планарный тиристор

Формула изобретения

1. ПЛАНАРНЫЙ ТИРИСТОР, содержащий подложку p⁺-типа проводимости, область n-типа проводимости, расположенную на поверхности подложки, область p-типа проводимости, выполненную в области n-типа проводимости, не менее одной кольцевой области p-типа проводимости, концентрически расположенной вокруг области p-типа проводимости, кольцевую ограничительную область n⁺-типа проводимости, охватывающую кольцевую область p-типа проводимости, область n⁺-типа проводимости, расположенную в области p-типа проводимости, слой диэлектрика, расположенный на области n-типа проводимости, в которой над областью p-типа проводимости, областью n⁺-типа проводимости и кольцевой ограничительной областью n⁺-типа проводимости выполнены контактные окна, в которых расположены три металлические области, первая из которых расположена в окне над областью n⁺-типа проводимости и выполняет функцию катода, вторая расположена в окне над областью p-типа проводимости и выполняет функцию управляющего электрода, третья расположена в окне над кольцевой ограничительной областью n⁺-типа проводимости, и металлическую область, расположенную на подложке и выполняющую функцию анода, отличающийся тем, что дополнительно в слое диэлектрика выполнены контактные окна над каждой кольцевой областью p-типа проводимости, в этих окнах и на слое диэлектрика по периферии каждой кольцевой области n-типа проводимости с частичным перекрытием области n-типа проводимости, а также на слое диэлектрика по периферии области p-типа проводимости с перекрытием одного из контактных окон к этой области выполнены кольцевые металлические области.

2. Тиристор по п.1, отличающийся тем, что область n⁺-типа проводимости и расположенные над ней контактное окно и первая металлическая область выполнены в виде разорванных колец, а дополнительно введенная металлическая кольцевая область в области разрыва колец соединена с второй металлической областью.

Описание изобретения к патенту

Изобpетение относится к области констpукций тиpистоpов. Широко известны тиристоры, изготавливаемые методами меза-технологии на исходных пластинах монокристаллического кремния <1>. Из-за ограниченной глубины диффузии и ширины n-базы для получения качественных электрических характеристик тиристоров с рабочими напряжениями 200-1000В приходится применять кремниевые пластины с толщиной не более 200 мкм. Недостаточная механическая прочность тонких пластин ограничивает их диаметр и приводит к увеличению затрат при производстве тиристоров. Из-за разделения пластины на кристаллы при использовании меза-технологии основные р-n-переходы тиристора выходят на боковую поверхность, что создает проблемы при защите кремнийорганическими каучуками, смолами, полиимидами, стеклом, связанные с трудоемкостью и качеством. В большинстве случаев применения меза-технологии разбраковка кристаллов тиристоров на пластине с применением автоматизированного оборудования невозможна из-за связи между структурами по исходному материалу. Это приводит или к необходимости контроля параметров кристаллов после разделения пластины, или к неизбежным потерям при сборке в корпуса.

Известны планарные тиристоры <1>, <2>, которые могут изготавливаться на основе кремниевых эпитаксиальных структур n^-p⁺ с достаточно толстой исходной подложкой р⁺-типа проводимости. В этом случае тиристоры могут изготавливаться на пластинах диаметром 76 мм, 100 мм и более, может использоваться пассивация двуокисью кремния, поликристаллическим кремнием и др. прогрессивными методами, а проверка полученных тиристорных структур может осуществляться до резки пластины на кристаллы с применением автоматического зондового оборудования. В известных планарных тиристорах недостатком является ухудшение пробивного напряжения высоковольтного коллекторного p-n-перехода из-за кривизны планарного p-n-перехода и зарядовых явлений в двуокиси кремния. Для устранения этих недостатков применяются диффузионные охранные кольца с глубиной, превышающей глубину базовой области р-типа проводимости, полевые металлические обкладки (расширенная металлизация над областью базы р-типа проводимости), делительные кольцевые области р-типа проводимости, расположенные вокруг базовой области р-типа проводимости и увеличивающие протяженность истощенной области в высокоомной базе n-типа проводимости при приложенном к аноду закрытого тиристора напряжении.

Указанные конструктивные средства позволяют до определенной степени увеличить максимальное значение рабочего напряжения тиристора.

