диод силовой низкочастотный выпрямительный непланарный и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Диод силовой низкочастотный выпрямительный непланарный, преимущественно на рабочий ток свыше 1000 А и рабочее напряжение не менее 1000 В, содержащий внутренний токоподводящий контакт, на котором закреплена непланарная полупроводниковая подложка кремниевой структуры трубчатой формы, изготовленная из сплошного слитка кремния, выращенного в направлении <111>, на которой закреплен трубчатой формы наружный токоподводящий контакт, отличающийся тем, что внутренний токоподводящий контакт выполнен в виде медной втулки с продольной внутренней полостью для прохождения хладагента или в виде гибкой спирали из меди, навитой виток к витку, на наружной поверхности которой пайкой закреплен бандаж в виде слоя из молибдена, к внешней поверхности которого пайкой прикреплена непланарная замкнутая кремниевая полупроводниковая композиция р⁺-р-n-n⁺ в виде полого симметричного тела вращения с защитным оксидным диэлектрическим покрытием границ выхода р-n перехода на ее торцы, представляющую собой комбинацию прямых на участке рабочего р-n перехода и параболических на торцах участков цилиндрических поверхностей, на поверхность торцов композиции по границам выхода р-n перехода методом магнетронного напыления произведено осаждение защитного слоя диэлектрика в виде диоксида кремния или оксида гафния, а между границами выхода р-n перехода на внешней поверхности торцов непланарной структуры сформирована высоколегированная р⁺- область в виде напыленного на внешнюю поверхность непланарной структуры слоя алюминия для закрепления трубчатой формы наружного токоподводящего контакта, при этом непланарная кремниевая полупроводниковая р⁺ -р-n-n⁺ композиция и закрепленный на ней наружный токоподводящий контакт смонтированы между стеклокерамическими шайбами, закрепленными на указанном бандаже.

2. Диод по п.1, отличающийся тем, что внутренняя стенка медной втулки внутреннего токоподводящего контакта выполнена оребренной с нарезкой ребер треугольного профиля поперек движения потока хладагента внутри полости и высотой не более 20% радиуса внутреннего канала втулки.

3. Способ изготовления диода силового низкочастотного выпрямительного непланарного, преимущественно на рабочий ток свыше 1000 А и рабочее напряжение не менее 1000 В, заключающийся в выращивании профильного монокристалла низколегированного кремния в виде трубы с плотностью не выше 10³-10⁴ см^-2, изготовлении цилиндрической полой подложки из этой трубы методом механической резки в направлении роста <111>, шлифовки и полировки, формировании методом диффузии замкнутых слоев кремния (р ⁺), р и n (n⁺)-типов проводимости на поверхности подложек в виде тонкостенных полых цилиндров с переменной толщиной стенок, для формирования рабочего р-n перехода и снижения токов утечки, защите поверхности торцов путем напыления диэлектрика, металлизации внешней и внутренней поверхностей непланарных кремниевых структур и сборке диода путем прикрепления металлических внешнего и внутреннего контактов к внешней и внутренней поверхностям соответственно полой цилиндрической полупроводниковой р⁺-р-n-n ⁺ композиции, отличающийся тем, что внутренний контакт выполняют в виде медной (или бронзовой) втулки с продольной внутренней полостью для прохождения хладагента или в виде гибкой спирали из меди, навитой виток к витку, на наружной поверхности этого контакта пайкой закрепляют бандаж в виде слоя из молибдена, цилиндрическую полую р⁺-р-n-n⁺ композицию со стенками переменной толщины, имеющей прямые цилиндрические и параболические участки поверхности, сформированную методом диффузии на основе полой непланарной кремниевой подложки из низколегированного кремния необходимого структурного совершенства, типа проводимости и удельного сопротивления путем механической обработки, для получения торцевых частей с наружной цилиндрической или параболической поверхностью, поверх которых методом магнетронного напыления производят осаждение слоя диоксида кремния или оксида гафния на наружную поверхность торцов по границам выхода р-n перехода толщиной не менее 1 мкм, которое производят после проведения при откаченной атмосфере до величины давления не более 10^-6 мм рт.ст. в аргоне с точкой росы не менее -70°С ионного травления поверхностей торцов в областях выхода границ р-n перехода, на внешнюю поверхность которой напыляют слой алюминия для закрепления трубчатой формы наружного токоподводящего контакта, после сборки диода осуществляют закрепление на бандаже стеклокерамических шайб для образования корпуса диода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области силовой промышленной электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления выпрямительных полупроводниковых диодов с р-n переходами, и может быть использовано в электронной промышленности. В частности, изобретение рассматривает конструкцию силового низкочастотного выпрямительного непланарного диода на рабочий ток не менее 1000 А и рабочее напряжение не менее 1000 В. Такие диоды широко применяются в устройствах силовой промышленной электроники на транспорте, металлургии, хим. промышленности, энергетике и т.д.

