Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления

 

Использование: в производстве мощных полукремниевых резисторов таблеточного исполнения. Сущность: резистивный элемент, выполненный в виде диска из монокристаллического кремния п-типа проводимости, содержит радиационные дефекты с концентрацией от 3·10¹² см^-3 для кремния с удельным сопротивлением ρ_o= 700 Ом·см до 3·10¹³ см^-3 для кремния с удельным сопротивлением ρ_o=150 Ом·см. Дефекты в кремнии создают путем облучения резистивного элемента пучком электронов с энергией 2-5 МэВ дозой от 2,5·10¹⁴ см^-2 для кремния с ρ_o= 700 Ом·см до дозы 2,5·10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o=150 Ом·см. После облучения проводят термостабилизирующий отжиг. 2 с.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых резисторов таблеточного исполнения, имеющих высокую температурную стабильность сопротивления. Наиболее эффективным является их применение в мощной преобразовательной технике в единой системе охлаждения с ключевыми полупроводниковыми приборами таблеточного исполнения (мощными диодами, тиристорами и др.).

Известны мощные непроволочные резисторы с металлоокисными резистивными элементами [1] Однако такие резисторы имеют низкое отношение номинальной мощности к объему и, как следствие, применение таких резисторов ухудшает массогабаритные показатели преобразовательных устройств.

Известен также полупроводниковый резистор [2] состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния п-типа электропроводности с удельным сопротивлением (ρ_o) 150 700 Ом·см.

Однако сопротивление такого резистора весьма нестабильно в рабочем интервале температур эксплуатации, тогда как имеется обширная область применения кремниевых резисторов в системах питания электротехнической аппаратуры, мощной преобразовательной технике и пр. где требуется достаточно высокая стабильность сопротивления.

Известен способ изготовления мощного полупроводникового резистора [3] включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и напыление металлических контактов.

В данном способе создание диффузионных приконтактных областей обеспечивает линейность вольт-амперной характеристики резистора, но не компенсирует сильное изменение его сопротивления от температуры.

Известен другой способ изготовления мощного полупроводникового резистора [4] включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, введение дефектов, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния, и напыление металлических контактов.

Дефекты вводят посредством диффузии в резистивный элемент глубокой примеси золота, платины и др. Такое решение позволяет компенсировать температурную характеристику сопротивления (TXC) только до величины ± 25% в интервале температур от +25^oC до +125^oC.

Температурная характеристика сопротивления определяется как где R_ном номинальное сопротивление, измеренное при 25^oC, Ом; R сопротивление, измеренное при максимальной температуре +125^oC, Ом.

Цель изобретения повышение термостабильности сопротивления мощного полупроводникового резистора в рабочем интервале температур и технологичности способа.

Для этого в известном мощном полупроводником резисторе, состоящем из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния и п-типа электропроводности с удельным сопротивлением (ρ_o) 150 700 Ом·см резистивный элемент содержит радиационные дефекты с концентрацией от 3·10¹² см^-3 для кремния с ρ_o700 Ом·см до 3·10¹³ см^-3 для кремния с ρ_o150 Ом·см.

В известном способе изготовления мощного полупроводникового резистора, включающем создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, введение дефектов, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния, и напыление металлических контактов, дефекты вводят после напыления металлических контактов путем облучения резистивного элемента ускоренными электронами с энергией 2-5 МэВ, дозой от 2,5·10¹⁴ см^-2 для кремния с ρ_o700 Ом·см до 2,5·10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o150 Ом·см с последующим термостабилизирующим отжигом.

Отличительные признаки предлагаемых технических решений: 1. Резистивный элемент содержит радиационные дефекты с концентрацией, лежащей в интервале от 3·10^oC см^-3 для кремния п-типа электропроводности с ρ_o700 Ом·см до 3·10^oC см^-3 для кремния с ρ_o150 Ом·см; 2. Указанные дефекты вводят облучением резистивного элемента ускоренными электронами с энергией 2-5 МЭВ, дозой, лежащей в интервале от 2,5·10¹⁴ см^-2 для кремния п-типа электропроводимости с ρ_o700 Ом·см до 2,5·10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o150 Ом·см; 3. Дефекты вводят после операции напыления контактов, т.е. изменена последовательность операций; 4. После электронного облучения проводят термостабилизирующий отжиг.

Известных технических решений с такой совокупностью признаков в научно-технической литературе не обнаружено.

Основными положительными эффектами предлагаемых технических решений являются: улучшение термостабильности полупроводникового резистора до величины TXC не более ±10% в рабочем диапазоне температур эксплуатации от +25^oC до +125^oC при одновременном повышении номинального сопротивления R_ном; высокая технологичность способа.

Улучшение термостабильности полупроводникового резистора при одновременном повышении R_ном достигается за счет введения в резисторный элемент радиационных дефектов с указанной выше концентрацией.

