RU158240U1

RU158240U1 - Силовой полупроводниковый прибор с повышенной устойчивостью к динамической лавине

Info

Publication number: RU158240U1
Application number: RU2015125231/28U
Authority: RU
Inventors: Валентин Александрович Мартыненко; Вячеслав Васильевич Елисеев; Алексей Владимирович Гришанин; Алексей Александрович Хапугин; Константин Николаевич Нищев; Михаил Ильич Новопольцев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Электровыпрямитель"
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2015-12-27

Abstract

1. Силовой полупроводниковый прибор с повышенной устойчивостью к динамической лавине, выполненный в виде многослойной полупроводниковой структуры n-n-р-рили n-р-n-р-ртипа, имеющей катодный nи анодный рэмиттеры разного диаметра, с поверхностной металлизацией и с фасками по периферии, соединенной с термокомпенсатором со стороны эмиттера с большим диаметром, отличающийся тем, что полупроводниковая структура со стороны эмиттера с большим диаметром имеет в центральной области, равной диаметру другого эмиттера, поверхностную концентрацию легирующей примеси на 2-7 порядков выше поверхностной концентрации легирующей примеси в периферийной области, при этом центральная область эмиттера с высокой поверхностной концентрацией примесей металлизирована четырехслойным покрытием алюминий-титан-никель-серебро, а периферийная область эмиттера с низкой поверхностной концентрацией примесей металлизирована трехслойным покрытием титан-никель-серебро.2. Силовой полупроводниковый прибор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термокомпенсатора используется диск из молибдена с нанесенным на одну сторону двухслойным покрытием никель-серебро.3. Силовой полупроводниковый прибор по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве термокомпенсатора используется диск из металломатричного композиционного материала типа AlSiC.4. Силовой полупроводниковый прибор по пп. 1-3, отличающийся тем, что полупроводниковая структура соединена с термокомпенсатором низкотемпературной термокомпрессией.

Description

Полезная модель относится к биполярным силовым полупроводниковым приборам (СПП), а именно конструкции полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, фототиристоров, динисторов и т.д.), применяемых в преобразовательной технике для коммутации больших импульсных токов в емкостных накопителях электрической энергии.

Силовые полупроводниковые приборы выполняют функции электронных ключей, переключая потоки электрической энергии от источника энергии к потребителю и наоборот.

Известна конструкция силового полупроводникового прибора [1], выполненного в виде полупроводниковой тиристорной структуры n⁺-p-n-p⁺ типа (Фиг. 1), включающей в себя высокоомную n- базу I, катодный n⁺-эмиттер (2), алюминиевую металлизацию (3), высоковольтный p-n переход (4), анодный p⁺-эмиттер (5), с диаметром большим, чем у катодного эмиттера, фаску по периферии (6) с защитным покрытием (7). Как правило, со стороны эмиттера с большим диаметром полупроводниковая структура соединена с термокомпенсатором через силуминовую прокладку.

Недостатком данного технического решения является относительно невысокая устойчивость к динамической лавине в импульсных режимах при повышенных скоростях коммутации в процессе обратного восстановления, что отрицательно сказывается на надежности преобразовательных устройств.

Это обусловлено тем, что во время переключения тиристора происходит рост напряжения в момент, когда большая часть накопленных носителей тока, проводящих прямой ток, еще присутствуют в приборе. Этот накопленный заряд частично удаляется во время роста напряжения, но значительная его часть может оставаться в высокоомной базовой области между одним из эмиттеров и краем области объемного заряда. Через область объемного заряда протекает ток неравновесных носителей, концентрация которых в момент обратного восстановления может быть сравнимой или даже выше концентрации основной легирующей примеси в высокоомной базовой области полупроводниковой структуры. При этом градиент электрического поля возрастает. Форма поля становится круче, максимум электрического поля и напряжение, которое падает на объемном заряде, возрастают. Критическая напряженность электрического поля, при котором происходит лавинообразование, теперь будет достигнуто при приложенном напряжении, намного ниже специфицированного номинального блокирующего напряжения прибора. Этот процесс, обусловленный свободными носителями, называемый динамической лавиной, происходит при выключении всех видов биполярных силовых полупроводниковых приборов.

Напряжение наступления динамической лавины зависит от плотности тока обратного восстановления. С ростом тока обратного восстановления оно сильно снижается и может произойти разрушение прибора.

Вследствие того, что площадь анодного p⁺-эмиттера больше площади катодного n⁺-эмиттера (Фиг. 1), имеет место затекание тока обратного восстановления из периферийной области p⁺-эмиттера на край катодного n⁺-эмиттера в области «А». Это приводит к существенному увеличению плотности тока обратного восстановления в этой области, что может вызвать в рабочих режимах коммутации возникновение низковольтной динамической лавины, шнурование тока и выход прибора из строя.

Поэтому для повышения устойчивости СПП к динамической лавине необходимо, прежде всего, обеспечить равномерное распределение плотности тока по площади кремниевой структуры при обратном восстановлении прибора.