Конструирование и серийное производство планарных диодов на основе плоских полупроводниковых р-n композиций для диодов с указанными рабочими характеристиками, площадью плоской монокристаллической р⁺-р-n-n⁺ композиции, как основы диода, от 500 мм² вызывает значительные трудности, а именно:

- для обеспечения малых величин токов утечки (до 10 мкА) выполняют несколько специальных элементов конструкции полупроводниковой р-n композиции (охранные кольца) за счет полезной площади полупроводниковой р-n композиции, что требует значительных технологических и материальных затрат;

- с этой же целью применяют изготовление специального профиля поверхности краев полупроводниковой монокристаллической р-n композиции (прямые и обратные фаски, фаски типа «ласточкин хвост»), выполнение которых связано со значительными технологическими трудностями и дополнительным расходом полезной площади полупроводниковой р-n композиции;

- для обеспечения механической устойчивости системы металл-плоская (планарная) полупроводниковая р-n композиция применяют массивные вольфрамовые или молибденовые диски - термокомпенсаторы, толщина которых в десятки раз превышает толщину полупроводниковой композиции, что обуславливает трудность отвода тепла, выделяющегося в объеме полупроводниковой композиции и термокомпенсатора при прохождении рабочего тока;

- с целью обеспечения электрического контакта плоской поверхности полупроводниковой р-n композиции и силового металлического токоподводящего контакта выполняют механически прижатые плоские поверхности полупроводника и металла, что не обеспечивает сплошного контакта по всей площади их соприкосновения и повышает тепловое сопротивление такого соединения.

Рост потребления и преобразования электроэнергии во всех отраслях промышленности, транспорта и социальной сферы требует создания новых систем ее передачи, преобразования и использования. Распределение и преобразование электроэнергии выполняют при помощи устройств промышленной электроники. Элементной базой этих устройств и систем являются дискретные силовые полупроводниковые приборы: выпрямительные диоды, тиристоры, транзисторы и т.д., в которых основным элементом структуры является p-n переход на основе плоского монокристалла полупроводника (кремния).

В настоящее время дискретные мощные силовые полупроводниковые приборы: выпрямительные диоды, тиристоры и др., на рабочие токи свыше 100 А и рабочие напряжения свыше 100 В наиболее часто создаются на монокристаллическом кремнии диаметром до 150 мм.

Для обеспечения рабочих параметров и увеличения срока эксплуатации планарных силовых полупроводниковых приборов используют массивные молибденовые шайбы - термокомпенсаторы диаметром, соответствующим диаметру плоского монокристалла кремния и прижимные механические контакты. Такие конструкции значительно (в 6-10 раз) увеличивают массогабариты мощных силовых полупроводниковых приборов и устройств на их основе.

Основными трудностями при конструировании плоских (планарных) выпрямительных силовых полупроводниковых диодов на рабочее напряжение свыше 1000 В и рабочие токи свыше 1000 А являются:

- выполнение эффективного отвода тепла, выделяющегося при прохождении рабочего тока через полупроводниковый монокристалл и детали корпуса диода;

- изготовление паяных контактов металл-полупроводник большой площади (свыше 1000 мм ²);

- максимальное снижение токов утечки при максимальном обратном смешении;

- механическая устойчивость (отсутствие остаточных механических упругих напряжений в системе металл-полупроводниковый монокристалл) (Н.М.Тугов, Глебов, Н.А.Чарыков. «Полупроводниковые приборы», М.: «Энергия», 1990, 576 с.; А.Д.Булкин, Н.И.Якивчик. «Технология и оборудование производства силовых полупроводниковых приборов». М.: Энергоатомиздат, 1984.-256 с.; П.С.Агалар-заде, А.И.Петрин, С.О.Изитдинов. «Основы конструирования и технологии обработки поверхности р-n перехода». М.: Сов. Радио, 1978 г., 224 с.; А.И.Аксенов. «Отвод тепла в полупроводниковых приборах». М.: «Энергия», 1971, 176 с.).

