автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка конструктивно-технологических методов повышения пробивного напряжения силовых высоковольтных транзисторов-ключевых элементов преобразовательной техники

ГСХГУДАРСТВЕННМЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

о » АРМЕНИИ

¡-'¿о

11(1 правах рукописи

СИМОНЯН АРМЕН ДЖЕМСОВИЧ

УДК 621.383 : 621. 314

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СИЛОВЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТРАН311СТОРОВ-КЛЮ-ЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05. 13. 05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления; 05. 27. 01 - твердотельная электроника н микроэлектроника 5

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ереван - 1995

Работа выполнена lia научно-нроизнодстпишюм предприятии 'Транзистор", i .Kpeiiuii.

Научный руководитель:

доктор технических наук, член-корр. ИАА А.А.11АРДАНШ1

Официальные оппоненты:

1. Док1ир технических наук, n|>o<|ieccop Ж.А.МКРТЧЯН

2. Кандидат технических наук, доцент А.Х..АЯАГЯН

Ведущая организация - научно-производственное объединение "Анн", г.Нреиан.

специализированного Сонета Д055.03.01 Государственного Инженерного Университета Армении но адресу: 375009, г.Ереван, ул.Теряна, 105. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИУА.

Автореферат разослан " /У " ? 1 005г.

Учеуый секретарь специализированного Совета к.т.п., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Рост энерговооруженности различных областей народного хозяйства стимулирует развитие силовой преобразовательной техники, базирующейся на использовании мощных полупроводниковых- ключевых элементов, в частности, силопых транзисторов. В. преобразовательных устройствах силовые транзисторы работают в ключевом режиме, и их коммутационные характеристики зависят от максимально допустимых обратного напряжения и коллекторного тока, а также от быстродействия приборов.

Для проектирования транзисторов с высокими • пробивными напряжениями, имеющих при этом хорошие токовые и переключательные . характеристики, необходим правильный выбор исходного материала, режимов диффузионных процессов, состава пассивирующего покрытия и профиля поверхности выхода р-п-перехода. Это требует хороших знаний физических явлений, происходящих у края полупроводниковой структуры, и в первую очередь, закономерностей распределения напряженности электрического поля вблизи и на поверхности р-п-перехода. Кроме того, для практической реализации тех или иных конструктивных решений должны быть разработаны соответствующие технологические процессы, позволяющие изготавливать спроектированные приборы в производственных условиях.

Исследования, посвященные проблеме повышения пробивного напряжения силовых полупроводниковых приборов, в основном касаются мощных высоковольтных тиристоров, специфика которых в ■ большинстве случаев не позволяет использовать полученные результаты яри конструировании и изготовлении ' силовых транзисторов. К силовым транзисторам, в основном, неприменимы также принципы конструирования транзисторов средней и малой мощности, так как большие площади полупроводниковых структур предъявляют совершенно иные требования к конструкции, и технологии изготовления силовых приборов.

В научно-технической литературе существует - множество работ, ^освященных численным методам расчета параметров обратное: «ещенных полупроводниковых структур и разработке оптимальных конструкций приборов 111 основе этих расчетов. Однако эти исследования относятся к конкретным

типам приборов, и их результата не всегда могут быть использованы для проектирования приборов с нужными электрическими характеристиками. Наличие большого количества электрофизических параметров, влияющих ца распределения потенциала и напряженности электрического поля, а также большого числа возможных конструктивных и технологических решений обуславливает потребность в методиках расчета и соответствующих программах для ЭВМ, позволяющих разработчикам силовых транзисторов прогнозировать характеристики прибора при любом сочетании электрофизических и геометрических параметров.

