автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование фотоэлектрических характеристик многослойных фоточувствительных структур с диффузионными p-n-переходами

Государственный научный центр Российской Федерации ВСЕРОССИЙСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.И. ЛЕНИНА

На правах рукописи

Андреев Дмитрий Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬННХ СТРУКТУР С ДИФФУЗИОННЫМИ р-п-ПЕРЕХОДАМИ

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника

. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации "Всероссийском электротехническом институте им. В.И. Ленина"

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор Евсеев В.А.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

с.н.с. Дерменжи П.Г. кандидат технических наук, доцент Короневский И.II.

Ведущая организация Акционерное общество "Оптрон"

Защита состоится ____ 1994 г.

в ч РА- мин на заседании 'Специализированного

совета Д 143.0401 в ВЭИ им. В.И. Ленина

по адресу: 111250 г. Москва, ул. Красноказарменная, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВЭИ им.В.И. Ленина

Автореферат разослан __" ____ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, < '/

с.н.с. -С^Г^с

С^Лгл';-Соболева А.

■О -

Общая характеристика работы

Актуальность: Развитие преобразовательной техники ставит задачи, как повышения параметров выпускаемых силовых полупроводниковых приборов, так и разработки новых приборов с заданным сочетанием параметров. На основе многослойных фоточувствительных структур изготавливаются такие мощные полупроводниковые приборы как оптотиристоры, фототиристоры, оптосимисторы. Особенностью этих приборов является то. что для их включения используются источники излучения, мощность которых ограничена. Поэтому полупро водниковая структура должна быть достаточно чувствительной и переключаться в проводящее состояние от слабого сигнала управления. Удовлетворение этого требования приводит к снижению динамических параметров структуры, в частности, падает критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии ((1и/(ЮКр

В свою очередь, известно, что на мощность отпирающего потока излучения и Сйи/с1Ъ)кр влияют параметры самой структуры: толщины диффузионных слоев, распределение концентрации легирующих примесей и электрофизических параметров в этих слоях.

Подробный анализ характеристик многослойных фоточувствительных структур проведен при допущении, что электрофизические параметры в слоях структуры постоянны. При таких допущениях' достаточно сложно корректно учесть влияние сильного и неоднородного лет гирования, которое характерно для структур с диффузионными р-п-переходами, на фотоэлектрические характеристики. Поэтому взаимосвязь концентрационного профиля с характеристиками фоточувствительных структур недостаточно изучена. Между тем, установление этой взаимосвязи позволило бы оптимальным образом выбирать профиль легирования и за счет этого улучмить характеристики мощных оптоэлектронных приборов. В связи с этим тема работы, посвященной исследованию фотоэлектрических характеристик многослойных фоточувствительных структур с диффузионными р-п-переходами, весьма актуальна.

Цель работы: Создание модели фоточувствительной р-п-р-п-с диффузионными р-п-переходами, реализация этой модели в виде

программ для'ЭВМ, выработка рекомендаций по выбору концентрационного профиля, электрофизических параметров и толщин диффузионных слоев с целью повышения фоточувствительности при сохранении йи/с1Ь-стойкости на уровне соответствующих триодных тиристоров.

Научная новизна.

Создана модель фоточувствительной р-п-р-п-структуры с диффузионными р-п-переходами. учитывавшая неоднородное распределение электрофизических параметров в диффузионных слоях.

Численно-аналитическим методом получены рекуррентные соотношения для расчета стационарного распределения концентрации неосновных носителей заряда (ННЗ) в освещаемом слое полупроводника с неоднородными электрофизическими параметрами.

Проведен расчет распределения концентрации ННЗ в слоях фоточувствительной р-п-р-п-структуры. Установлено, что в р-базе, образованной диффузией двух примесей, например, бора и алюминия, распределение концентрации электронов, имеет ярко #выращенный максимум в глубине р-базы. Такой характер распределения электронов связан с неоднородностью электрического поля в р-базе.

Показано, что структуры с освещаемым п-эмиттером имеют более высокую фоточувствительность по сравнению со структурами с освещаемой р-базой при длине волны излучения !Х< 0,95 мкм и толщине п-эмиттера не более 5-7 мкм.

Путем сравнения различных способов изготовления фоточувствительных структур с тонким п-эмиттером показано, что наиболее предпочтительным является формирование в области фотоокна слоя п-эмиттера толщиной несколько микрометров в углублении р-базы.