Перечисленные особенности конструкций мощных планарных силовых полупроводниковых приборов делают актуальной задачу разработки новых альтернативных конструкций дискретных приборов и технологий их изготовления.

Новым направлением в создании мощных силовых полупроводниковых приборов является применение профильных монокристаллов кремния и виде тонкостенных полых цилиндров (труб) с замкнутыми p-n переходами, созданными, в частности, в процессе эпитаксиального наращивания слоев на цилиндрической поверхности непланарных подложек.

Известен полупроводниковый выпрямительный диод, содержащий омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n⁺-типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p⁺ типа слой и многослойный металлический контакт, омический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния, на внешней поверхности которого выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n⁺ типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый слой n типа, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p⁺-типа слой, поверх которого нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока (RU № 2168799, H01L 29/861, опубл. 10.06.2001).

В этом диоде омический контакт выполнен из немагнитных металлов: молибдена, или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов, а цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или платины, или меди, или алюминия и других.

Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.

Недостатком данного решения является то, что в источнике не указаны пути снижения величины токов утечки по границам выхода краев p-n переходов на поверхность торцов полупроводниковой структуры (композиции), не указан способ сборки диода, не указаны особенности конструкции, позволяющие повысить эффективность отвода тепла, выделяющегося в элементах конструкции диода при протекании рабочего тока, к потоку хладагента, движущемуся по центральному каналу.

Из статьи «Разработка технологии производства силовых выпрямительных диодов на непланарном кремнии», авторы Л.В.Кожитов, Т.Т.Кондратенко (Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет), Материалы I Международной казахстанско-российско-японской научной конференции и IV российско-японского семинара «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», Под редакцией проф. Л.В.Кожитова, МИСиС - Interactive Corp. - ВКГТУ, 24-25 июня 2008 года, г.Усть-Каменогорск, М.: издательство МГИУ, с.511-528, известен способ изготовления силовых выпрямительных диодов на непланарном кремнии, заключающийся в выращивании профильных монокристаллов высоколегированного кремния в виде труб методом Чохральского (структура трубчатых монокристаллов кремния для цилиндрических подложек имеет плотность не выше 10³-10⁴ см^-2 и распределение удельного электрического сопротивления по образующей цилиндра - разбор не более 10-15%), изготовление цилиндрических полых подложек из труб методом механической резки цилиндрической коронкой с алмазным абразивом в направлении роста <111>, совпадающего с центральной продольной осью цилиндра, шлифовку и полировку до достижения наноразмерных величин шероховатости поверхности (50 нм), выращивание замкнутых автоэпитаксиальных слоев кремния на поверхности подложек в виде тонкостенных полых цилиндров (внешний диаметр 28-35 мм при толщине 3 мм) (цилиндрические (непланарные) p-n переходы на поверхности цилиндрических подложек получают методом парофазной эпитаксии осаждением (ПФХО) в системе SiH₄-H₂) и сборку непланарного выпрямительного диода (химическая обработка и металлизация внешней и внутренней поверхностей цилиндрических полых кремниевых структур, защита диэлектриком торцов полой цилиндрической структуры по границам p-n перехода, изготовление массивных гибких металлических контактов к внешней и внутренней поверхностям полого цилиндрического полупроводникового монокристалла и сборка диодной структуры, состоящей из полого цилиндрического полупроводникового монокристалла с металлизированными поверхностями, покрытыми диэлектриком торцами и гибких массивных токопроводящих контактов).

С использованием такого способа были изготовлены образцы цилиндрических непланарных диодов с внутренней системой охлаждения (прохождение хладагента через полость цилиндра) на рабочее напряжение 80-100 В и рабочий ток 100-150 А.

Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного способа.

Недостаток данного решения заключается в том, что этот диод не может использоваться в качестве силового на рабочих токах 1000 А и выше и рабочем напряжении свыше 1000 В из-за невозможности формирования непланарного базового эпитаксиального полупроводникового (в частности, кремниевого) слоя необходимой толщины, структурного совершенства и удельного сопротивления.