Целью настоящей работы является разработка методик расчета для исследования закономерностей влияния электрофизических и геометрических параметров полупроводниковых структур на характеристики силоаых высоковольтных транзисторов и оптимизация на основе выявленных закономерностей конструкций и технологических режимов изготовления этих приборов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи;

1. Разработать методики расчета для определения электрических характеристик обратносмещенных полупроводниковых структур в зависимости от их электрофизических и геометрических параметров:

2. На основе расчетных и экспериментальных исследований выявить закономерности влияния электрофизических параметров и геомегрической формы поверхности выхода ' р-п-перехода структур высоковольтных транзисторов на пробивные напряжения этих приборов:

3. Разработать и оптимизировать конструкции силовых транзисторных структур и технологические методы их профилирования, позволяющие изготавливать транзисторы с максимальным для данной структуры пробивным напряжением:

4. Произвести апробацию разработанных транзисторов в преобразовательных устройствах, схемах управления двигателями и индукционного нагрева.

Научная нов» та. Разработаны специализированные для силовых транзисторных структур с профилированной краевой поверхностью математическая двумерная модель и соответствующий пакет программ для ЭВМ,

позволяющие определять распределение напряженности электрического поля и величину пробивного напряжения гзтих структур в зависимости от их электрофизических параметров и геометрической формы профилированной поверхности.

Разработана методнк.1 расчета оптимальной конструкции пленарной транзисторной структуры с несколькими ограничивающими поле кольцами (ОПК).

Выявлены закономерности распределения напряженности электрического пол! в полупроводниковых структурах типа смыкания в зависимости от геометрической формы поверхности выхода р-н-перехода, поверхностного заряда, относительной диэлектрической проницаемости пассивирующего покрытия и степени смыкания.

Разработан метод плазмохимического профилирования краевой поверхности силовых транзисторных структур. Установлены эмпирические зависимости между геометрической формой получаемых профилей и технологическими параметрами процесса.

Произведена оптимизация конструктивных и технологических методов повышения пробивного напряжения силовых транзисторов.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований положены в основу при разработке силовых высоковольтных транзисторов типов ТК и ТКД - 165, ТК и ТКД - 152, ТК - 335, а также - силовых транзисторных модулей серии МТКД. Указанные приборы применены в различных преобразовательных устройствах, агрегатах бесперебойного питания, бортовой радиоэлектронной аппаратуре, электроприводах, плитах с индукционным нагревом. На защиту выносятся:

1. Математическая модель двумерного расчета напряженности электрического поля в структурах силовых транзисторов с профилированной краевой поверхностью.

2. Методика, расчета оптимальной конструкции планарной высоковольтной ■ транзисторной структуры с несколькими ОПК.

3. Результаты комплексного исследования закономерностей распределения напряженности электрического поля в структурах силовых транзисторов в зависимости от их геометрических и электрофизиче1. ких параметров.

4. Основные конструктивно-технологические решения, обеспечивающие изготовление силовых транзисторов с максимальными пробивными напр* кениями.

5. Рекомндации по применению силовых транзисторных ключей в различных схемах преобразовательных устройств и изделиях.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

отраслевом семинаре "Развитие технологии и 1 конструкции быстродействующих силовых полупроводниковых приборов" (пос.Нелиярве, ЭССР, 1985г.):

отраслевом семинаре "Конструирование быстродействующих силовых полупроводниковых приборов"(Таллин, 1987г.):

3-ей Всесоюзной научно-технической конференции по силовым полупроводниковым приборам "Основные направления развития технологии, конструирования и исследования силовых полупроводниковых приборов"(г.Белай Церковь, Киевск. обл., 1991г.):

нау-шых семинарах ВЭИ (Москва) и НПП "Транзистор"(Ереван). По материалам диссертационной работы опубликовано 4 статьи, получено 1 авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пята глав, заключения и приложения. Содержание работы изложено на 169 страницах, иллюстрировано 81 рисунком и 2 таблицами. Список литературы содержит 73 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Методы повышения пробивного напряжения ' силовых полупроводниковых приборов

Изучены области применения силовых транзисторов, включающие в себя следующие основные направления: преобразование и распределение электроэнергии, ' регулирование скорости электродвигателей, транспорт, обрабатывающее оборудование, бытоьую технику.

