Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс большинства областей современной техники неразрывно связан с успехами силовой электроники. Основными активными элементами силовой электроники являются мощные полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме и применяющиеся в различных видах преобразовательной техники: диоды, тиристоры, биполярные и МДП транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT).
Требования разработчиков силовой преобразовательной техники к параметрам используемых в схемах дискретных полупроводниковых приборов систематически возрастают, особенно - в части повышения импульсно-частотных характеристик, снижения рассеиваемой мощности (статической и динамической), повышения электропрочности и надежности. Решение этих проблем обеспечивается постоянным совершенствованием качества исходных подложек, конструкций и технологий, разработкой новых типов приборов, использованием процессов легирования подложек "глубокими" примесями (золото, платина) для повышения импульсно-частотных параметров.
Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций облучения высокоэнергетичными электронами и термического отжига, в последние годы находит все более широкое и в основном безальтернативное практическое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники с целью обеспечения импульсно-частотных характеристик и регулирования статических параметров. Однако, этот процесс, основанный на введении в активные области приборов высокостабильных "глубоких" радиационных центров (РЦ), применительно для силовых приборов находится в стадии исследования и развития. В связи с этим, актуальной представляется задача исследования изменения электрических параметров силовых
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА (
- -1 і 11 і 11 т чт
ч I
полупроводниковых приборов (СПП) в широком диапазоне режимов операций
облучения и последующего термического отжига.
Цель диссертационной работы
Разработать режимы и условия проведения операций радиационного технологического процесса для их использования в производстве с целью получения силовых полупроводниковых приборов с улучшенным комплексом им-пульсно-частотных и статических параметров и повышенной радиационной стойкостью.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить
следующие задачи: j
-
установить закономерности изменения основных электрических параметров и характеристик исследуемых силовых диодных, транзисторных структур и структур биполярных транзисторов с изолированным затвором в зависимости от режимов и условий операций облучения и отжига радиационного технологического процесса;
-
исследовать кинетику накопления и отжига глубоких радиационных центров, вводимых в активные области силовых приборных структур в процессе проведения операций облучения высокоэнергетичными электронами и отжига РТП;
-
осуществить выбор режимов проведения операций радиационного технологического процесса для получения силовых приборных структур с оптимальным сочетанием импульсно-частотных и статических параметров в соответствии с требованиями заказчика.
Работа проводилась в лабораториях кафедры Полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС в соответствии с планом хоздоговорных работ МИСиС с ЗАО "ФЗМТ", ЗАО "ЭПЛ", ГУП "ВЭИ им. В.И. Ленина" и работ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ.
5 Новизна и научная ценность
Установлены закономерности влияния операций облучения быстрыми электронами и термического отжига в широких диапазонах интегральных потоков электронов и температур на импульсно-частотные и статические параметры основных типов кремниевых силовых приборов: диодов, биполярных транзисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором.
Изучение кинетики термического отжига РЦ в базовых областях кремниевых р-n диодных структур позволило установить, что значительное уменьшение концентрации РЦ в кремнии происходит при температурах превышающих 400 С. Показано, что при этих температурах образуются сложные вторичные РЦ с участием дивакансий и остаточного кислорода, которые обладают более высокой термостабильностью и обеспечивают высокий темп рекомбинации за счет их глубокого энергетического положения в запрещенной зоне.
Установлено, что при применении РТП в технологии силовых приборов рост статических параметров и, соответственно, статических потерь мощности не являются критическими, так как при работе приборов на высоких частотах коммутации определяющими в общих потерях рассеиваемой мощности являются динамические потери мощности. Применение РТП приводит к снижению динамических потерь мощности в десятки раз в то время как статические потери растут в 2-3 раза. В результате проведения операций РТП снижается величина суммарных потерь мощности и обеспечивается более "комфортабельный" тепловой режим приборов в условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы
Полученные в работе результаты используются на опытных заводах ГУЛ "ВЭИ им. В.И. Ленина", ЗАО "ЭПЛ", ЗАО "ФЗМТ" при производстве кремниевых силовых диодов ("ДЧ143"), мощных биполярных транзисторов ("КТД8252"), транзисторов с изолированным затвором ("2Е701", "Экскаватор").
Использование разработанных режимов операций РТП позволяет достичь наилучшего сочетания динамических и статических параметров силовых приборов по сравнению с приборами, изготовленными по стандартной (маршрутной) технологии:
улучшить время восстановления обратного сопротивления диодных структур "ДЧ143" в 6-7 раз, уменьшить в 1,9 раза значение рассеиваемой мощности, повысить радиационную стойкость к гамма-импульсу в 2,4 раза;
улучшить импульсно-частотные параметры транзисторов "КТД8252" в 8-10 раз, ослабить зависимость коэффициента передачи от уровня инжекции в рабочем диапазоне токов коллектора в 4-5 раз, повысить стойкость к импульсной радиации более чем в 40 раз, улучшить электропрочность на 30-40 %;
улучшить время выключения IGBT транзисторов "Экскаватор" в 2,7 раза, обеспечить работоспособность IGBT транзисторов "2Е701" за счет подавления паразитного "тиристорного" эффекта и уменьшить суммарные потери рассеиваемой мощности в 6-8 раз.
Улучшение параметров приборов при использовании РТП значительно расширяет эксплуатационные возможности (теплофизические, импульсно-частотные, радиационные) приборов в аппаратуре.
На защиту выносятся
Экспериментальные результаты по влиянию радиационного технологического процесса с использованием высокоэнергетичных электронов на статические и динамические параметры кремниевых силовых диодных структур и кинетику накопления и отжига "глубоких" радиационных центров, и разработанные на их основе режимы проведения операций облучения и отжига РТП для получения приборов с качественно новым, удовлетворяющим современным требованиям разработчиков преобразовательных устройств, сочетанием электрических параметров и повышенной стойкостью к импульсной радиации.
7 Разработанные режимы проведения операций РТП (облучения быстрыми электронами и последующего термического отжига) для получения силовых биполярных транзисторов Дарлингтона с качественно новым сочетанием импульсных, частотных и усилительных параметров и повышенной стойкостью к импульсной и статической радиации.
Результаты использования операций РТП для восстановления параметри
ческого брака биполярных транзисторов с изолированным затвором за счет по
давления паразитного "тиристорного" эффекта, для получения быстродейст-
' вующих кремниевых приборов с низкими значениями динамической состав-
ляющей мощности рассеяния.
»,
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на Ш и IV Всероссийских научно-технических конференциях "Устройства и системы энергетической электроники" (УСЭЭ-2001, УСЭЭ-2002), V Межотраслевой научно-технической конференции "Разработка, технология и производство полупроводниковых микросхем" (г. Зеленоград, март 2002 г.), ежегодных Всероссийских научно-технических конференциях по радиационной стойкости электронных систем "Стойкость" (г. Лыткарино, июнь 2002-2005 гг.). По результатам работы опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 154 страницы, содержит 63 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 56 наименований.