В литературных источниках не удалось найти описания способа изготовления выпрямительного диода на основе эпитаксиальных непланарных полупроводниковых p-n композиций, рассчитанных на рабочие токи свыше 1000 А и рабочее напряжение свыше 1000 В, с эффективным отводом выделяющегося при работе тепла, высокой механической устойчивостью системы металл-полупроводник.

Настоящее изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплутационно-технических характеристик за счет:

- достижения значений рабочих параметров непланарного диода: рабочий ток не менее 1000 А, рабочее напряжение не менее 1000 В,

- снижения величин токов утечки за счет выполнения специального профиля (фиг.1 и 2) торцов непланарной p-n структуры, а также за счет нового способа защиты границ p n-областей полупроводниковой композиции, выходящих на поверхность ее торцов;

- обеспечения механической устойчивости системы металл-полупроводник за счет новой геометрии (цилиндрической замкнутой оболочки переменной толщины);

- обеспечения эффективности отвода тепла путем повышения коэффициента теплоотдачи при протекании хладагента по внутреннему каналу путем принудительной турбулизации потока поперечно-винтовыми ребрами на его внутренней поверхности;

- обеспечения возможности пайки силовых токоподводящих контактов к поверхности непланарной p-n композиции.

Указанный технический результат для устройства достигается тем, что в диоде силовом низкочастотном выпрямительном непланарном, преимущественно на рабочий ток свыше 1000 А и рабочее напряжение не менее 1000 В, содержащем внутренний токоподводящий контакт, на котором закреплена непланарная полупроводниковая кремниевая структура (композиция) p⁺-p-n-n⁺ трубчатой формы, изготовленная из сплошного слитка кремния, выращенного в направлении <111>, на которой закреплен трубчатой формы наружный токоподводящий контакт, внутренний токоподводящий контакт выполнен в виде медной втулки с продольной внутренней полостью для прохождения хладагента или в виде гибкой спирали из меди либо медного сплава (хром-циркониевой бронзы), навитой виток к витку, на наружной поверхности которой пайкой закреплен бандаж в виде слоя из молибдена; непланарная кремниевая полупроводниковая p⁺-p-n-n⁺ композиция сформирована методами диффузии, с защитным оксидным диэлектрическим покрытием границ выхода p-n перехода на торцы цилиндрической формы, в виде осажденного по границам выхода p-n перехода методом магнетронного напыления защитного слоя диэлектрика в виде диоксида кремния или оксида гафния, а между границами выхода p-n перехода на внешнюю поверхность торцов непланарной структуры сформирована высоколегированная p⁺-область путем напыления на внешнюю поверхность непланарной структуры слоя алюминия для закрепления трубчатой формы наружного токоподводящего контакта методом пайки, при этом непланарная кремниевая полупроводниковая p⁺-p-n-n ⁺ композиция выполнена на основе непланарной подложки и закрепленный на ней наружный токоподводящий контакт смонтированы между стеклокерамическими шайбами, закрепленными на указанном бандаже.

При этом внутренняя стенка медной втулки внутреннего токоподводящего контакта может быть выполнена оребренной с нарезкой ребер треугольного профиля поперек движения потока хладагента внутри полости и высотой не более 20% радиуса внутреннего канала втулки.

