мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления

Классы МПК:H01L29/30 отличающиеся физическими дефектами структуры; имеющие полированную или шероховатую поверхность
H01L21/263 с высокой энергией
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" (ФГУП ВЭИ) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-01-15
публикация патента:

Изобретение относится к конструированию и технологии изготовления силовых полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых резисторов таблеточного исполнения, в частности резисторов-шунтов, характеризующихся низким значением номинального сопротивления 0,2÷1 мОм с пониженной температурной зависимостью сопротивления в рабочем интервале температур. Техническим результатом изобретения является расширение интервала номинальных сопротивлений в область низких значений (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 5 мОм) при сохранении температурной стабильности и себестоимости изготовления и, как следствие, расширение функциональных возможностей мощных кремниевых резисторов - использование их в качестве шунтов. Сущность изобретения: в мощном полупроводниковом резисторе, состоящем из резистивного элемента, выполненного в виде кремниевого диска n-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением от 7 Ом·см до 120 Ом·см, содержащего радиационные дефекты, резистивный элемент состоит из сильнолегированной n+ -подложки и тонкого высокоомного эпитаксиального n-слоя, при этом радиационные дефекты имеют концентрацию N [см -3] в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 [Ом·см] от 4·1013 см -3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 7.5·1014 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см, при этом радиационные дефекты получают путем облучения ускоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом. 2 н.п. ф-лы, 4 табл, 2 ил.

мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113

Формула изобретения

1. Мощный полупроводниковый резистор-шунт, состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде кремниевого диска n-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением от 7 до 120 Ом·см, содержащего радиационные дефекты, отличающийся тем, что резистивный элемент состоит из сильнолегированной n+-подложки и тонкого высокоомного эпитаксиального n-слоя, при этом радиационные дефекты имеют концентрацию Nрд [см-3] в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 [Ом·см] от 4·1013 см -3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 7.5·1014 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=Ом·см.

2. Способ изготовления мощного полупроводникового резистора-шунта, включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов путем облучения ускоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом, отличающийся тем, что облучение проводят дозой Ф [см-2] в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 [Ом·см] от 1,6·1015 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 3,1·1016 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см, термический отжиг проводят в интервале температур 305÷325°С.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к конструированию и технологии изготовления силовых полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых резисторов таблеточного исполнения, в частности резисторов-шунтов, характеризующихся низким значением номинального сопротивления 0,2÷1 мОм с пониженной температурной зависимостью сопротивления в рабочем интервале температур.

Известен мощный полупроводниковый резистор-шунт (Асина С.С., Смирнов А.А., Карпинский В.Н., Кондрашов Е.И. «Исследование возможности применения мощных кремниевых шунтов в системе питания сверхпроводящего ускорителя». Электротехника, № 9, 2006, стр.70 [1]), состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности диаметром 70 мм (площадь диска S [см2 ]=38,48 см2), толщиной h [см], равной 0,2 см, с удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 [Ом·см], равным 0,1 Ом·см, что позволило получить значение номинального сопротивления резистора-шунта Rном [Ом], равным 0,5·10-3 Ом, согласно

мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113

Такое значение сопротивления полупроводникового резистора необходимо при использовании его как для выравнивания быстро нарастающих токов параллельно соединенных мощных быстродействующих тиристоров, так и в качестве датчиков тока для мониторинга процессов и защиты энергосистемы [1]. Однако его температурная характеристика (ТХС) в рабочем интервале температур превышает 100% и не может быть минимизирована известными методами, из-за очень низкого значения удельного сопротивления кремния, равного 0,1 Ом·см.

Известен способ изготовления мощного кремниевого резистора (Патент РФ № 2169411, кл. H01L 29/30, 21/263, опубл. 20.06.2001 [2]), включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов путем облучения ускоренными электронами энергией Е [МэВ], равной 2÷5 МэВ, с последующим термическим отжигом. Дозу облучения Ф [см-2] выбирают из интервала от 3,4·1015 см-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=120 Ом·см до 2·1016 см -2 для кремния с мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=20 Ом·см. Термический отжиг проводят при температуре Тотж=200°С. Под исходным удельным сопротивлением понимается удельное сопротивление кремния до операции облучения и отжига.