В результате облучения ускоренными электронами в кристаллической решетке кремния образуется несколько типов радиационных дефектов, создающих спектр глубоких энергетических уровней (ГУ) в запрещенной зоне кремния [5]
Спектр ГУ влияет на концентрацию основных носителей заряда (электронов в п-кремнии) в соответствии с формулой:
,
где n концентрация носителей заряда (НЗ) в кремнии после облучения ускоренными электронами, см^-3;
n₀ концентрация НЗ в кремнии до облучения, см^-3;
Φ(см^-2) доза облучения;
K_i скорость введения дефекта i-го типа, см^-1;
g_i спиновый фактор вырождения дефекта, отн.ед.

E_i энергетический уровень дефекта i-го типа, эВ;
F положение уровня Ферми, эВ;
k постоянная Больцмана, эВ/К;
T абсолютная температура, К.

При проведении после электронного облучения термостабилизирующего отжига формула (2) принимает вид

где суммарная концентрация неотожженных радиационных дефектов (р. д.) (далее по тексту концентрация радиационных дефектов), см^-3.

Подвижность носителей заряда (н.з.) изменяется от температуры по закону
μ = AT^-α, (4)
где μ подвижность н.з. см²/В·с;
A,α постоянные коэффициенты;
T абсолютная температура, К.

Удельное сопротивление кремния после облучения и отжига равно

где ρ удельное сопротивление кремния после облучения и отжига, Ом;
q=1,6·10^-19 [Кл] заряд электрона;
m подвижность н.з. см²/В·;
n концентрация н.з. см^-3.

Характер стабилизации температурной зависимости удельного сопротивления кремния, из которого изготовлен резистивный элемент, определяется суммарной концентрацией радиационных дефектов в формуле (3). Для кремния п-типа электропроводности с ρ_o 150 Ом·см оптимальная суммарная концентрация р. д. после облучения и термостабилизирующего отжига равна ≈ 3·10¹³ см^-3, а для кремния с ρ_o 700 Ом·см Этим концентрациям соответствуют дозы облучения: Φ 2,5·10¹⁵ см^-2 для кремния с r_o 150 Ом·см и Φ 2,5·10¹⁴ см^-2 для кремния с r_o 700 ом·см. Причем при выходе за границы указанных доз электронного облучения изменяется концентрация р.д. (после отжига) и существенно ухудшается ТХС, что подтверждено экспериментально (табл. 1 3). Высокая технологичность предлагаемого способа изготовления мощного полупроводникового резистора достигается благодаря следующим преимуществам радиационной технологии:
равномерности введения дефектов по площади единичного резистора элемента и большой партии элементов, что существенно снижает разброс параметров резисторов (например, в сравнении с диффузией примесных глубоких центров);
возможности прецизионной подгонки режимов электронного облучения и последующего термостабилизирующего отжига в зависимости от исходных и требуемых значений сопротивления резистора, что позволяет значительно повысить процент выхода годных образцов.

Пределы энергии электронов 2-5 МэВ ограничены снижением технологичности способа изготовления (воспроизводимостью, ухудшением параметров и пр.).

Необходимость проведения операции облучения резистивного элемента после напыления металлических контактов обусловлена тем, что создание металлических контактов сопровождается высокотемпературной обработкой (например, Al вжигается при T ≈ 500^oC), что приводит к неконтролируемому отжигу радиационных дефектов.

Для повышения температурной стабильности сопротивления после облучения резистивного элемента ускоренными электронами необходим термостабилизирующий отжиг.

Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели.

На фиг. 1 приведена конструкция резистивного элемента заявляемого мощного полупроводникового резистора; на фиг. 2 сравнительные температурные зависимости сопротивления (при ρ_o 400 Ом·см и прочих равных условиях): а предлагаемого полупроводникового резистора; б резистора, изготовленного по известной конструкции, принятой за прототип; в резистора, изготовленного по известной технологии, принятой за прототип.

Полупроводниковый резистор состоит из резистивного элемента (фиг. 1), изготовлен из монокристаллического кремния п-типа электропроводности в виде диска, который включает в себя диффузионные приконтактные области П⁺ типа 1 с напыленными на них металлическими (Al) контактами 2. Для снятия краевых эффектов диск имеет фаску 3, защищенную кремнийорганическим компаундом (КЛТ) 4. Радиационные дефекты введены с помощью электронного облучения (е^-). Резистивный элемент помещен в таблеточный корпус (не показан).

Полупроводниковый резистор работает в составе электрических цепей как переменного, так и постоянного тока в качестве постоянного резистора объемного типа. В процессе эксплуатации при естественном или жидкостном охлаждении резистивный элемент нагревается в интервале от +25 до +125^oC. При нагреве сопротивление резистора изменяется в незначительных пределах (ТХС не более ±10% от номинального значения; фиг. 2, кривая а). Это позволяет сохранить параметры электрической цепи в рабочем интервале температур. Вольт-амперная характеристика резистора линейна в обоих направлениях за счет высоколегированных приконтактных областей и металлических контактов с обеих сторон.