Указанный технический результат для способа достигается тем, что в способе изготовления диода силового низкочастотного выпрямительного непланарного, преимущественно на рабочий ток свыше 1000 А и рабочее напряжение не менее 1000 В, заключающемся в выращивании профильного монокристалла высоколегированного кремния в виде трубы с плотностью не выше 10³-10 ⁴ см^-2, изготовление цилиндрической полой подложки из этой трубы методом механической резки в направлении роста <111>, шлифовки и полировки, формирование замкнутых слоев кремния p- и n-типов проводимости методом диффузии на поверхности подложек в виде тонкостенных полых цилиндров для формирования p-n переходов, защиты границ p- и n-областей на поверхности торцов путем нанесения диэлектрика, до металлизации и пайки контактов, металлизацию внешней и внутренней поверхностей кремниевых структур и сборку диода путем прикрепления металлических внешнего и внутреннего контактов к внешней и внутренней поверхностям соответственно полого цилиндрического полупроводникового монокристалла, внутренний контакт выполняют в виде медной втулки с продольной внутренней полостью для прохождения хладагента или в виде гибкой спирали из меди, навитой виток к витку, на наружной поверхности этого контакта пайкой закрепляют бандаж в виде слоя из молибдена, цилиндрическую полую подложку кремниевой структуры механически обрабатывают для получения торцевых частей с наружной цилиндрической или параболической поверхностью и с параболической формы переходами в цилиндрический участок, на который напыляют слой алюминия для закрепления трубчатой формы наружного токоподводящего контакта, при этом для получения кремниевой полупроводниковой подложки p⁺-p-n-n ⁺ структуры на внешнюю поверхность механически обработанной подложки методом центрифугирования наносят слои диффузанта, содержащего бор, для образования области p-типа и формирования p-n перехода, поверх которых методом магнетронного напыления производят осаждение слоя диоксида кремния или оксида гафния на наружную поверхность торцов по границам выхода p-n перехода толщина не менее 1 мкм, которое производят после проведения при откаченной атмосфере до величины давления не более 10^-6 мм рт.ст. в аргоне с точкой росы не менее -70°C ионного травления поверхностей торцов в областях выхода границ p-n перехода, а после сборки диода осуществляют закрепление на бандаже стеклокерамические шайбы для образования корпуса.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 показан продольный разрез силового выпрямительного диода;

на фиг.2 показан первый пример выполнения полупроводниковой подложки;

на фиг.3 показан второй пример выполнения полупроводниковой подложки, размещенной на молибденовой трубе-термокомпенсаторе;

на фиг.4 показан третий пример выполнения полупроводниковой подложки, размещенной на молибденовой трубе-термокомпенсаторе;

на фиг.5 - монокристалл кремния в виде трубы;

на фиг.6 - то же, что на фиг.5, после механической обработки;

на фиг.7 - полупроводниковая подложка с эпитаксиальными слоями кремния на поверхности.

Согласно настоящего изобретения рассматривается конструкция диодной полупроводниковой непланарной композиции и высоковольтного низкочастотного выпрямительного диода на ее основе (фиг.1).

Высоковольный низкочастотный выпрямительный непланарный диод на рабочий ток свыше 1000 А и рабочее напряжение не менее 5000 В включает в себя внутренний силовой непланарный токоподводящий контакт, изготовленный методом пайки при помощи серебросодержащих высокотемпературных припоев типа ПСр в виде двухслойной биметаллической трубы, состоящей из внешнего слоя 1 из молибдена, охватывающего по типу бандажа по наружной поверхности массивную медную втулку 2 с продольной внутренней полостью 3 или гибкую спираль, навитую виток к витку (не показана). Наличие внутренней полости в медной втулке 2 дает возможность пропускать проток хладагента для эффективного охлаждения прибора в процессе эксплуатации. Внутреннюю поверхность медной трубы выполняют оребренной, нарезку ребер 4 треугольного профиля выполняют поперек движения потока хладагента в центральном канале контакта. Высота ребер - не более 20% радиуса внутреннего канала. Ребра выполняют с целью принудительной турбулизации пристеночного слоя хладагента (воды) для повышения величины коэффициента теплоотдачи при движении хладагента со стандартными скоростями 1, 3, 6 м/с.

На молибденовом внешнем слое 1 закреплена непланарная полупроводниковая подложка 5 Si структуры трубчатой формы с наружным напылением слоя 6 SiO₂ (или GfO) и алюминиевая прокладка 7 для монтажа наружного силового контакта 8 трубчатой формы. Подложка 5 с контактом 8 закрепляется с торцов между стеклокерамическими шайбами 9, выполняющими функцию корпуса.

Сопряжение поверхностей полупроводниковой непланарной подложки и непланарных силовых токоподводящих контактов осуществляют через прокладку 10 припоя олово-медь-серебро для внутреннего контакта и прокладку 7 в виде алюминиевой фольги толщиной 30 мкм - для внешнего контакта.