В основном силовые транзисторы используются в устройствах с ключевым режимом работы, и их коммутационные характеристики зависят от максимально допустимых обратного напряжения и коллекторного тока, а также - от быстродействия приборов. Улучшение любого из этих параметров ведет к ухудшению других. Создание транзисторов с хорошим сочетанием основных параметров возможно лишь на основе компромиссных конструктивных и технологических решений.

Одним из важнейших параметров силовых высоковольтных транзисторов явл> ется максимально допустимое напряжение перехода коллектор-база, для обеспечения которого, наряду с удовлетворением необходимых условий толщины и сопротивления коллекторной области прибора, необходимо исключить поверхностный пробой. Поверхностный пробой возникает, когда напряженность электрического поля в области р-п-перехода превышает некоторую критическую величину. Поэтому исключение поверхностного пробоя, в конечном счете, сводится к уменьшению напряженности электрического полч на поверхности.

Рассмотрены и проанализированы существующие способы исключения поверхностного пробоя силовых полупроводниковых приборов, основанные на использовании влияния геометрической формы краевого профиля или конструкции структуры на величину напряженности электрического поля.

Изучены профили прямой и обратной фасок, обедняющего травления, мезатравления. Отдельно рассмотрены методы повышения пробивного напряжения полупроводниковых приборов пленарной конструкции, ОПК, полевой обкладки, охранного кольца и т.д.

При выборе того и/л иного способа следует определить, какой из них даст наибольший эффект как с технической, так и с экономической точки зрения. Кроме того, д\я проектирования приборов с максимально возможными пробивными напряжениями необходимы методы их прогнозирования в зависимости, от электрофизических и геометрических параметров этих приборов.

Изучены современные достижения по. численным метода»; расчета параметров обратносмещенчых полупроводниковых .структур и разработке оптимальных конструкций приборов на основе этих ртсчетов. Преимуществами

расчетных методов оптимизации конструктивных параметров полупроводниковых структур перед экспериментальными являются возможность получешч более глубокой информации и учета большего количества фактором, влияющих на распределение напряженности .электрического поля, а также исключение трудоемких экспериментальных исследопанй. Отмечено, что существующие исследования касаются конкретных типов приборов с ограниченным интервалом электрофизических и геометрических параметров, и их результата не всегда могут быть использованы при разработке силовых транзисторов.

На основании проведенного анализа сформулированы задачи настоящей работы, включающие разработку методик расчета и исследование закономерностей влияния электрофизических параметров силовых высоковольтных транзисторов на их пробивные напряжения, разработку и оптимизацию конструкций силовых транзисторных структур и апробацию разработанных транзисторов в преобразовательных устройствах.

2. Математическая модель и методика расчета распределения напряженности электрического поля в объеме и на поверхности обратносме-щенных полупроводниковых структур

Разработаны математическая модель и соответствующие компьютерные программы, позволяющие определять распределение напряженности электрического поля в транзисторных структурах с профилированной краевой поверхностью и величину их пробивного напряжения в зависимости от электрофизических и геометрических параметров этих структур. Задача определения распределения напряженности электрического поля для приборов с круговой симметрией является двумерной. Сначала нужно определить двумерное распределение потенциала в объеме обратносмещенной полупроводниковой структуры. Для определения области пространственного заряда (ОПЗ) и распределения потенциала в ней необходимо решить двумерное уравнение Пуассона

aгv а2\ р(х, у) (I)

дхг ду

где V и р соответственно потенцичл и плотность заряди в точке (х, у|, р., -диэлектрическая проницаемость полупроводника, £„ - электрическая постоянная.

В диэлектрике, а та кг«1 в нейтральных областях полупроводника потенциал распределяется согласно уравнению Лапласса

дгЧ д2Ч (2)

дх2 ду2

-=0 •

Плотность пространственного заряда

р(х, у) = ч [ 1Ч„(х, у) - ЫА(х, у)1 ,

где и концентрации донорной и акцепторной примесей

соответственно, q - элементарный заряд.