Техническим результатом полезной модели является создание силового полупроводникового прибора с повышенной устойчивостью к динамической лавине во время процесса обратного восстановления при переключении больших импульсных токов с высокими скоростями коммутации.

Это достигается тем, что в многослойной полупроводниковой структуре n⁺-n-p-p⁺ или n⁺-p-n-p-p⁺ типа, имеющей катодный n⁺- и анодный p⁺-эмиттеры разного диаметра с металлизированными поверхностями, с фасками между ними по периферии, соединенной с термокомпенсатором со стороны эмиттера большого диаметра, в центральной части этого эмиттера, равной диаметру другого эмиттера, сформирована область высокого легирования с поверхностной концентрацией легирующей примеси на 2-7 порядков выше поверхностной концентрации легирующей примеси в периферийной области, причем центральная область эмиттера с высокой поверхностной концентрацией примесей металлизирована четырехслойным покрытием алюминий-титан-никель-серебро, а периферийная область эмиттера с низкой поверхностной концентрацией примесей металлизирована трехслойным покрытием титан-никель-серебро.

Вследствие этого, в состоянии прямой проводимости и обратного восстановления СПП концентрация инжектированных неравновесных носителей тока в периферийной области полупроводниковой структуры становится значительно (на 2-7 порядков) меньше концентрации инжектированных носителей тока в центральной области, что приводит в момент обратного восстановления прибора к снижению плотности тока на краю эмиттера с меньшим диаметром и повышению устойчивости СПП к динамической лавине.

Положительный эффект наблюдается, когда концентрация легирующей примеси в центральной области эмиттера по крайней мере на 2 порядка превышает концентрацию легирующей примеси в периферийной области эмиттера и чем выше эта разница, тем больше проявляется положительный эффект. Верхний предел разницы концентраций ограничивается между предельной растворимостью легирующей примеси в области эмиттера и низким уровнем концентрации носителей в высокоомной n-базе.

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:

- наличие в многослойных полупроводниковых структурах с катодным и анодным эмиттерами разного диаметра, на стороне эмиттера большего диаметра, областей с разным уровнем легирования, причем в центральной области, равной диаметру другого эмиттера, поверхностная концентрация примеси на 2-7 порядков выше поверхностной концентрации примеси в периферийной части эмиттера;

- различная металлизация поверхности эмиттера с разным уровнем легирования: в области высокого легирования используется металлизация алюминий-титан-никель-серебро, в области низкого легирования металлизация титан-никель-серебро.

Положительный эффект достигается за счет:

1. Снижения коэффициента инжекции эмиттера и увеличения контактного сопротивления между поверхностью эмиттера и металлизацией в периферийной области многослойной полупроводниковой структуры.

2. Ограничения роста плотности тока обратного восстановления на краю активной области полупроводниковой структуры до опасного уровня образования динамической лавины при выключении СПП.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах.

На Фиг. 2 показана тиристорная полупроводниковая структура n⁺-p-n-p-p⁺ типа прямой полярности.

1 - высокоомная n-база;

2 - катодный n⁺-эмиттер;

3 - алюминиевая металлизация;

4 - высоковольтные p-n переходы;

5 - анодный p⁺-эмиттер с высокой поверхностной концентрацией примесей;

6 - анодный p-эмиттер с низкой поверхностной концентрацией примесей;

7 - металлизация алюминий-титан-никель-серебро в области высокого легирования;

8 - металлизация титан-никель-серебро в области низкого легирования;

9 - фаска;

10 - защитное покрытие;

11 - термокомпенсатор.

В данной конструкции тиристорной структуры разница поверхностных концентраций в центральной и периферийной областях анодного эмиттера может достигать 2 и более порядков (p-область 10 - 10 см^-2, p-область 10-10 см^-2). Низкая поверхностная концентрация акцепторов в p-области приводит к снижению концентрации инжектированных носителей в периферийной области анодного эмиттера. Вследствие этого, в тиристорной полупроводниковой структуре, расположенной в области фаски, ухудшается модуляция высокоомной n-базы и увеличивается ее сопротивление. Увеличение сопротивления n-базы действует как дополнительный резистор для тока, инжектированного с p-эмиттера, и плотность тока на краю n⁺-эмиттера понижается.

Ограничению тока на краю катодного эмиттера способствует также повышенное контактное сопротивление между поверхностью p-эмиттера и анодной металлизацией в периферийной области, полученное за счет исключения из многослойной анодной металлизации в периферийной области алюминиевого слоя.

На Фиг. 3, 4, 5 представлены некоторые конструкции полупроводниковых структур диодов и тиристоров подобные предлагаемому решению.

На Фиг. 3 показана диодная полупроводниковая структура n⁺-n-p-p⁺ типа прямой полярности. В ней также, как и в тиристорной структуре прямой полярности (Фиг. 2), повышение устойчивости к динамической лавине достигается за счет разницы поверхностной концентрации акцепторной примеси анодного эмиттера в центральной области по сравнению с периферийной областью на 2 и более порядков и более высокого контактного сопротивления на периферии по сравнению с центральной областью анодного эмиттера.