I

Практическая ценность. ,

Проведенные исследования позволили дать практические рекомендации по выбору концентрационного профиля, скорости поверхностной рекомбинации, толщин диффузионных слоев, направленные на повышение фоточувствительности р-п-р-п-структур при сохранении би/(И-стойкости. Работа проводилась по заказам и в рамках договоров о совместной работе с предприятиями подотрасли: заводом "Преобразователь" и АО "Оптрон". Эти рекомендации использовались заказчиками для цовышениа параметров выпускаемых оптотиристоров серии ТО и оптосимисторов на токи 25-80 А.

Публикации и апробация работы.

Результаты работы отражены в 10 публикациях и докладывались на следующих конференциях:

Всесоюзной научно-технической конференции "Создание комплек сов электротехнического оборудования, высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники и силовых полупроводниковых приборов". Москва ВДНХ СССР 25-28 ноября 1986 г.;

8-й Всесоюзной научно-технической конференции "Силовая полу проводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве". Ниасс 16-19 мая 1989 г.;

Научно-технической конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования, высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники". Москва, ВЭИ, 14 18 февраля 1994 г.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, кратких выводов и библиографии (80 наименований).

Работа изложена на 117 страницах машинописного текста и иллюстрирована 70 рисунками.

На защиту выносятся:

1. Соотношения для расчета стационарного распределения концентрации ННЗ в освещаемом слое полупроводника с неоднородными электрофизическими параметрами.

2. Обоснование возникновения максимума в распределении концентрации электронов в р-базе, образованной диффузией двух примесей, например, бора и алюминия, связанного с неоднородностью электрического поля.

3. Обоснование наиболее предпочтительного способа изготовления Фоточувствительной структуры с тонким п-эмиттером: легирование донорной примесью на глубину несколько микрометров после удаления высоколегированного слоя р-базы в области фотоокна.

4. Рекомендации по выбору концентрационного профиля, скорости поверхностной рекомбинации, толщины диффузионных слоев, направленные на повыяение параметров оптоэлектронных приборов.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и научная новизна работы, приводятся основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе дан обзор и проведен анализ основных результатов теоретических и экспериментальных исследований многослойных фоточувствительных структур. Исследованив этих структур посвящены работы Горохова В.П., Курцина В.К., Савкина А.И.. Евсеева Ю.Й., Тетерьвовой Н.й. и др.

Одним из основных параметров фототиристоров и оптотиристоров является величина управлявшего потока излучения, необходимая для переклпчения прибора в проводящее состояние. Она определяется прямой ветвью вольт-амперной характеристики (ВЙХ) фоточувствительной структуры в условиях низкой проводимости. Наиболее полно анализ ВЙХ многослойных фоточувствительных структур проведен в [11. Там показано, что энергетическая освещенность, при которой происходит спрямление ВЙХ. равна Р,ир=-£аР/5 • г*е ^Тг ~ величина эффективного фототока коллекторного р-п-перехода. необходимая для спрямления ВЙХ. Б -фоточувствительность р-п-р-п-структуры по напряжение переклпчения.

Расчет З^1/ и 5 сводится к расчету распределения концентрации носителей заряда в слоях р-п-р-п-структуры, которое определяется фундаментальной системой уравнений. В общем случае, получить аналитическое реаение фундаментальной системы уравнений невозможно. Поэтому применяет различные упрощающие предположения. йнализ характеристик управления обычно ведется при низком уровне инжекции. В одномерном, стационарном случае при низком уровне инжекции расчет распределения концентрации ННЗ пСх) в слоях структуры сводится к решении уравнения вида

<**г \*Рт >3* >г/Г| Б' и;

где Е -напряженность электрического поля. С -функция генерации, у -подвижность, Т-время жизни, 0 -коэффициент диффузии ННЗ. (/^-температурный потенциал.

Получить реиение уравнения вида (1). когда электрофизические параметры сложным образом зависят от координаты также не пред-

ставляется возможным. Поэтому вводятся дополнительные упрощающие предполо«ения. В Ш предполагалось, что электрофизические параметры постоянны в пределах каждого слоя структуры. При этом не учитывались эффекты, связанне с сильным и неоднородным легированием. В рамках этих допущений получены соотношения, определяющие эффективность собирания генерированных носителей р-п-переходами и фоточувствительность р-п-р-п-структуры.

Вторым важным параметром фоточувствительных структур является критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (<1и/<И)кр. Аналитические-соотношения для расчета ((1и/<1Ь)Кр получены в приближении резких р-п-переходов [2, 31. Для структур с диффузионными р-п-переходами эти соотношения давт значительную погрешность.