При расчетах предполагается, что все примесные центры ионизированы и что свободных носителей заряда в ОПЗ нет. За пределами ОПЗ полупроводниковый материал находится в зарядовом равновесии, так, что эти равновесные области обладают свойствами проводника, и напряженность электрического поля в них равна нулю.

На границе полупроводника и диэлектрика действуют граничные условия, учитывающие эффективную плотиоегь поверхностного заряда на границе и разные диэлектрические проницаемости полупроводника и диэлектрического покрытия

Б|! е5 ЕПс1 - £я !-о ЕП8 — О, ; Е,д — Б,,,

'3)

1'ДО - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, и Iills - нормальный, a Ii,,| и lila - тангенциальные по отношению к поверхности составляющие напряженности электрического поля в диэлектрике и полупроводнике соответственно, Q, - эффективная плотность поверхностного заряда.

Остальные граничные условия определяют раенр. ление потенциала на внешней ¡раннце расчетной структуры.

Аналитическое решение дифференциальных уравнений (1) и (2) невозможно. Уравнения преобразовываю гея в разностные, а решение производится численным методом с использованием квадратной сетки. Задача сводится к определению потенциалов во всех узлах воображаемой сетки, охватывающей всю расчетную структуру. При помощи разностных уравнений потенциал в любом узле , V(l, j), рассчитывается посредством четырех потенциалов и узлах, окружающих данный узел 'Гак, в полупроводнике

v (i. i) = v (t, j+lj + V (I, i-t) ] +{[ V (1+1, j) + V (1-1, j) 1 +

, h2 PUJ)

4 E0Es '

где h -постоянная cerní.

Выведены разностные уравнения как д\я случаен, когда все 5 узлов находятся в одной среде (в полупроводнике, либо в диэлектрике), так и для случаев, когда граница двух сред проходит через эти узлы. В последнем случае разностные уравнения должны учитывать граничные условия (3), Получены уравнения для вертикальных, горизонтальных и диагональных границ. Для диагональных границ под углом, отличным от 45" , вместо квадратной применена прямоугольная сетка, а для криволинейных границ - сетка с переменным шагом.

Для определения потенциалов во всех узлах сетки использовался итерационный метод расчета. При этом был выбран экстраноляционный метод Либмана, согласно которому значение потенциала в каждом узле определяется из уравнения

V (I, ]) = (И) лЛ'и. Л + у Р[ 1-1), V- '(I, ]Н), У"(1-1, II,

где П - порядковый помор итерации у -коэффициент релаксации, 1[...] правая часть одного из разностных уравнений.

При расчетах предполагается, что для всех областей полупроводника действительно уравнение 11уа> она. В ходе итераций величина потенциала в каждой точке поддерживается в пределах приложенного напряжения. Границы ОГК> получаются автоматически и являются границами между постоянным и изменяющимся потенциалами. Итерационный процесс прекращается, как только во все:< узлах сетки выполняется условие

V (1, л - у-1 (1, л

где |Д берется порядка 0.5 % от приложенного напряжения.

Компоненты напряженности э\ектрического поля рассчитываются по формулам:

VI 1-1,1) - VI ¡ + 1,]) -—--

VI 1, \ - 1 ) - VI 1, ] + 1 )

Е* (1, 1)

Еу(1,Л= 2Ь

Модуль напряженности элек'фнческого ноля равняется

Е<1, ])=КЕ/ (1, ]) + Еу2 (!,]) .

Для определения пробивного напряжения рассчитывается коэффициент лавинного умножения.

Критерием лавинного пробоя является услоние

М = ( 1 - I* )

., -I...

<

(I

г.е. I* = 1.

где I* - интеграл лавинного умножения

X

I* = ^ ар ехр| - J |ар - а„) <Й1 ] Л\,

о о

где Хош - ширина ОПЗ, о, и ар - скорости ионизации электронов и дырок соответственно, являющиеся функциями напряженности электрического поля.