На Фиг. 4 и 5 представлены диодная и тиристорная полупроводниковые структуры обратной полярности, у которых области с разной поверхностной концентрацией примесей расположены на катодной стороне, имеющей больший диаметр. При этом в диодной структуре, представленной на Фиг. 4, разница поверхностных концентраций примесей может достигать до 7 порядков (n-область 10¹³-5×10¹⁴ см^-2, n⁺-область 10¹⁹-10²⁰ см^-2), что практически полностью исключает затекание тока с периферии на край активной области диода и обеспечивает высокую устойчивость прибора к динамической лавине при обратном восстановлении.

Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере изготовления тиристора на ток 2500 А, напряжение 4200 В прямой полярности на кремниевой шайбе диаметром 4 дюйма. Полупроводниковая структура n⁺-p-n-p-p⁺ типа изготавливалась на основе нейтронно-легированного кремния марки КОФ 250-105.

Первоначально формировали p-n-p структуру диффузией алюминия с двух сторон кремниевой пластины на глубину 60 мкм с поверхностной концентрацией 2·10¹⁶ см^-2. Затем в центральной области p-эмиттера с диаметром 92 мм, равным диаметру будущего катода, создавался, используя имплантацию бора, p⁺-слой с поверхностной концентрацией 2·10¹⁹ см^-2. С катодной стороны формировали n⁺-эмиттер загонкой фосфора из газовой фазы с поверхностной концентрацией 10²⁰ см^-2. Затем проводилась высокотемпературная термообработка, в результате которой глубины p- и n⁺-слоев достигали соответственно 100 мкм и 30 мкм. Далее на катодный эмиттер и центральную область анодного эмиттера с высокой поверхностной концентрацией примесей напылялся слой алюминия и затем на всю поверхность анодного эмиттера напылялось трехслойное покрытие титан-никель-серебро.

Анодная сторона полупроводниковой структуры соединялась с термокомпенсатором методом низкотемпературной термокомпрессии. В качестве термокомпенсатора использовали диск из молибдена или металломатричного композита типа AlSiC с предварительно нанесенным на сторону спекания двухслойным покрытием никель-серебро. Затем с помощью абразивного микропорошка пескоструйным методом формировали краевой контур тиристорной структуры в виде двухступенчатой фаски. Фаска травилась в смеси кислот, отмывалась в деионизированной воде и сушилась на воздухе. После сушки фаска защищалась кремнийорганическим компаундом.

Работоспособность конструкции полупроводниковой структуры тиристора была проверена в блоке коммутатора емкостного накопителя энергии при разряде конденсатора на формирующую цепь, включающую в себя индуктор и кроубарные диоды. Высоковольтный тиристор с блокирующим напряжением 4200 В надежно работал при коммутации импульсов тока амплитудой 100 кА, длительностью 500 мкс, напряжении 3000 В и скоростях нарастания тока обратного восстановления до 4000 А/мкс, что обеспечивало повышение устойчивости прибора к динамической лавине на 30-40% и увеличение количества включений в 5 раз, по сравнению с прибором подобного прототипу.

Источники информации

[1] B.J. Baliga, ((Fundamentals of Power Semiconductor Devices», 2008, Springer, Chapter 3.7.1, p 159, Fig. 3.63

Claims

1. Силовой полупроводниковый прибор с повышенной устойчивостью к динамической лавине, выполненный в виде многослойной полупроводниковой структуры n⁺-n-р-р⁺ или n⁺-р-n-р-р⁺ типа, имеющей катодный n⁺ и анодный р⁺ эмиттеры разного диаметра, с поверхностной металлизацией и с фасками по периферии, соединенной с термокомпенсатором со стороны эмиттера с большим диаметром, отличающийся тем, что полупроводниковая структура со стороны эмиттера с большим диаметром имеет в центральной области, равной диаметру другого эмиттера, поверхностную концентрацию легирующей примеси на 2-7 порядков выше поверхностной концентрации легирующей примеси в периферийной области, при этом центральная область эмиттера с высокой поверхностной концентрацией примесей металлизирована четырехслойным покрытием алюминий-титан-никель-серебро, а периферийная область эмиттера с низкой поверхностной концентрацией примесей металлизирована трехслойным покрытием титан-никель-серебро.

2. Силовой полупроводниковый прибор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термокомпенсатора используется диск из молибдена с нанесенным на одну сторону двухслойным покрытием никель-серебро.

3. Силовой полупроводниковый прибор по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве термокомпенсатора используется диск из металломатричного композиционного материала типа AlSiC.

4. Силовой полупроводниковый прибор по пп. 1-3, отличающийся тем, что полупроводниковая структура соединена с термокомпенсатором низкотемпературной термокомпрессией.