Работы, в которых анализ характеристик многослойных фото- ' чувствительных структур с диффузионными р-п-переходами ведется на основе численного решения фундаментальной системы уравнений, не содержат полного рассмотрения вопроса о влиянии распределения концентрации легирующих примесей и электрофизических параметров, толщин диффузионных слоев на фотоэлектрические характеристики р-п-р-п-структур.

В работах, посвященных фоточувствительным р-п-р-п-структу-рам их характеристики исследовались при комнатной температуре. В то время как режимы эксплуатации оптотиристоров допускают изменение температуры от -40 до 100 °С. Данные о температурных зависимостях фоточувствительности р-п-р-п-структур в литературе практически отсутствуют.

Исходя из анализа этих данных в соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи работы:

1. Создание модели многослойной фоточувствительной структуры с диффузионными р-п-переходами, учитывающей неоднородное распределение концентрации легирующих примесей и электрофизических параметров в диффузионных слоях.

2. Исследование с помощью модели влияния различных Факторов, таких как концентрационный профиль, толщины диффузионных слоев, скорость поверхностной рекомбинации, длина волны и диаграмма направленности источника излучения, температура на фотоэлектрические характеристики р-п-р-п-структуры с диффузионными р-п-переходами.

3. Выработка практических рекомендаций по выбору параметров

структуры и способа ее изготовления, при которых достигается оптимальное сочетание фотоэлектрических характеристик прибора.

Вторая глава посвящена расчету распределения концентрации ННЗ в слоях фоточувствительной р-п-р-п-структуры с диффузионными р-п-переходами. Рассматривался одномерный стационарный случай. Предполагалось, что уровень инжекции в слоях структуры низкий. Введены следующие аппроксимации концентрационного профиля. В п-эмиттере концентрация доноров распределена по закону дополнительной функции ошибок. В слоях р-типа проводимости, сформированных одним типом примеси, например, галлием, распределение концентрации акцепторов выражается функцией Гаусса. Если слои р-типа сформированы диффузией двух типов примеси, например, бором и алюминием . то результирующее распределение выражается суммой двух Функций Гаусса. Предполагалось, что п-база легирована однородно.

В модели учитываются зависимости напряиенности электрического поля, коэффициента поглощения излучения, подвижности и времени аизни электронов и дырок от концентрации легирующей примеси. С учетом принятых допущений, распределение концентрации ННЗ в освещаемом слое полупроводника описывается уравнением вида (1). Для его решения использовался численно-аналитический метод, основанный на разбиении слоя полупроводника с неоднородными электрофизическими параметрами на ряд элементарных слоев ОС). Число слоев может быть произвольным и зависит от требуемой точности расчета характеристик полупроводникового прибора. Реальные зависимости электрофизических параметров в пределах ЭС полагаются постоянными. Общее распределение концентрации находится путем сшивания решений для ЭС. В качестве условий свивания используются равенства на границе двух соседних слоев концентраций и токов ННЗ. Применение такого метода позволяет свести дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами к системе линейных алгебраических уравнений. Решение этой системы можно представить в виде рекуррентных соотношений, справедливых для любого количества ЭС, начиная с двух.

С помощью этих соотношений рассчитывалось распределение концентрации ННЗ в слоях фоточувствительной р-п-р-п-структуры. Установлено, что в слое р-б^зы, сформированной диффузией бора и алюминия. распределение концентрации электронов, инжектированных из п-эмиттера, имеет ярко выраженный максимум, отстоящий от границы

р-п-перехода. Возникновение максимума объясняется характером зависимости напряженности электрического поля от координаты. Эта зависимость имеет экстремум на границе слоев, легированных бором и алюминием. По абсолютной величине напряженность электрического поля в слое, легированном бором, выме, чем в слое, легированном алюминием, и скорость стока электронов к коллекторному р-п-пере-ходу менме скорости их притока из слоя, легированного бором. За счет этого происходит накопление электронов в глубине р-базы.

Положение максимума распределения концентрации электронов зависит от поверхностной концентрации и длины диффузии бора. При увеличении длины ' диффузии бора положение экстремума напряженности электрического поля смещается к коллекторному р-п-переходу, и соответственно положение максимума концентрации электронов смежается к коллекторному р-п-переходу.