С использованием описанного алгоритма разработаны компьютерные программы для расчета распределения напряженности электрического поля в структурах силовых транзисторов и их пробивного напряжения для трех типов приборов:

• с профилем глубокого мезатравления;

• с профилем обедняющего травления;

• с профилем Положительной фаски.

Разработаны алгоритм и соответствующая компьютерная программа для определения оптимального расположения ОПК для полупроводниковых структур Планерной конструкции.

Описанный выше алгоритм недостаточен для определения распределений потенциала и напряженности электрического поля в подобных приборах, так как значения потенциалов нейтральных частей ОПК неизвестны. Предложенная методика расчета основывается на следующих рассуждениях:

1. Напряжение между анодом и катодом для структуры с данными параметрами подложки, данным концентрационным профилем р+ - области и данной величиной поверхностного заряда при пробое должно быть максимальным.

2. Величины интегралов лавинного умножения у основного перехода и у перехода ОПК при пробое должны быть равны между собой и равны 1.

3. Потенциал ОПК при пробое прибора с оптимально расположенным ОПК (Уонк пр. ) будет равняться пробивному напряжению обычного планарногс прибора (I] пр.пл ) с теми же параметрами подложкм, |)+ - области I: поверхностного заряда. •

Таким образом, д\я оптимально сконструированного прибора становится известной величина потенциала на ОПК при пробое, но при этом появляются два неизвестных: величина пробивного напряжения прибора с ОПК |и пр.опк ) и оптимальное расстояние между основным переходом и ОПК (11 опт ). .

Расчет производится следующим образом. Сначала рассчитываются распределения потенциала и напряженности электрического поля для обычного пленарного прибора при пробое. Затем производится расчет прибора с ОПК. При расчетах значения приложенного напряжения, илк , и расстояния между основным переходом и ОПК, 11 , меняются до удовлетворения условиям пунктов 1 и 2. Значение (I , при котором и,\к получается максимальным и является оптимальным расстоянием между основным переходом и ОПК, а значение илКмих - значением пробивного напряжения прибора с одним ОПК.

Аналогичным образом, используя полученные результаты для приборов с одним ОПК, производится расчет приборов с двумя ОПК и т.д.

3. Расчетное и экспериментальное исследования обратносмещенных полупроводниковых структур

Проведены комплексные расчетные и экспериментальные исследовании обратносмещенных транзисторных структур с профилированной краевой поверхностью и планарных с ОПК для выявления закономерностей распределения напряженности электрического поля в зависимости от геометрических и электрофизических параметров этих структур.

В производстве транзисторов для получения мезаподобного профиля н краевой области полупроводниковых структур, . в основном, применяется глубокое кислотное травление кремния. Образованные при этом меьаканаики имеют сложную конфигурацию, наклон поверхности которых по отношению к плоскости р-п-перехода изменяется от 90° в р*-области до 0° на дне мезаканавки.

В зависимости от глубины травления изменяется угол наклона пенки мезаканавки на месте' выхода р-п-перехода, что существенно илннег 1ы распределение напряженности электрического поля. При зтом параметрам,

характеризующим величину угла, является не общая глубина травления, а глубина травления п- области, Ь„. Получены расчетные и экспериментальные зависимости пробивного напряжения п< \упроводниковых структур, изготовленных на основе кремниевых пластин п-типа с удельным сопротивлением 20, 40, 60 и 80 Ом.см, от параметра Ь„ .Показано хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными зависимостями.

Особое внимание уделено исследованиям приборов, в которых нижняя граница ОПЗ достигает п+ - области при напряжениях, меньших напряжения лавинного пробоя, так называемых приборов типа смыкания. Показано, что распределение напряженности электрического поля на поверхности мезаканавки р+1Ш+ - структуры помимо глубины травления определяется также коэффициентом смыкания, Г) , являющимся отношением толщины п - области к ширине ОПЗ в этой области при напряжении лавинного пробоя. Благодаря введению параметра Г) построены универсальные зависимости для определения оптимальной глубины мезаканавки у приборов р+пп+- типа с любыми значениями глубины р-п - перехода и ширины и - области.