Однако минимальное значение номинального сопротивления, которое может быть получено с помощью данного метода для кремния с минимальным значением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=20 Ом·см и диаметром кремниевого диска 70 мм, составит не менее 16 мОм, что является неприемлемым для решения конкретной задачи [1].

Известен также мощный полупроводниковый резистор (Патент РФ № 2284610, кл. H01L 21/263, опубл. 27.09.2006 (прототип) [3]), состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде кремниевого диска n-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением от 7 Ом·см до 120 Ом·см, содержащего радиационные дефекты.

Температурная характеристика сопротивления такого резистора соответствует норме ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10%, однако, минимальное значение номинального сопротивления, которое может быть достигнуто согласно [3], например, на кремниевом диске диаметром 70 мм, с минимальным значением исходного удельного сопротивления мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=7 Ом·см, будет не менее 6 мОм, что является недостаточным для резисторов-шунтов. Обусловлено это, с одной стороны, низким мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0, с другой стороны, минимально возможной толщиной кремниевого диска (около 160 мкм) с точки зрения механической прочности.

Наиболее близким является способ изготовления мощного полупроводникового резистора [3], включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов путем облучения ускоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом.

Доза облучения (Ф) в этом способе выбиралась из интервала от 1,1·10 15 см-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=120 Ом·см до 2,1·1016 см-2 для кремния с мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=7 Ом·см. Термический отжиг проводили в интервале температур Тотж=260-280°С. Данный способ позволил изготовить резисторы из кремния с мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=7 Ом·см, то есть расширил область низких значений Rном, при незначительном увеличении себестоимости изготовления. Однако минимальное значение Rном, которое можно получить на кремниевом диске диаметром 70 мм с мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=7 Ом·см при минимально возможной толщине диска около 160 мкм, составит не менее 6 мОм, что является также недостаточным.

Техническим результатом предлагаемого решения является расширение интервала номинальных сопротивлений в область низких значений (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 5 мОм) при сохранении температурной стабильности и себестоимости изготовления и, как следствие, расширение функциональных возможностей мощных кремниевых резисторов - использование их в качестве шунтов.

Для достижения технического результата в известном мощном полупроводниковом резисторе, состоящем из резистивного элемента, выполненного в виде кремниевого диска n-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением от 7 Ом·см до 120 Ом·см, содержащего радиационные дефекты, резистивный элемент состоит из сильнолегированной n+-подложки и тонкого высокоомного эпитаксиального n-слоя, при этом радиационные дефекты имеют концентрацию NРД [см-3] в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 [Ом·см] от 4·1013 см -3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 7.5·1014 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см.

В известном способе изготовления мощного полупроводникового резистора, включающего создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов путем облучения укоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом, проводят облучение дозой Ф [см-2] в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 от 1,6·1015 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 3,1·1016 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см, термический отжиг проводят в интервале температур 305÷325°С.

К отличительным признакам предлагаемого технического решения относятся:

1. Резистивный элемент состоит из сильнолегированной n+-подложки и тонкого высокоомного эпитаксиального n-слоя с исходным удельным сопротивлением (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0) в интервале 7÷120 Ом·см;

2. Радиационные дефекты в высокоомном эпитаксиальном n-слое имеют концентрацию в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального n-слоя (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0) от 4·1013 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 7.5·1014 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см;

3. Радиационные дефекты вводят облучением резистивного элемента ускоренными электронами дозой Ф в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 от 1,6·1015 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 3,1·1016 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см;

4. Термический отжиг проводят в интервале температур 305÷325°С.

Известных технических решений с такой совокупностью признаков в патентной и научной литературе не обнаружено.

Основными положительными эффектами предлагаемых технических решений являются:

- расширение интервала номинальных сопротивлений в область низких значений за счет использования тонких высокоомных эпитаксиальных кремниевых пленок n-n+ -типа. Например, при использовании резистивного элемента диаметром 70 мм с толщиной высокоомного эпитаксиального n-слоя ~10 мкм и исходным удельным сопротивлением этого слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см, после его облучения ускоренными электронами дозой 3,1·1016 см-2 с последующим отжигом при температуре 310°С, можно получить резистор, имеющий значение Rноммощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0,25 мОм, в 24 раза меньшим, чем при использовании прототипа [3]. При этом сохраняется высокая температурная стабильность сопротивления (ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10%) в широком интервале рабочих температур (125÷210°С) без существенного увеличения себестоимости изготовления;