Концентрационный профиль в р-базе влияет также на распределение концентрации электронов, генерированных излучением. Если р-база сформирована диффузией бора и алюминия, то распределение концентрации электронов, генерированных излучением, имеет два максимума. Причина появления второго максимума, расположенного ближе к коллекторному р-п-переходу, та же, что и максимума распределения электронов, инжектированных в р-базу из п-змиттера. С ростом длины диффузии бора концентрация электронов в максимуме падает и положение его смещается к коллекторному р-п-переходу. Отсюда следует важный, с практической точки зрения, вывод. Поскольку фототок электронов, собираемых коллекторным р-п-переходом из слоя р-базы, является преимущественно диффузионным, то .следует так выбирать концентрационный профиль, чтобы градиент концентрации ННЗ у коллекторного р-п-перехода был максимальным. Это достигается при минимальной длине диффузии бора.

Третья глава посвящена исследованию взаимосвязи концентрационного профиля, электрофизических параметров, толщин диффузионных слоев с электрическими характеристиками управления и (1и/<И-стой-костью р-п-р-п-структур.

Характеристики управления и (1и/сИ,-стойкость р-п-р-п-структур зависят от статических коэффициентов усиления составляющих транзисторов п-р-п и р-п-р-типа, на которые существенным образом влияет распределение концентрации легирующих примесей в диффузионных слоях. С помощью модели р-п-р-п-структуры с диффузионными

р-п-переходами исследовалось влияние распределения акцепторов на коэффициент инжекции п-эмиттера ¿р, . р-эмиттера . коэффициент переноса электронов в р-базе и коэффициенты усиления составляющих транзисторов п-р-п-типа - с*, и р-п-р-типа - Ы3.

Установлено, что, начиная с некоторого порогового значения поверхностной концентрации акцепторов , и с(1 начинают резко падать. Зто пороговое значение уменьшается с ростом длины диффузии бора. Оно минимально, когда р-база сформирована диффузией галлия. Резкий спад о<, связан преимущественно с уменьше-

нием электронной компоненты тока насыщения из-за падения подвижности в слое легированном бором. Отмечено, что введение бора не приводит к росту электронной компоненты тока насыщения эмиттерно-го п+-р-перехода, несмотря на появление сильного поля в слое, легированном бором. Зто связано с тем, что увеличение дрейфовой составляющей электронного тока в слое, легированном бором, компенсируется диффузионной составляющей, направленной противоположно дрейфовой, поскольку распределение концентрации электронов имеет максимум в глубине р-базы.

Коэффициент инжекции р-эмиттера и коэффициент усиления составляющего р-п-р-транзистора увеличивается с ростом поверхностной концентрации и длины диффузии акцепторов. Значительный рост

и сХг наблюдается в том случае, когда р-база сформирована диффузией галлия. Такой характер зависимостей объясняется тем, что с ростом поверхностной концентрации и длины диффузии бора область сильных полей приближается к эмиттерному р+-п-переходу, что усиливает торможение электронов, инжектированных в р-эмиттер.

Помимо коэффициентов усиления составляющих транзисторов на характеристики управления влияет сопротивление омической утечки эмиттерного п+-р-перехода, которое вводится при изготовлении р-п-р-п-структур для увеличения <1и/(И.-стойкости и температурной стабильности напряжения переключения. С ростом поверхностной концентрации и длины диффузии акцепторов эквивалентное сопротивление омической утечки падает и плотность тока управления, необходимая для переключения структуры в проводящее состояние Jpь возрастает. При некотором критическом значении поверхностной концентрации акцепторов N/0 начинается резкий рост Это значение Ы5К„Р совпадает с началом резкого спада коэффициента усиле-'ния составляющего п-р-п-транзистора 0(1. Дальнейшее увеличение

поверхностной концентрации акцепторов приводит к нарушении условия с(1+о(г>1 и структура теряет Ьпособность переключаться в проводящее-состояние. Величина N*g уменьшается с ростом длины диффузии бора. Она имеет минимальное значение для структур, у которых р-база сформирована диффузией галлия.

Распределение акцепторов влияет и на. du/dt-стойкость фоточувствительных р-п-р-п-структур. Расчет зависимостей (du/dt)кр от поверхностной концентрации акцепторов показал, что при некоторой критической поверхностной концентрации (du/dt,)кр резко возрастает стремясь к бесконечности. Величина этой концентрации уменьшается с ростом длины диффузии бора'. Она имеет минимальное значение, когда р-база и р-змиттер сформированы диффузией галлия. Сравнение этих зависимостей с зависимостями рассчитанными по формулам, полученным в 13) в приближении резких р-п-переходов показывает, что последние дают сильно заниженные значения С du/dt )кр при тех же поверхностных концентрациях акцепторов..

