвого високовольтного біполярного транзистора та реалізовані різні конструкції імпульсних транзисторів.

5. Встановлений зв'язок між максимальною динамічною напругою і параметрами структури, та режимом роботи транзистора в ключовій схемі. Отримані виразу для визначення максимальних значень динамічної напруги колектора. Застосування моделі дозволяє цілеспрямовано змінювати параметри конструкції транзистора з тришаровим колектором з метою поширення динамічної ОБР.

6. Отримано аналітичну залежність максимальної густини струму від параметрів конструкції та режиму вимикання біполярного транзистора на основі квазістатичного аналізу, тому що в більшості ключів інерційність колекторного струму вище інерційності струму бази. Аналітична модель дозволяє встановити основні напрямки по вдосконалюванню структури транзистора з метою збільшення динамічної напруги при максимальній густини струму у переходом режимі.

7. Експериментально показано, що застосування структур з ОДШ дозволило підвищити граничну напругу U_СЕ0 потужного біполярного транзистора практично в 2 рази до значення U_ВСВ. Зникнення зони негативного диференціального опору на ВАХ I_С(U_СЕ) свідчить про усунення одного з механізму нерівномірності струмурозподілу в транзисторній структурі при великих значеннях напруги на колекторі.

8. Досліджений вплив локальних рекомбінаційних областей, створених опромінюванням альфа-частками, на підвищення швидкодії високовольтних транзисторних структур з ОДШ. Результати експериментальних досліджень показали, що введення у технологічний процес виробництва потужних біполярних транзисторів радіаційно-термічної обробки пластин альфа-частками забезпечує двократний запас по швидкодії, та виключає достатньо трудомісткі операції контролю імпульсних характеристик, що підвищує разом з функціональними властивостями транзисторів їх економічні показники.

9. У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані потужні біполярні транзистори з ОДШ у колекторі і локальними рекомбінаційними областями, що забезпечують збільшення граничної напруги колектор - эмиттер в 1,8 - 2 рази, область безпечної роботи в 1,2 - 1,5 рази та підвищення швидкодії в 1,7 - 2 рази в порівнянні із традиційною структурою МБТ КТ - 841, що свідчить про перспективність використання техніки ОДШ у структурах потужних інжекційних та інжекційне - польових напівпровідникових приладів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гусев В.А. Повышение предельного напряжения биполярного транзистора с антиумножительным слоем / В.А. Гусев, С.А. Темнов, Д.Г. Мурзин // Вестник СевГТУ; Сер. Информатика, электроника, связь: Сб. науч. трудов. 2001. № 31. С. 59--63.

2. Гусев В.А. Импульсные диоды на основе барьера Шоттки с объемным делительным слоем / В.А. Гусев, С.А. Темнов, Д.Г. Мурзин //Вестник СевГТУ; Сер. Информатика, электроника, связь: Сб. науч. трудов. Севастополь. 2002. № 41. С. 60-64.

3. Гусев В.А. Повышение предельного напряжения мощных полупроводниковых приборов введением в структуру объемных делительных слоев / В.А.Гусев, А.В. Борисов, Д.Г. Мурзин // Электроника и связь. 2003. № 20. C. 79--84.

4. Гусев В.А. Расширение области безопасной работы биполярного транзистора с объемным делительным слоем в коллекторе // В.А.Гусев, А.В. Борисов, Д.Г. Мурзин // Электроника и связь. 2004. № 21. C. 124--128.

5. Гусев В.А. Область безопасной работы биполярного транзистора с объемным делительным слоем в коллекторе / В.А. Гусев, Д.Г. Мурзин, Е.Ю. Владыка // Вестник СевГТУ; Сер. Информатика, электроника, связь: Сборник науч. трудов. 2004. № 60. С. 78--83.

6. Гусев В.А. Повышение быстродействия мощного биполярного транзистора радиационно-термической обработкой / В.А. Гусев, Д.Г. Мурзин, Е.Ю. Владыка // Вестник СевГТУ; Сер. Информатика, электроника, связь: Сборник науч. трудов.2004. № 60. C. 187--193.

7. Гусев В.А. Расширение динамической области безопасной работы мощного биполярного транзистора / В.А.Гусев, А.В. Борисов, Д.Г. Мурзин // Электроника и связь. 2005. № 23. C. 56--61.

8. Гусев В.А. Объемный делительный слой в структуре высоковольтных полупроводниковых приборов / В.А. Гусев, Д.Г. Мурзин // Вестник СевГТУ; Сер. Информатика, электроника, связь: Сборник науч. Трудов. 2007. № 82. С. 85--89.