- расширение функциональных возможностей мощных полупроводниковых резисторов, например возможность использования их в качестве шунтов;

На фиг.1 приведена конструкция резистивного элемента, заявляемого мощного полупроводникового резистора-шунта. Кремниевый диск резистивного элемента состоит из толстой сильнолегированной n+-подложки 1 и тонкого высокоомного эпитаксиального n-слоя 2. Омические контакты обеспечиваются созданием приконтактных сильнолегированных n++-областей 3 и их металлизацией 4. Для минимизации температурной зависимости сопротивления в структуру вводят радиационные дефекты с помощью облучения ускоренными электронами (е-). Для устранения краевых эффектов диск имеет фаску 5, торцевая поверхность которой защищена кремнийорганическим компаундом 6.

Величина номинального сопротивления резистора-шунта Rном [Ом] после облучения и отжига оценивается по формуле

мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113

где мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n [Ом·см] - удельное сопротивление высокоомного эпитаксиального n-слоя после облучения и отжига;

hn [см] - толщина высокоомного эпитаксиального слоя;

мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n+ [Ом·см]- удельное сопротивление n +-подложки после облучения и отжига;

h n+ [см]- толщина n+-подложки;

S [см2] - площадь кремниевого диска.

Следует иметь в виду, что после облучения и отжига, требуемых для обеспечения ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10%, исходное удельное сопротивление высокоомного эпитаксиального слоя

мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 увеличивается примерно в 2 раза, то есть мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 nмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0.

Обычно толщина n+ -подложки больше толщины эпитаксиального n-слоя в ~30÷40 раз, тем самым обеспечивается механическая прочность резистивного элемента, ее удельное сопротивление мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n+ примерно на 3 порядка меньше удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального слоя (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n), то есть сопротивлением подложки можно пренебречь.

Границы предлагаемого интервала исходного удельного сопротивления эпитаксиального слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7÷120 Ом·см обосновываются тем, что при мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0>120 Ом·см максимально допустимая температура резистора-шунта (Trm) становится менее 130°С, что является не допустимым согласно требованиям технических условий на высокотемпературные резисторы; при рn<7 Ом·см резко увеличивается себестоимость процесса облучения за счет увеличения времени облучения (более 5 часов).

Выбор интервалов концентраций радиационных дефектов NРД =4·1013÷7,5·1014 см -3 после облучения и термического отжига, согласованных с ними доз облучения ускоренными электронами Ф=1,6·10 15÷3,1·1016 см-2 и температур отжига Тотж=305÷325°С в зависимости от исходного удельного сопротивления высокоомного эпитаксиального n-слоя (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0) обосновывается в конкретном примере исполнения на основе данных, представленных в таблицах 1-3 и фиг.2.

На фиг.2 представлены эмпирические зависимости необходимых концентраций радиационных дефектов NРД после облучения и отжига (значения по правой оси ординат), вводимых в резистивный элемент и соответствующих им доз облучения Ф (значения по левой оси ординат) ускоренными электронами (3,5 МэВ) в зависимости от исходного удельного сопротивления кремния мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 (значения по оси абсцисс) при изготовлении резистивных элементов по прототипу (1, 2) и согласно предлагаемому техническому решению (3, 4). На фиг.2:

- цифрой 1 обозначена зависимость дозы облучения ускоренными электронами от исходного удельного сопротивления резистивного элемента при изготовлении резистивного элемента по прототипу [3];

- цифрой 2 обозначена зависимость концентрации радиационных дефектов после облучения и отжига (Тотж=280°С) от исходного удельного сопротивления кремния при изготовлении резистивного элемента по прототипу [3];

- цифрой 3 обозначена зависимость дозы облучения ускоренными электронами от исходного удельного сопротивления эпитаксиального n-слоя при изготовлении резистивного элемента согласно предлагаемому техническому решению;

- цифрой 4 обозначена зависимость концентрации радиационных дефектов после облучения и отжига (Тотж=315°С) от исходного удельного сопротивления эпитаксиального n-слоя при изготовлении резистивного элемента согласно предлагаемому техническому решению.

Например, при изготовлении резистивного элемента по прототипу из кремния с исходным удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0=20 Ом·см потребуется доза облучения ускоренными электронами (зависимость 1) 6,6·1015 см-2 , чтобы после отжига при Тотж=280°С в течение 1 часа концентрация радиационных дефектов составила

2·1014 см-3 (зависимость 2), что обеспечит ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10%.