Данный диод изготавливается по следующему способу:

- выращивают профильный монокристалл кремния в направлении роста <111>, необходимого типа проводимости (n или p) в виде трубы заданного внутреннего диаметра и толщины стенки с плотностью дислокации не выше 10³-10⁴ см ^-2, необходимого удельного сопротивления;

- изготавливают из этой трубы цилиндрическую полую заготовку методом коаксиальной механической резки в направлении роста <111>, шлифовки и полировки,

- изготавливают методами механической шлифовки и полировки исходную подложку, поверхность которой состоит из прямых цилиндрических и параболических участков;

- формируют методом диффузии из твердого или газообразного источника замкнутые слои p⁺-p (либо n⁺-n) типов проводимости на внешней либо внутренней поверхности непланарной подложки;

- проводят осаждение диэлектрика (SiO ₂, GfO) на торцы методом магнетронного напыления с предварительным ионным травлением поверхности торцов p⁺-p-n-n ⁺ композиции для защиты выходов p и n - областей на поверхность;

- осуществляют металлизацию внешней и внутренней поверхностей кремниевых структур, с перекрытием края слоя диэлектрика («внахлест»);

- и осуществляют сборку диода путем прикрепления металлических внешнего и внутреннего контактов к внешней и внутренней поверхностям соответственно полого цилиндрического полупроводникового монокристалла.

При этом:

- внутренний контакт выполняют в виде медной втулки с продольной внутренней полостью для прохождения хладагента или в виде гибкой спирали из меди (либо хром-циркониевой бронзы), навитой виток к витку, на наружной поверхности этого контакта пайкой закрепляют бандаж в виде слоя из молибдена,

- цилиндрическую полую подложку кремниевой структуры механически обрабатывают для получения торцевых частей с наружной цилиндрической или параболической поверхностью и с параболической формы переходами в цилиндрический участок, на который напыляют слой алюминия для закрепления трубчатой формы наружного токоподводящего контакта, при этом для получения кремниевой полупроводниковой подложки p⁺-p-n-n⁺ структуры на внешнюю поверхность механически обработанной подложки методом центрифугирования наносят слои диффузанта, содержащего бор, для образования области p-типа и формирования p-n перехода, поверх которых методом магнетронного напыления производят осаждение слоя диоксида кремния или оксида гафния на наружную поверхность торцов по границам выхода p-n перехода толщина не менее 1 мкм, которое производят после проведения при откаченной атмосфере до величины давления не более 10 ^-6 мм рт.ст. в аргоне с точкой росы не менее -70°C ионного травления поверхностей торцов в областях выхода границ p-n перехода,

- после сборки диода осуществляют закрепление на бандаже стеклокерамические шайбы для образования корпуса.

Способ изготовления мощного непланарного силового низкочастотного полупроводникового выпрямительного диода на рабочий ток не менее 1000 А и рабочее напряжение не менее 1000 В включает в себя следующие технологические этапы, которые выполняют последовательно (подробное описание):

- выращивание профильного монокристалла кремния в виде трубы из кремния n-типа с внутренним диаметром не менее 40-60 мм, толщиной стенки не менее 5 мм, с разбросом значений диаметров не белее 2 мм, n- или p-типа проводимости, удельным сопротивлением не менее 100 Ом·см, с плотностью дислокации в структуре не более 10³ см^-2 методом Чохральского (или Бестигельной зонной плавкой (БЗП) (фиг.5);

- изготовление профильной непланарной подложки (фиг.6) из выращенного профильного монокристалла кремния (заготовки, фиг.5) при помощи методов механической обработки материалов: резки, шлифовки и полировки;

- формирование непланарной p⁺-p-n-n⁺ структуры (композиции) с защитным оксидным диэлектрическим покрытием границ выхода p-n перехода на торцы цилиндрической подложки методами диффузии, сплавления и окисления (фиг.7);

- изготовление корпуса прибора с встроенным каналом охлаждения и сборку прибора (фиг.1).

1. Для выращивания профильного монокристалла кремния в виде тонкостенной цилиндрической трубы методом Чохральского (RU № 2355831, JP 37-6103, опуб. 1962 г.) выполняют следующие технологические операции.