Пример конкретного исполнения. Предлагаемый способ был использован при изготовлении резистивных элементов из слитков нейтроннолегированного п-кремния марки КОФ 56-400. При этом применялась следующая последовательность операций:
резание кремниевого слитка на пластины толщиной 2,01 мм и вырезка из них дисков диаметром 24 мм;
шлифовка дисков микропорошком М28 до толщины 2 мм;
создание приконтактных п⁺-областей путем двухстадийной диффузии, включающей;
а) загонку фосфора при температуре 1150^oC в течение 1,5 ч;
б) снятие фосфоросиликатного стекла;
в) разгонку фосфора при температуре 1200^oC в течение 25 ч;
г) контроль диффузионных параметров: глубины диффузии ( порядка 20 мкм) и поверхностной концентрации фосфора (N_sn ≈ 10²⁰ см^-3);
создание омических контактов путем напыления алюминия (диаметр металлизации 21 мм) с последующим вжиганием при температуре порядка 500^oC;
снятие фасок с боковой поверхности дисков до границы Al- контакта (фиг.1);
контроль номинального сопротивления R_ном;
облучение дисков ускоренными электронами с энергией 3 МэВ, дозой φ 6·10¹⁴; 9·10¹⁴; 1,2·10¹⁵ (см^-2) на линейном ускорителе "Электроника ЭЛУ-6" при температуре T 25^oC,
контроль R_ном;
отжиг резистивных элементов при температуре 200^oC в течение 1 ч. Температура выбрана из интервала температур термостабилизируемого отжига радиационных дефектов 180-230^oC. Время проведения отжига (1 ч) определяется завершением структурной перестройки дефектов;
травление фасок и защита кремнийорганическим компаундом (КЛТ) с последующей сушкой при температуре T 180^oC;
контроль основных параметров: линейности вольтамперной характеристики, номинального сопротивления и температурной характеристики сопротивления;
сборка элементов в стандартные таблеточные корпуса.

Аналогично были изготовлены резистивные элементы из кремния п-типа с r_o 150 Ом·см, облученные дозы 2,0·10¹⁵; 2,5·10¹⁵; 3,0·10¹⁵ (см^-2) и из кремния с r_o 700 Ом·см соответственно облученные: Φ 2,0·10¹⁴; 2,5·10¹⁴; 3,0·10₁₄ (см^-2).

Результаты измерения основных параметров (R_ном и ТХС) предлагаемых полупроводниковых резисторов и резисторов, изготовленных по известной конструкции и по известному способу, приведены в табл. 1-3, а зависимости сопротивления R от температуры T на фиг.2.

Сравнительный анализ параметров, приведенных в табл. 1-3 и на фиг.2, показывает, что наилучшее сочетание ТХС и R_ном достигается при облучении дозами: F 2,5·10¹⁵ см^-2 для кремния с r_o 150 ом·см; Φ 9·10¹⁴ см^-2 для r_o 400 Ом·см; Φ 2,5·10¹⁴ см^-2 для r_o 700 Ом·см, т.е. ТХС значительно ниже и не превышает 10% а R_ном выше, чем у приведенных прототипов.

К преимуществам предлагаемой конструкции и способа изготовления полупроводникового резистора относятся:
высокая температурная стабильность сопротивления (ТХС не более ±10% в рабочем диапазоне температур);
высокое отношение номинальной мощности к объему резистора, что видно из табл. 4. В графах 2-4 приведены основные параметры предлагаемых резисторов, в графах 5 и 6 известных (объемного резистора ТВО-60 и металлоокисного МОУ-200);
благодаря таблеточному исполнению предлагаемого резистора его применение в единой системе охлаждения с мощными ключевыми таблеточными приборами позволяет снизить массогабаритные размеры мощных преобразовательных установок;
высокая технологичность способа изготовления;
повышение процента выхода годных приборов до 97%
уменьшение себестоимости изготовления приборов за счет использования более дешевого кремния с меньшим удельным сопротивлением при сохранении номинальных значений основных параметров и стабильном ТХС.

Формула изобретения

1. Мощный полупроводниковый резистор, состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности с удельным сопротивлением ρ_o= 150-700 Ом·см, отличающийся тем, что резистивный элемент содержит радиационные дефекты с концентрацией от 3 · 10¹² см^-3 для кремния с ρ_o= 700 Ом·см до 3·10¹³см^-3 для кремния с ρ_o= 150 Ом·см.
2. Способ изготовления мощного полупроводникового резистора, включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, введение дефектов, создающих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния и напыление металлических контактов, отличающийся тем, что дефекты вводят после напыления металлических контактов путем облучения резистивного элемента ускоренными электронами с энергией 2 5 МэВ, дозой от 2,5 · 10¹⁴ см^-2 для кремния ρ_o=700 Ом·см до 2,5 · 10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ_o= 150 Ом·см с последующим термостабилизирующим отжигом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4