Для повышения фоточувствительности р-п-р-п-структур с освещаемым n-эмиттером толщину n-эмиттера следует уменьшать [11. Однако уменьшение толщины n-эмиттера снижает коэффициент инжек-ции эмиттерного п+-р-перехода и коэффициент усиления составляющего п-р-п-транзистора. Это может привести к нарушению условия Ы, + Ы1>1/ и тиристор потеряет способность переключаться в проводящее состояние.

Структуру с тонким n-эмиттером можно получить различными способами. Например, диффузией донорной примеси на глубину несколько микрометров или путем удаления части слоя n-эмиттера травлением. Анализ этих способов изготовления р-п-р-п-структур показал, что причиной снижения коэффициента усиления Ы, при первом способе формирования р-п-р-п-структуры с тонким n-эмиттером является падение У, и ß, из-за низкой подвижности электронов в высоколегированном слое р-базы. При втором способе о(, падает из-за снижения вследствие возрастания диффузионной составляющей дырочной компоненты тока насыщения эмиттерного п+-р-перехода.

Для изготовления фоточувствительной р-п-р-п-структуры с тонким n-эмиттером целесообразно в области фотоокна слой п-эмиттера формировать в углублении р-базы. При создании углубления в р-базе фактически удаляется высоколегированный слой с низкой подвижнос-

тьи и временем жизни электронов, что позволает сохранить коэффициент усиления Ы, и Jpg1' на уровне обычных р-п-р-п-структур,при толщине n-эмиттера в несколько микрометров.

Уменьшение толщины слоя n-эмиттера имеет место при изготовлении выпрямительных элементов симисторов во время сплавления кремниевой структуры с термокомпенсатором из вольфрама или молибдена. В качестве припоя использувт аломиний. В процессе сплавления припой растворяет кремниевув структуру с образованием силумина. Уменьшение толщины слоя n-эмиттера приводит к повышении то-' ка управления-спрямления или потере способности переклпчаться в проводящее состояние той секции прибора, у которой п-эмиттерный слой находится в контакте с припоем. Толщина растворенного слоя зависит от температуры процесса сплавления. Расчеты зависимости тока управления-спрямления от толщины растворенного слоя, проведенные с помощью развитой модели р-п-р-п-структуры, показали удоволетворительное совпадение с экспериментальными данными.

Четвертая глава посвящена исследованив фотоэлектрических характеристик р-п-р-п-структур с диффузионными р-п-переходами. Исследовано влияние концентрационного профиля, толщин диффузионных слоев, скорости поверхностной рекомбинации, напряжения на структуре, температуры на эффективность собирания генерированных излучением носителей р-п-переходами р-п-р-п-структур с освещаемой р-базой и освещаемым п-эмиттером. У структур с освещаемой р-базой фоточувствительность определяется, в основном фототоком дырок, собираемых коллекторным р-п-первходом из освещаемого слоя р-базы. Этот фототок максимальный, когда р-база сформирована диффузией двух примесей, например, бора и алпминия. Длина диффузии бора должна быть минимальной, поверхностная концентрация 5-10 10|8см~3. При более высоких поверхностных концентрациях бора начинает сказываться падение подвижности и времени жизни электронов и фоточувствительность падает. Удаление части слоя р-базы травлением дает лишь небольшое увеличение фоточувствительности в коротковолновой области спектра.

Установлено, что скорость поверхностной рекомбинации Us мошно считать равной бесконечности при Л > 1 мкм. При Л < 1 мкм она не оказывает влияния на фоточувствительность, когда Us > 105 - 10е см/с. Эти значения Us примерно на порядок превышает значения, полученные в [1] при постоянных электрофизических пара-

метрах в -приближении сильного встроенного поля. Для повышения фоточувствительности в коротковолновой области спектра целесообразно снизить скорость поверхностной рекомбинации с 10* см/с, которая характерна для шлифованной поверхности кремния до 103 см/с. Дальнейшее снижение скорости поверхностной рекомбинации дает лишь незначительное повышение фоточувствительности.

Приложение напряжения к структуре не приводит к значительному увеличении коэффициента собирания коллекторного р-п-перехода и Фоточувствительности р-п-р-п-структуры с освежаемой р-базой. При напряжении 1000 В фоточувствительность на длине волны 0,95 мкм возрастает примерно на 15 X. Полученные количественные результаты подтверждают вывод, сделанный в Ш. о том, что коэффициент собирания коллекторного р-п-перехода слабо зависит от приложенного напряжения и нецесообразно стремиться обеспечить основную генерацию электронно-дырочных пар в 0ПЗ.