При изготовлении предлагаемого резистивного элемента при использовании эпитаксиальной n-n +-структуры с исходным удельным сопротивлением высокоомного эпитаксиального n-слоя мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=20 Ом·см потребуется доза облучения ускоренными электронами (зависимость 3) 1·1016 см-2, чтобы после отжига при Тотж=315°С в течение 1 часа получить концентрацию радиационных дефектов, равную 2,5·1014 см-3 (зависимость 4), что позволит обеспечить ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10%.

Пример конкретного исполнения

При изготовлении экспериментальных образцов резистивных элементов, выполненных в виде кремниевых дисков диаметром 70 мм, состоящих из толстой hn+=380 мкм сильнолегированной сурьмой n+-подложки (КЭС) с удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n+=0,01 Ом·см и тонкого hn=20 мкм высокоомного эпитаксиального n-слоя, легированного фосфором (КЭФ), с исходным удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7, 20 и 120 Ом·см были использованы предлагаемый и известный способы. Изготовление проводили по следующей схеме:

- вырезка резистивных элементов диаметром 72 мм из кремниевых эпитаксиальных структур мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 и мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 диаметром 76 мм;

вырезка необходима для удаления краевого дефектного слоя;

- создание приконтактных n++-областей путем диффузии фосфора, обеспечивающей глубину n++-слоя около 5 мкм и поверхностную концентрацию фосфора ~1020 см-3;

- создание омических контактов толщиной металлизации ~12 мкм, диаметром 70 мм путем напыления алюминия с последующим вжиганием;

- снятие фасок с торцевой поверхности дисков до границы алюминиевого контакта;

- измерение сопротивления резистивных элементов;

- облучение и отжиг резистивных элементов, изготовленных:

1) из кремния с исходным удельным сопротивлением 120 Ом·см,

Ф=1,1·10 15 см-2отж=280°С) - прототип.

Ф=1,5·1015 см-2 отж=300, 305, 315, 325, 330°С),

Ф=1,6·10 15 см-2отж=280, 300, 305, 315, 325, 330°С),

Ф=1,7·1015 см -2отж=300, 305, 315, 325, 330°С).

2) из кремния с исходным удельным сопротивлением 20 Ом·см,

Ф=6,6·1015 см -2отж=280°С) - прототип.

Ф=0,9·1016 см-2отж=300, 305, 315, 325, 330°С),

Ф=1,0·10 16 см-2отж=280, 300, 305, 315, 325, 330°С),

Ф=1,1·1016 см -2отж=300, 305, 315, 325, 330°С).

3) из кремния с исходным удельным сопротивлением 7 Ом·см,

Ф=2,1·1016 см -2отж=280°С) - прототип.

Ф=3,0·1016 см-2отж=300, 305, 315, 325, 330°С),

Ф=3,1·10 16 см-2отж=280, 300, 305, 315, 325, 330°C),

Ф=3,2·1016 см -2отж=300, 305, 315, 325, 330°С).

Облучение проводили электронами с энергией 3,5 МэВ при комнатной температуре. Термический отжиг проводили в инертной среде в течение одного часа (времени, достаточного для завершения структурной перестройки радиационных дефектов);

- измерение сопротивления резистивных элементов после облучения и отжига;

- травление торцевой поверхности резистивных элементов, защита кремнийорганическим компаундом (ВГС) с последующей сушкой при температуре 180°С в течение 6 часов;

- измерение основных параметров и характеристик (номинальное сопротивление, ВАХ, температурная характеристика сопротивления и др.).

Измерение номинального сопротивления проводилось миллиомметром GW Instek GOM-802 четырехпроводным методом амперметра-вольтметра с точностью ±(0,001·Rизмеряемое+6 мкОм) в корпусе с двумя потенциальными выводами при усилии сжатия 36 кН.

Для сравнения были изготовлены так же экспериментальные образцы резисторов по прототипу [3] из кремния диаметром 70 мм, толщиной, равной суммарной толщине подложки и эпитаксиального слоя заявляемого резистивного элемента, то есть 380 мкм+20 мкм=400 мкм, с исходным удельным сопротивлением 7, 20 и 120 Ом·см. Для статистической обработки количество образцов с различным сочетанием исходного удельного сопротивления, режимов облучения и отжига было не менее 10 каждой вариации.