При получении профилированных монокристаллов кремния методом Чохральского в виде тонкостенных полых цилиндров без применения формообразователя исходную цилиндрическую полую затравку, изготовленную из сплошного слитка кремния, выращенного в направлении <111>, с плотностью дислокации в структуре не выше 10³ см^-2 методом резки, закрепляют в подвесе механизма вертикального перемещения; ось затравки совпадает с осью подъема и осью вращения нижнего штока с тиглем в специальной подставке-держателе. Верхний торец затравки закрывают теплоизоляционным материалом - углевойлоком, нижний торец располагается параллельно поверхности расплава в плавильном тигле. Тигель с загрузкой кремния размещают в подставке-держателе, закрепленной опорами в края платформы на торце нижнего штока. Дно тигля не касается поверхности платформы и находится на некотором расстоянии от нее. После герметизации полости камеры установки производят ее вакуумирование до величины остаточного давления не менее 10^-3-10^-4 мм рт.ст., после чего в полость камеры для удаления остатков атмосферных газов подают инертный газ Аr (аргон), (осушенный, точка росы не менее -70°C, расход - 960 дм³/ч, проток постоянный в течение процесса роста).

Затем производят прогрев узла с загрузкой кремния при мощности нагревателя 0,45-0,5 от максимальной в течение 35-40 минут. После прогрева производят расплавление кремния в тигле, при этом перемещением нижнего штока тигель опускают вниз нагревателя, в зону с максимальной температурой. Кремний расплавляют, выдерживают в течение 5-10 минут и понижают мощность нагревателя до 0,75-0,8 максимальной величины, при которой проводят процесс затравливания и роста. Для установления необходимого распределения температуры по зеркалу расплава - выше в центре тигля, ниже к краям тигля - перемещением тигля по вертикали выводят его из наиболее горячей зоны нагревателя, выше ее таким образом, чтобы большая часть теплового потока от стенок нагревателя поглощалась внешней поверхностью дна плавильного тигля.

Условия контролируют, касаясь нижним торцом предварительно прогретой затравки поверхности расплава и определяя скорость и характер нарастания твердой фазы на сечении нижнего торца. Оптимальное расположение тигля определяют относительно верхней кромки нагревателя. Оптимальное положение нижней кромки теплового экрана устанавливают относительно верхней кромки нагревателя. Тепловой узел ростовой установки предназначен для выращивания профильных монокристаллов кремния из расплава без применения каких-либо конструктивных элементов, находящихся в контакте с расплавом, отличающийся тем, что узел обеспечивает формирование поперечного сечения монокристалла кремния в виде полого тонкостенного цилиндра в результате:

- неравномерного распределения температуры расплава кремния по объему и по поверхности расплава - у центра тигля выше, к краям тигля - ниже, ближе к температуре кристаллизации;

- подавление движения конвективных потоков расплава от краев тигля по поверхности расплава к центру тигля; обеспечение движения расплава по центру вверх и по поверхности к краям.

В результате выполнения этих условий при касании поверхности расплава торцом цилиндрической полой затравки, причем ось затравки совпадает с вертикальной осью, проходящей через центр тигля, происходит кристаллизация кремния по торцу.

2. Изготовление профильной непланарной подложки (см. фиг.6) при помощи методов механической обработки материалов: резки, шлифовки и полировки.

Толщину стенки подложки в зоне формирования рабочего p-n перехода оставляют не менее 100 мкм. Рабочую площадь p-n p-n перехода определяют из условия, плотности рабочего тока: 1 А/1 мм².

Подложку изготавливают с таким соотношением геометрических размеров, чтобы ее высота находилась в следующих пределах: R<h<D, где: R - внутренний радиус подложки, мм; h - высота подложки, мм; D - внутренний диаметр подложки, мм.

Толщина торцов структуры составляет не менее 4-5 мм, форма поверхности рабочего p-n перехода выполняется в виде прямого цилиндра 10 либо в виде участка 11 поверхности второго порядка - гиперболоида (фиг.3, 4). Расстояние от края торца до поверхности рабочего p-n перехода не менее 5 мм.

Для снижения плотности поверхностного поля Es и снижения токов утечки по краям (торцам) рабочего p-n перехода выполняют закругления в виде участков 12 поверхности второго порядка - гиперболоида (фиг.2).

3. Формирование непланарной p⁺-p-n-n⁺ структуры с защитным оксидным диэлектрическим покрытием границ выхода p-n перехода на торцы цилиндрической подложки методами диффузии, сплавления и окисления (фиг.7).

Операции по формированию необходимой p⁺-p-n-n⁺ структуры с защитным оксидным диэлектрическим покрытием границ выхода p-n перехода на торцы цилиндрической подложки выполняют в следующей последовательности.