В отличие от структур с освещаемой р-базой фоточувствительность структур с освещаемым п-эмиттером слабо зависит от распределения акцепторов и скорости поверхностной рекомбинации, но сильно зависит от толщины п-эмиттера. Рассмотрены три способа Формирования р-п-р-п-структур с тонким п-эмйттером: 1) диффузия доноров на глубину несколько микрометров; 2) удаление части слоя п-эмиттера травлением; 3) удаление части слоя слоя р-базы в области фотоокна с последующим легированием донорной примесью на глубину несколько микрометров. Сравнение спектральных Зависимостей фоточувствительности структур с освещаемым п-эмиттером и р-базой при первом способе изготовления показывает, что имеет место при толщине п-эмиттера, не превышающей некоторую критическую толщину \д/,к,р , которая зависит от длины волны излучения. При Л = 0,55 мкм \\/пкэр= 2 мкм. С ростом длины волны излучения \л/„кэр возрастает и при Л = 1.05 мкм достигает 8 мкм. Однако существенное увеличение фоточувствительности при замене структуры с освещаемой р-базой на структуру с освещаемым п-эмиттером можно получить лишь в коротковолновой области спектра. В длинноволновой области спектра структуры с освещаемым п-эмиттером практически не имеют преимуществ по сравнению со структурами с освещаемой р-базой. Это связано с тем, что в структурах с освещаемым п-эмиттером имеет место неэффективное поглощение в слое п-эмиттера с низким временем жизни ННЗ.

Показано, что с ростом толщины n-амиттера. плотность отпиравшего потока излучения резко падает несмотря на уменыение фоточувствительности. Это связано со спадом величины J"p из-за роЕта сопротивления омической утечки эмиттерного п+-р-перехода. Однако Сличение толщинн п-эииттера сопрово«дается резким спадом (du5ft)Kp.

При первом способе изготовления р-п-р-п-структур трудно выполнить условие переключения тиристора в проводящее состояние о<, + о(г>1 при толщине п-эмиттера 2-8 мкм, когда фоточувствительность достаточно высока.

При втором способе изготовления стравливание части слоя п-эмиттера является достаточно эффективным средством для улучшения характеристик управления, но толщина стравливаемого слоя должна быть меньме критической величины, выше которой плотность отпирающего потока излучения резко возрастает, и структура теряет способность переключаться в проводящее состояние.

При третьем способе изготовления с ростом толщины удаленного слоя наблюдается небольшое уменьшение фоточувствительности в диапазоне длин волн 0,75 - 0,95 мкм. Плотность отпирающего потока излучения и (du/dt )кр с ростом толщины удаленного слоя резко падают. Исходя из требования по du/dt-стойкости, полностью нельзя Удалять высоколегированный слой р-базы. Толщина удаленного слоя р-базы не должна превышать 10-15 мкм. В этих пределах, снижение фоточувствительности незначительно.

Выбрать оптимальный концентрационный профиль, способ изготовления и параметры фоточувствительной структуры, с точки зрения сочетания основных характеристик РСПр. и (du/dt позволяет методика основанная на построении зависимостей Pcnp = ¿(du/dt)Hp. Параметром этой зависимости может быть: поверхностная концентрация примеси, толщина слоя, параметр технологической шунтировки эмиттерного п+-р-перехорда г0/гш и др.

Анализ рассмотренных способов изготовления фоточувствительных структур показал, что наиболее предпочтительным является третий способ. Он позволяет получить максимальные (du/dt)Kf при минимальной плотности отпирающего потока излучения.

Характеристики управления фоточувствительных структур зависят от температуры. Эти зависимости определяются температурными зависимостями плотности эффективного фототока спрямления ВЙХ

и фоточувствительности р-п-р-п-структуры, которые в свою очередь, определяется температурными зависимостями электрофизических параметров кремния.

Расчет спектральных зависимостей фоточувствительности при различных температурах показывает, что с ростом температуры величина фоточувствительности в максимуме растет и положение максимума смещается в длинноволновую область спектра. С ростом температуры структуры резко падает. Характер температурной зависимости плотности отпирающего потока излучения практически повторяет зависимость = Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии ((¡и/ЗД),^ резко падает с ростом температуры. Этот спад можно компенсировать уменьмением сопротивления омической утечки эмиттерного п+-р-перехода, но это ведет к увеличению плотности отпирающего потока излучения.