9. Гусев В.А. Предельное динамическое напряжение мощного биполярного транзистора / В.А. Гусев, Д.Г. Мурзин // Вестник СевГТУ; Сер. Информатика, электроника, связь: Сборник науч. Трудов. 2008. № 93. С. 130--135.

10. Мурзин Д.Г. Структура биполярного транзистора с повышенной устойчивостью к вторичному пробою // Молодежь и современные проблемы радиотехники РТ-2005: междунар. науч.-техн. конф., 24-29 апреля 2005 г.: тезисы докл. Севастополь. 2005. C. 54.

11. Мурзин Д.Г. Расширение предельных характеристик мощных полупроводниковых приборов / В.В.Быченкова, Д.Г.Мурзин // Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке: сб. научных трудов 9-го междун. молодежного форума, 19-21апреля 2005г.:тезисы докл. Харьков. 2005. C. 156.

12. Мурзин Д.Г. Анализ динамической ОБР мощных биполярных транзисторов // Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке: сб. научных трудов 10-го междун. молодежного форума, 10-12 апреля, 2006 г.:тезисы докл. Харьков. 2006. C. 152.

13. Мурзин Д.Г. Распределение потенциала в структуре с ОДС// Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке: сб. научных трудов 11-го междун. молодежного форума., 10-12 апреля, 2007 г.:тезисы докл. Харьков. 2007. C. 169.

14. Мурзин Д.Г. Предельное динамическое напряжение коллектор-эмиттер биполярного транзистора в ключевом режиме // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2007», мат. 3-ей междун. молодежной научно-технической конференции, 16-21 апреля, 2007 г.:тезисы докл. Севастополь. 2007. C. 254.

15. Мурзин Д.Г. Технологические аспекты реализации объемного делительного слоя в структуре МПП // Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке: сб. научных трудов 12-го междун. молодежного форума, 1-3 апреля, 2008 г.:тезисы докл. Харьков. 2008. C. 272.

АНОТАЦІЯ

Мурзін Д. Г. Розширення області безпечної роботи потужних напівпровідникових приладів з об'ємними ділильними шарами.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.27.01 - "Твердотільна електроніка". Севастопольський національний технічний університет. Севастополь, 2008.

Дисертація присвячена вивченню методів, спрямованих на розширення області безпечної роботи ПНП за рахунок поліпшення рівномірності розподілу напруженості електричного поля та густини струму в структурі ПНП із ОДШ при збереженні швидкодії й малих енергетичних втрат як у стаціонарному, так і в динамічному режимі.

Захищається наукова робота, яка включає результати теоретичних ї експериментальних досліджень по розширенню ОБР потужних напівпровідникових приладів з метою реалізації оптимальної сукупності параметрів потужного напівпровідникового ключа. Представлений конструктивний елемент об'ємний ділильний шар дозволяє істотно підвищити однорідність розподілу електричного поля в області просторового заряду, понизити вірогідність виникнення електричної форми вторинного пробою. Отримано одновимірне наближення вирішення рівняння Пуассона для модельної структури з нескінченно тонкими сильно легованими p+ - елементами, вбудованими в низьколеговану n-базу. Отримана залежність максимальної напруги від місцеположення ОДШ у структурі p-n переходу. Встановлений зв'язок між максимальною динамічною напругою і параметрами структури в ключовому режимі роботи транзистора. Досліджений вплив локальних рекомбінаційних областей, створених опромінюванням б -- частками, на підвищення швидкодії високовольтних транзисторних структур з ОДШ. Представлені результати експериментальних досліджень можливості застосування техніки ОДШ для розширення ОБР потужних напівпровідникових приладів.

Ключові слова: потужні кремнієві напівпровідникові прилади, область безпечної роботи, об'ємний ділильний шар, швидкодія, б-частинки, радіаційна обробка.

АННОТАЦИЯ

Мурзин Д.Г. Расширение области безопасной работы мощных полупроводниковых приборов с объемными делительными слоями.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - "Твердотельная электроника". Севастопольский национальный технический университет. Севастополь, 2009.

Защищается научная работа, которая включает результаты теоретических и экспериментальных исследований по расширению ОБР мощных полупроводниковых приборов на основе повышения однородности распределения плотности тока и напряженности электрического поля в структуре.

Проведен анализ современных конструктивно-технологических методов, направленных на расширение области безопасной работы мощных полупроводниковых кремниевых приборов. Определены их основные достоинства и принципиальные ограничения, а так же сделан вывод о перспективности и необходимости внедрения новых конструктивных элементов позволяющих получить структуры МПП с расширенной ОБР при сохранении быстродействия и малых энергетических потерь, как в стационарном, так и в динамическом режиме.