Усредненные значения номинального сопротивления (Rном) и ТХС резистивных элементов, изготовленных по прототипу [3] и предлагаемому техническому решению, приведены в таблицах 1-3.

Сравнительный анализ параметров и характеристик резистивных элементов показывают, что использование тонкого эпитаксиального n-слоя с исходным удельным сопротивлением мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0 от 7 до 120 Ом·см с введением радиационных дефектов с концентрацией NРД от 4·1013 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 7,5·1014 см-3 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см путем облучения резистивных элементов ускоренными электронами (3,5 МэВ) дозой Ф от 1,6·10 15 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см до 3,1·1016 см-2 для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см (см. фиг.2) позволяет значительно уменьшить номинальное сопротивление мощного кремниевого резистора-шунта в сравнении с прототипом

для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=120 Ом·см Rном уменьшается с 310 мОм до 9,4 мОм,
для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=20 Ом·см Rном уменьшается с 51,6 мОм до 1,58 мОм,
для мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0=7 Ом·см Rном уменьшается с 18 мОм до 0,54 мОм

при сохранении максимально допустимой рабочей температуры резистивных элементов и низкой себестоимости их изготовления. Такие резисторы могут быть использованы в качестве шунтов.

Таблица 1
Исходное удельное сопротивление* 120 Ом·см
Максимально допустимая температура резистивных элементов (T rm) 130÷135°С
Техническое решение Доза облучения Ф, см-2 Температура отжига, °С Сопротивление, Rном, мОм ТХС, %
Прототип1,1·10 15280 310 ±8
Предлагаемое техническое решение мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113

1,5·1015
3008,8 +18
305 8,9 +16
315 9,0 +13
325 9,0 +17
330 8,9 +20
280 8,6 +17
300 8,9 +13
1,6·1015 3059,2 +9
315 9,4 ±2
3259,5 -8
330 9,7 -14
1,7·1015 30010,3 -19
305 10,2 -16
315 10,0 -14
325 10,3 -17
330 10,5 -20

Таблица 2
Исходное удельное сопротивление* 20 Ом·см
Максимально допустимая температура резистивных элементов (T rm)=180÷185°С
Техническое решение Доза облучения Ф, см-2 Температура отжига, °С Сопротивление Rном, мОм ТХС, %
Прототип6,6·10 15280 51,6 ±4
Предлагаемое техническое решение 0,9·1016 3001,45 +19
305 1,5 +17
315 1,55 +14
325 1,53 +16
330 1,51 +18
1·1016 2801,48 +18
300 1,5 +14
305 1,54 +8
315 1,56 ±6
3251,58 -9
330 1,61 -13
1,1·1016 3001,7 -18
305 1,68 -16
315 1,66 -13
325 1,7 -15
330 1,74 -19

Таблица 3
Исходное удельное сопротивление* 7 Ом·см
Максимально допустимая температура резистивных элементов (T rm) 200÷210°С
Техническое решение Доза облучения Ф, см-2 Температура отжига, °С Сопротивление Rном, мОм ТХС, %
Прототип2,1·10 16280 18,0 ±6
Предлагаемое техническое решение 3·1016 28018,0 ±6
3000,5 +18
305 0,51 +15
315 0,52 +12
325 0,52 +17
330 0,51 +19
3,1·1016 2800,48 +18
300 0,5 +12
305 0,52 +5
315 0,54 ±8
3250,55 -9
330 0,56 -15
3,2·1016 3000,59 -20
305 0.57 -15
315 0,57 -13
325 0,59 -16
330 0,6 -18
* Примечание: для прототипа - исходное удельное сопротивление кремния до облучения и отжига (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 0), для предлагаемого технического решения - исходное удельное сопротивление высокоомного эпитаксиального слоя (мощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 n0).

Отклонение дозы облучения и связанной с ней концентрации дефектов на ±10% или температуры на ±10°С от указанной в предлагаемом техническом решении приводит к недопустимому ухудшению ТХС (норма для ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10%). Так же показано, что использовать дозу облучения по предлагаемому способу, а отжиг по прототипу (Тотж =280°С) недопустимо, так как ТХС таких элементов превышает норму. Таким образом, подтверждается необходимость и достаточность отличительных признаков предлагаемого технического решения.

Отличие режимов облучения и отжига от указанных в прототипе [3], по-видимому, обусловлено образованием другой совокупности радиационных дефектов в эпитаксиальном n-слое после, так называемого, «отрицательного» отжига.