Наиболее близкой к предлагаемому является конструкция планарного тиристора, содержащая подложку р⁺-типа проводимости, область n-типа проводимости, расположенную на поверхности подложки, область р-типа проводимости, выполненную в области n-типа проводимости, не менее одной кольцевой области р-типа проводимости, концентрически расположенной вокруг области р-типа проводимости, кольцевую ограничительную область n⁺-типа проводимости, охватывающую кольцевую область р-типа проводимости, область n⁺-типа проводимости, расположенную в области р-типа проводимости, слой диэлектрика, расположенный на области n-типа проводимости, в котором над областью р-типа проводимости, областью n⁺-типа проводимости и кольцевой ограничительной областью n⁺-типа проводимости выполнены контактные окна, в которых расположены три металлических области, первая из которых расположена в окне над областью n⁺-типа проводимости и выполняет функцию катода, вторая расположена в окне над областью р-типа проводимости и выполняет функцию управляющего электрода, третья расположена в окне над кольцевой ограничительной областью n⁺-типа проводимости, металлическую область, расположенную на подложке и выполняющую функции анода <2>.

Между кольцевыми областями р-типа проводимости при наличии инверсионного канала возможно существование необедненной области полупроводника даже при потенциале выше напряжения смыкания областей пространственного заряда. В результате кольцевые области не берут на себя полностью избыточного напряжения сверх напряжения смыкания. Это явление ответственно за снижение пробивного напряжения тиристора в закрытом состоянии и за нестабильность тока утечки.

Цель изобретения повышение анодного напряжения планарного тиристора благодаря тому, что дополнительно в слое диэлектрика над каждой кольцевой областью р-типа проводимости, в этих окнах и на слое диэлектрика по периферии каждой кольцевой области р-типа проводимости с частичным перекрытием области n-типа проводимости, а также на слое диэлектрика по периферии области р-типа проводимости с перекрытием одного из контактных окон к этой области выполнены кольцевые металлические области.

Это объясняется тем, что дополнительные металлические кольцевые области, расширенные за пределы кольцевых областей р-типа проводимости и области р-типа проводимости, создают электрическое поле, компенсирующее положительный заряд диэлектрического слоя (двуокись кремния) и облегчают обеднение, прилегающих к кольцевым областям р-типа проводимости участков высокоомной области n-типа проводимости.

Вариант изобретения отличается также тем, что область n⁺-типа проводимости и расположенные над ней контактное окно и первая металлическая область выполнены в виде разорванных колец, а дополнительно введенная металлическая кольцевая область в области разрыва колец соединена с второй металлической областью.

Это позволяет в случае центрального расположения управляющего электрода не тратить активную площадь тиристорной структуры под дополнительное контактное окно, а также не создавать ненужного распределенного сопротивления между дополнительной металлической кольцевой областью и управляющим электродом тиристора (в одном варианте) и избежать (в другом варианте) электрического соединения между дополнительной металлической кольцевой областью и металлической областью, выполняющей функцию катода, которое бы увеличило вероятность замыканий между областью р-типа проводимости и областью n⁺-типа проводимости через дефекты слоя диэлектрика.

На фиг. 1 показана схема структуры планарного тиристора; на фиг. 2 схема расположения металлизации по варианту, при котором область n⁺-типа проводимости и расположенные над ней контактное окно и первая металлическая область выполнены в виде разорванных колец.

Приняты следующие условные обозначения:

1 подложка p⁺-типа проводимости;

2 область n-типа проводимости;

3 область р-типа проводимости;

4 кольцевая область р-типа проводимости;

5 кольцевая ограничительная область n⁺-типа проводимости;

6 область n⁺-типа проводимости;

7 слой диэлектрика;

8,9,10 контактные окна к областям 3, 5, 6;

11 первая металлическая область (катод тиристора);

12 вторая металлическая область (управляющий электрод тиристора);

13 третья металлическая область (охватывающее кольцо);

14 металлическая область (анод тиристора);

15 контактное окно к кольцевой ограничительной области 4;

16 кольцевая металлическая область над областью 4 с частичным перекрытием области 2;

17 часть кольцевой металлической области над областью 3 с частичным перекрытием области 2.

Действие тиристора отличается от действия известного планарного тиристора только упомянутым выше механизмом повышения пробивного напряжения между областями 3 и 4, а также областями 2 и 4.

На основе изобретения могут быть созданы планарные тиристоры на рабочие напряжения 400-600 В и более при использовании; кремниевой подложки с р⁺-типом проводимости диаметром 60-150 мм толщиной 400-600 мкм с удельным сопротивлением 0,003-0,03 Ом х см; эпитаксиального слоя с n-типом проводимости толщиной 60-90 мкм и удельным сопротивлением 10-30 Омхсм.

Расстояние между металлическими областями 16-17 рекомендуется выбирать порядка 5-15 мкм (нижняя граница этого расстояния обусловлена допусками при изготовлении, верхняя граница эффективностью действия полевой обкладки).

При этом достигается сочетание таких характеристик, как достаточно тонкая n-базовая область тиристора, достаточная толщина, диаметр и прочность кремниевой пластины, что обеспечивает качественные электрические параметры при уменьшении трудоемкости изготовления тиристоров.

Конструкция предложенного планарного тиристора может быть использована для изготовления тиристоров малой, средней и большой мощности.