Полученные выже результаты относятся, к случаю, когда фоточувствительная р-п-р-п-структура освещается параллельный пучком излучения. Между тем у ИК-диодов, используемых в оптотиристорах. излучение сосредоточено в достаточно жироком телесном угле и значительная его часть падает на структуру под углом к ее оси. Распространение излучения под углом к оси фоточувствительной структуры равносильно сдвигу длины волны в коротковолновую область спектра. Установлено, что при изменении угла преломления от 0 до 12° эффективная длина волны излучения практически совпадает с длиной волны источника излучения. Коэффициент отражения неполяризованного излучения практически постоянный ("30 вплоть до угла падения ~60° . С этой точки зрения, влияние диаграммы направленности на характеристики управления фоточувствительных структур можно не учитывать. Причиной ухудшения характеристик управления при расаирении диаграммы направленности является снижение энергетической освещенности поверхности структуры.

Для проверки адекватности разработанной модели фоточувствительной структуры были рассчитаны зависимости плотности отпирающего потока излучения от толщины п-эмиттера и проведено сравнение с .экспериментальными данными. Расчеты были выполнены для технологического процесса изготовления структур, принятого на заводе "Преобразователь" [4]. Установлено, что зависимость плотности отпирающего потока излучения на длине волны А = 0,95 мкм от толщины п-эмиттера имеет минимум при глубине залегания эмит-

терного п+-р-перехода около 25 мкм. Это значение совпадает с экспериментальными данными, что подтверждает адекватность развитой модели фоточувствительной структуры. Кроме того показано, что оптимальное сочетание и ((1и/<Н)кр достигается при параметре технологической шунтировки эмиттерного п+-р-перехода гс/гш = = 6-7 и толщине п-змиттера 10-15 мкм на длине волны 0,95 мкм и 8-13 мкм на длине волны !\= 0,85 мкм.

Краткие выводы по работе

1. Развита модель фоточувствительной р-п-р-п-структуры с диффузионными р-п-переходами, учитывавшая неоднородное распределение концентрации легирувщих примесей и электрофизических параметров в диффузионных слоях.

2. Численно-аналитическим методом получены рекуррентные соотношения для расчета распределения концентрации ННЗ в освещаемом слое полупроводника с неоднородными электрофизическими параметрами.

3. Показано, что в слое р-базы. сформированном диффузией двух примесей, например, бора и алвминия, распределение концентрации электронов имеет локальный максимум в глубине р-базы, что. связано с неоднородностьв электрического поля.

4. Проведено сравнение структур с освещаемой р-базой и освещаемым п-эмиттером. Установлено, что структуры с освещаемым п-эмиттером имевт более высокув фоточувствительность по сравнение со структурами с освещаемой р-базой только в коротковолновой области спектра ( Х< 0.95 мкм) при толщине п-эмиттера не более 5-8 мкм. В длинноволновой области спектра ( X > 0,95 мкм) структуры с освещаемым п-эмиттером не имевт преимуществ по сравненив со структурами с освещаемой р-базой.

5. Дано обоснование наиболее предпочтительного способа изготовления фоточувствительной структуры с тонким п-эмиттером: легирование донорнорй примесьв на глубину несколько микрометров после удаления высоколегированного слоя р-базы в области фотоокна.

6. Установлено, что диаграмма направленности источника излучения влияет на характеристики управления через изменение энергетической освещенности фоточувствительной структуры. Падение непо-ляризованного излучения под углом к оси структуры слабо сказы-

вается на характеристиках управления вплоть до угла падения ~60°.

7. Показано, что увеличение толщины n-эмиттера позволяет существенно снизить плотность отпирающего потока излучения Рспр. Минимальная величина Рспр на длине волны Л - 0.95 мкм достигается при толщине n-эмиттера около 25 мкм. Но такой способ снижения Рспр не всегда приемлем, поскольку увеличение толщины п-эмиттера ведет к ухудженив du/dt -стойкости прибора.

8. Даны рекомендации по выбору концентрационного профиля скорости поверхностной рекомбинации, толщины диффузионных слоев направленные на повышение фотоэлектрических параметров приборов.

1) Для повыжения фоточувствительности структур с освещаемой р-базой слой р-базы в области фотоокна следует формировать диффузией двух примесей, например, бора и алюминия. Оптимальная поверхностная концентрация бора 5-Ю'7 - ю'8 см"5. Длина диффузии бора должна быть минимальной.