К преимуществам предлагаемой конструкции и способа изготовления мощного полупроводникового резистора-шунта относятся:

- возможность расширения границ номинального сопротивления резисторов в область низких значений при сохранении температурной стабильности и себестоимости изготовления;

- расширение функциональных возможностей мощных полупроводниковых резисторов - использование их в качестве шунтов.

Например, в системе эвакуации энергии в аварийных режимах эксплуатации сверхпроводящего ускорителя «Нуклотрон» используется ключ, состоящий из четырех параллельно соединенных мощных быстродействующих тиристоров ТБ373-2000-20 [1].

Для выравнивания быстро нарастающих токов использовались мощные резисторы-шунты с номиналом Rном =0,5 мОм, сопоставимым с динамическим сопротивлением тиристора (rT). Однако из-за того, что ТХС таких резисторов-шунтов превышала +100%, их применимость в качестве датчиков для мониторинга распределения тока ограничена максимально допустимым перегревом резистивного элемента, не превышающим 30°С.

Предлагаемое техническое решение позволяет изготовить резисторы с Rном=0,5 мОм, ТХСмощный полупроводниковый резистор-шунт и способ его изготовления, патент № 2388113 ±10% и допустимым перегревом не менее 100°С и, как следствие, увеличить выделяемую мощность примерно в три раза. Работа предлагаемых резисторов-шунтов в устройстве [1] заключается в следующем: при параллельном включении тиристоров сопротивление резисторов-шунтов является добавочным (балластным) и способствует выравниванию токов в параллельных цепях. Кроме того, поскольку собственная индуктивность таблеточных резисторов ничтожна мала, они могу быть использованы как датчики тока, для этого в корпусе должны быть потенциальные выводы. То есть при протекании силового тока через токовые контакты резистора с потенциальных контактов снимается потенциал (падение напряжения) и подается на регистрирующий прибор с целью мониторинга и т.п.

В таблице 4 показана возможность расширения нижней границы номинальных сопротивлений уже имеющихся типов высокотемпературных резисторов (ТУ 16-93.ЕАИГ.434129.001ТУ).

Таблица 4
Тип резистора Rном, мОм
Согласно ТУ 16-93. ЕАИГ.434129.001 ТУ Прототип [3]Предлагаемое решение
РК2231000 743,6
РК233 56040 2,5
РК243 390 211,5
РК253 27011 0,9
РК273 150 60,25

Источники информации

1. Асина С.С., Смирнов А.А., Карпинский В.Н., Кондрашов Е.И. «Исследование возможности применения мощных кремниевых шунтов в системе питания сверхпроводящего ускорителя». Электротехника, № 9, 2006, стр.70 (аналог конструкции).

2. Патент РФ № 2169411, кл. H01L 29/30, 21/263, опубл. 20.06.2001 (аналог способа).

3. Патент РФ № 2284610, кл. H01L 21/263, опубл. 27.09.2006 (прототип).

Класс H01L29/30 отличающиеся физическими дефектами структуры; имеющие полированную или шероховатую поверхность

кристаллическая подложка из alxgayin1-x-yn, полупроводниковый прибор и способ его изготовления -  патент 2401481 (10.10.2010)
мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления -  патент 2169411 (20.06.2001)
мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления -  патент 2086043 (27.07.1997)

Класс H01L21/263 с высокой энергией

способ формирования магнитной паттернированной структуры в немагнитной матрице -  патент 2526236 (20.08.2014)
способ формирования высококачественных моп структур с поликремниевым затвором -  патент 2524941 (10.08.2014)
способ и устройство для нейтронного легирования вещества -  патент 2514943 (10.05.2014)
способ модификации поверхностей металлов или гетерогенных структур полупроводников -  патент 2502153 (20.12.2013)
способ формирования проводников в наноструктурах -  патент 2477902 (20.03.2013)
способ изготовления мощного полупроводникового резистора -  патент 2445721 (20.03.2012)
способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице -  патент 2404479 (20.11.2010)
способ изготовления полупроводниковой структуры -  патент 2402101 (20.10.2010)
способ формирования композиционной структуры -  патент 2363068 (27.07.2009)
способ изготовления резистивных элементов полупроводниковых резисторов -  патент 2361317 (10.07.2009)
Наверх