Предложен конструктивный метод создания ОДС в структуре полупроводниковых приборов. Принцип действия ОДС заключается в том, что при достижении обратным напряжением величины напряжения смыкания дальнейшее повышение напряжения перераспределяется между металлургическим переходом и переходом сетка - база. В результате этого максимальная напряженность поля имеет меньшее значение в структурах с ОДС по сравнению с традиционной структурой.

Разработана новая конструкция диода с барьером Шоттки на основе структуры с ОДС. Показано, что при залегании ОДС вблизи физического перехода металл-полупроводник, пробой будет наступать в объеме базы диода, что обеспечивает высокое обратное напряжение и надежность, аналогичную диодам на основе p-n перехода, при значительно более высоком быстродействии.

Для нахождения распределения потенциала в структуре p-n перехода с ОДС проведено одномерное решение уравнения Пуассона для модельной структуры с регулярными бесконечно тонкими сильнолегированными p⁺-єлементами. Получены выражения для оценки повышенного пробивного напряжения структуры с ОДС. Анализ структур с различным местоположением ОДС показал наличие максимума блокирующего напряжения при глубине залегания ОДС равной половине ширины ОПЗ при пробое основного p-n перехода.

Проведен анализ динамической области безопасной работы мощных биполярных транзисторов и разработана модель определения плотности тока коллектора мощного биполярного транзистора в переходном режиме при выключении. Применение модели позволило целенаправленно изменять параметры конструкции транзистора с трехслойным коллектором с целью расширения динамической ОБР мощного биполярного транзистора. Также получены выражения для определения максимальных значений динамического напряжения коллектора.

Рассмотрены технологические аспекты реализации объемных делительных слоев в структуре биполярного транзистора для оптимального проектирования технологии изготовления мощных кремниевых биполярных транзисторов.

Экспериментальные исследования структур с ОДС, подтвердили положения теоретического анализа. Введение ОДС в структуру МБТ позволило в 1,5-2 раза расширить прямую ОБР биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером в высоковольтном режиме. Совмещение в одной конструкции объемного делительного слоя, трехслойного коллектора n^--n-n⁺ - типа и конструкции эмиттера с балластными стабилизирующими резисторами позволило использовать преимущества каждого из этих методов и совместным влиянием получить мощный биполярный транзистор с максимальной площадью ОБР.

Проведены исследования особенностей взаимодействия б-частиц с кремниевыми транзисторами (на пластине) для повышения быстродействия. С помощью фотолитографических масок получены структуры с локальными рекомбинационными областями по площади структуры прибора, что позволило повысить в 2 раза быстродействие работы мощных полупроводниковых ключей при сохранении малого сопротивления в открытом состоянии.

Представленные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли опытное внедрение на предприятии ЗАО «Кремний» (Россия, Брянск), а также внедрены в учебном процессе Севастопольского национального технического университета по дисциплинам «Твердотельная электроника», «Физика полупроводниковых приборов и интегральных микросхем», что подтверждено актами о внедрении.

Ключевые слова: мощные кремниевые полупроводниковые приборы, область безопасной работы, объемный делительный слой, быстродействие, альфа - частицы, радиационная обработка.

SUMMARY

Murzin D.G. The expansion of safe operation area of power semiconductor devices with volumetric dividing layers.

The dissertation on competition of a scientific degree of a Cand.Tech. Sci. on a speciality 05.27.01 - "Solid-state electronics". The Sevastopol national technical university. Sevastopol, 2008.

The dissertation is devoted to studying of increase methods of the current density homogeneity and electric field in the structure of power semiconductors devises. Scientific work which includes results theoretical and experimental researches on dilation the safe operation area (SOA) of power semiconductor devices for the purpose of realization the optimum set of parameters of a power semiconductor switch. The constructive element - volumetric dividing layer (VDL) allowing to raise homogeneity of distribution of an electric field in depletion area and to lower probability of occurrence of the electric shape of secondary breakdown is presented. One-dimensional approach of solution Poisson equation for modeling structure with infinitely thin high doped p+-elements which have been built in weakly doped n-base is received. Dependence of the maximum voltage on site VDL in p-n junction structure is received. The relation between the maximum dynamic voltage and structure parameters in the switch mode of power bipolar transistor is established. Influence of the local recombination regions created by irradiation by alpha particles, on increase of high-speed performance of high-voltage transistor structures with VDL is investigated. The results of experimental researches of possibility of application the technique VDL for expansion SOA of power semiconductor devices are presented.

...