2) У структур с освещаемой р-базой целесообразно снижать скорость поверхностной рекомбинации с 106 до 103 см/с. Дальней-яее ее снижение практически не дает увеличения фоточувствительности. В структурах с освещаемым п-эмиттером влияние скорости поверхностной рекомбинации на фоточувствительность несущественно.

3) Для структур изготавливаемых по технологии принятой на заводе "Преобразователь", оптимальное сочетание плотности отпирающего потока излучения на длине волны Х= 0,95 мкм и (du/dt)кр достигается при толщине п-змиттера 10-15 мкм и параметре технологической жунтировки г0/гш =6-7.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Андреев Д.В., Савкин А.И. Влияние неоднородности злектро-физйческих параметров на распределение концентрации и тока неосновных носителей в слое полупроводникового прибора// Злектотехн. пром-сть. Сер. Преобразоват. техника. 1983. Вып. 8(154). С. 1-3.

2. Андреев Д.В., Савкин А.И. Влияние профиля легирующих примесей на коэффициент усиления мощного транзистора/ Ред. журнала "Электронная техника" Сер. 2 Полупроводниковые приборы". И., 1989. 15 с. Деп. в ЦНИИ "Электроника". Р 4884.

3. Андреев Д.В.. Савкин А.И. Статические коэффициенты усиления составных транзисторов диффузионных тиристорных структур. Всесоюзный электротехн. ин-т. К.. 1389. 16 с. Дел. в Информзлекро 12.01.89.. N 4-эт89.

4. Андреев Д.В., Захаров В.Т.. Савкин А.И. Взаимосвязь профиля распределения легирующих примесей и характеристик управления быстродействующих тиристоров. Тезисы докл. 8-й Всесоюзной научно-техн. конференции "Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве" Миасс 16-19 мая 1989.

5. Андреев Д.В.. Евсеев В.А.. Миаанин В.Е.. Савкин А.И. Влияние технологических параметров процесса контактного сплавления на характеристики цепи управления симистора. Тезисы докл. Всесоюзной научно-техн. конференции. "Перспективы развития технологического оборудования, новых материалов и технологических процессов для повышения эффективности производства полупроводниковых приборов силовой электроники". Белая Церковь, сентябрь 1985. С. 22-23.

6. Евсеев В.А., Савкин А.И., Мишанин В.Е., Андреев Д.В. Взаимосвязь характеристик управления симистора и параметров процесса сплавления// Электротехника. 1991. N 5. С. 2-4.

7. Фоточувствительность р-п-р-п-структур мощных оптотиристо-ров с освещаемыми п-эмиттером и р-базой/ Д.В.Андреев, А.И.Савкин // В кн.: Новые силовые полупроводниковые приборы и технология их изготовления Сб. научных трудов под ред. А.Н. Думаневича. М.: 1991. С. 123-130.

8. Андреев Д.В., Савкин А.И. Мощные оптоэлектронные полупроводниковые приборы// Сер. 05. Силовая преобразовательная техника: Обзор, информ. 1991. 48 с.

9. Андреев Д.В.. Голубничая С.М., Савкин А.И., Тетерьвова Н.А. Влияние толщины п-эмиттера на характеристики управления фототиристорной структуры// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. 1991. Вып. 19. С. 24-28.

10. Андреев Д.В. Оптимизация параметров фоточувствительных структур мощных оптотиристоров. Тезисы докл. Научно-техн. конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники" Москва 14-18 февраля 1994 г. С. 368-371.

Цитированная литература

1. Савкин А.И.. Нурцин B.Ii. Силовые оптоэлектронные приборы //Всемирный электротехнический конгресс. Доклад 49. Секция 5А. II.: ВЗЛК 1977. 27 с.

2. Воронин К.Д.. Дермен1И П.Г. Взаимосвязь стойкости р-п-р-п-структур к эффекту du/dt с их параметрами и величиной предварительного смещения прямой и обратной полярности// Радиотехника и электроника 1973. Т. 18. N 10. С. 2123-2132.

3. Савкин А.И., Курцин В.М.. Лифшиц В.П., Смирнов В.К. Исследование вклпчения фототиристоров при воздействии кратковременного светового, импульса и эффекта du/dt// Злектротехн. пром.-сть. Сер. Преобразоват. техника. 1971. Вып. 20. С. 7-9.

4. Зуева Т.К.. Леонтьева С.А., Тетерьвова H.A. Соверменство-вание изготовления структуры симисторов// Повымение параметров силовых полупроводниковых приборов на основе новых конструктивных реиений и методов изготовления. Запоромье ЗЛО "Преобразователь" 1981. С. 46-47.