3.1. Непланарную цилиндрическую профильную подложку из кремния n- (или p-типа) типа, необходимого удельного сопротивления, полученную описанным способом, промывают и сушат по стандартной методике подготовки поверхности кремниевых подложек для проведения процесса диффузии. На внешнюю поверхность непланарной подложки методом центрифугирования наносят слои диффузанта, содержащего бор (либо фосфор) (боросиликат, раствор). Диффузию бора (фосфора) с целью образования области (слоя) p-типа (n-типа) проводимости и формирования p-n перехода осуществляют на глубину не менее 30 мкм по стандартной методике.

3.2. После получения исходной p-n непланарной структуры методом магнетронного напыления производят осаждение защитного слоя диэлектрика (диоксида кремния или оксида гафния) на поверхность торцов 13, по границам выхода p-n перехода. Толщина слоя диэлектрика (оксида) не менее 1 мкм. При осаждении оксида рабочую поверхность p-n перехода закрывают специальной съемной оснасткой из фторопласта. Подложку закрепляют в вакуумной камере, в механизме перемещения в специальной оснастке, после чего откачивают атмосферу до величины давления не более 10^-6 мм рт.ст., наполняют камеру аргоном с точкой росы не менее -70°C и производят ионное травление поверхности торцов в областях выхода границ p-n перехода. Время травления не менее 20 минут. Затем, не открывая камеры, перемещают структуру в оснастке в позицию над магнетроном и производят осаждение защитного слоя оксида гафния или диоксида кремния. Толщина диэлектрического покрытия не менее 1 мкм.

Высоколегированную p ⁺-область под омический контакт формируют, напыляя вакуумтермическим или магнетронным напылением слой алюминия толщиной 1-2 мкм на внешнюю поверхность непланарной структуры. При напылении алюминия (или осаждении никеля) на непланарные поверхности полупроводниковой композиции оснастку располагают по специальному шаблону так, чтобы край слоя напыляемого (осаждаемого) металла заходил на край окисла-диэлектрика на поверхности торца не менее чем на 150 мкм.

3.3. Силовые непланарные токоподводящие контакты изготавливают методом пайки при помощи серебросодержащих высокотемпературных припоев типа ПСр, в виде двухслойной биметаллической трубы, внешний слой - молибден (бандаж), внутренний - массивная медная втулка с продольной прорезью для компенсации теплового расширения меди при пайке либо гибкая спираль из меди, навитая виток к витку. Величина площади поперечного сечения металлического силового контакта не должна превышать 25-30% от площади поперечного сечения внутренней полости непланарного полупроводникового цилиндра, для возможности выполнять проток хладагента для эффективного охлаждения прибора в процессе эксплуатации. Внутреннюю поверхность медной трубы выполняют оребренной, нарезку ребер треугольного профиля выполняют поперек движения потока хладагента в центральном канале контакта. Высота ребер - не более 20% радиуса внутреннего канала. Ребра выполняют с целью принудительной турбулизации пристеночного слоя хладагента (воды) для повышения величины коэффициента теплоотдачи при движении хладагента со стандартными скоростями 1, 3, 6 м/с.

Производят сопряжение поверхностей полупроводниковой непланарной композиции и непланарных силовых токоподводящих контактов через прокладку припоя олово-медь-серебро для внутреннего контакта и алюминиевую фольгу толщиной 30 мкм - для внешнего. Первоначально устанавливают наружный контакт на алюминиевой фольге, затем - внутренний контакт.

Механически сопряженную непланарную подложку с контактом помещают в вакуумную печь с остаточным давлением не более 10^-5 мм рт.ст. и производят нагрев в течение 40 минут до температуры не выше 600°C, выдерживают при этой температуре не более 5 минут, и охлаждают изделие вместе с печью. Затем осуществляют вставку внутреннего контакта и при помощи пастообразного состава олово-медь-серебро производят его пайку в вакууме при температуре 220°C.

4. Сборку прибора осуществляют в последовательности.

Изготовленную непланарную диодную арматуру (непланарную полупроводниковую композицию с припаянными непланарными токоподводящими контактами) закрепляют в специальной оснастке. Используя внутренний цилиндрический контакт, как направляющую, фиксируют на торцах полупроводниковой структуры и внешнего силового контакта стеклокерамические шайбы, для герметизации поверхности торцов полупроводниковой структуры и внешнего силового контакта.