Проведены расчетные и экспериментальные исследования влияния поверхности _>го заряда на величину и распределение электрического поля, а также - на пробивное напряжение приборов с профилированной краевой поверхностью. Показано, что у мезаструктур с отрицательным поверхностным зарядом и у структур с положительной фаской при низких значениях коэффициента смыкания под поверхностью в области пп+ - перехода может возникнуть пик напряженности электрического поля, значение которого увеличивается с уменьшением значения Т| . Уменьшить этот пик при мезапрофиле можно использованием пассивирующего покрытия с умеренным поверхностным отрицательным зарядом, а при положительной фаске положительным зарядом, оптимальное значение которого увеличивается с уменьшением угла фаски.

Исследовано влияние окр) нощей диэлектрической среды и концентрационного профиля диффузионной р - области на характеристики приборов. Установлено, что для мезаструктур с коэффициентом смыкания меньше 1 при отрицательном поверхностном заряде следует выбирать

пассинирующне покрытия с низким значением диэлектрической проницаемости для уменьшения пика напряженности у ш/ - пч'рехода. Для пассивирующих покрытий с положительным поверхностным зарядом целесообр.'чно ш.кнф.пь пассннанты с высоким значением Ел ддя частичной компенсации нежелательного влияния поверхностного заряда.

Показано также, что распределение напряженности электрического ноли на поверхности мезаканаики при отрицательном поверхностном ' заряда практически не зависит от градиента концентрации легирующей примеси в диффузионной области ввиду того, что в этом случае ОПЗ на новерхпопн практически вся сосредоточена в п - области. При наличии же положительного поверхностного заряда концентрационный профиль р* - области оказывает существенное влияние на распределение электрического поля и па величину пробивного напряжения, причем влияние градиента концентрации па напряжение пробоя усиливается с увеличением плотности положительного заряда.

Установлено, что в случае обедняющего травления максимум напряженности электрического ноля лежит в приповерхностном объеме р* области полупроводника, причем толщина п-области не оказывает существенного влияния на величину пробивного напряжения. Исследование подобных профилей показало, что наиболее предпочтительным нвлиетгя сочетание профиля обедняющего травления с профилем отрицательной фаенп под углом 2 - 2.5°, обеспечивающее сравнительно низкое значение напряженности под поверхностью полупроводника. Показано также, что при обедняющем травлении наличие отрицательного заряда на поверхности полупроводника уменьшает пик напряженности в приповерхностной области п увеличивает'напряжение пробоя приборов.

С использованием предложенной методики определения «нтнмалмюго расположения ОПК разработана конструкция плапарион транзисторной структуры с тремя ОПК. Путем > зопдового измерения распределения напряженное™ электрического поля на понерхноои р-н-неречпда разработанного транзистора и его сравнении с расчетным ра< пресеченном показана правильность предложенного Метода оптимизации.

- 144. Особенности технологий профилирования и пассивации силовых касоковольтпых транзисторов

Д\я получения характеристик силовых полупроводниковых приборов, соответствующих расчетным, особое внимание должно быть уделено обработке поверхности р-п-пгрехода с точки зрения ее чистоты и конфигурации. Эта проблема становится одной из центральных, если учесть ряд принципиальных особенностей силовых высоковольтных приборов: большую площадь фаски и высокие значения напряженности электрического поля на ее поверхности.

Одним из передовых способов повышения пробивного напряжения силовых полупроводниковых приборов является технология стекломезапассивации, важным преимуществом которой является возможность групповой обработки.

Разработаны конструкция и технология изготовления силовых транзисторов на токи 20 А и обратные напряжения до 1300 В, защита от поверхностного пробоя которых осуществляется стекломезанассивацией. Транзисторные структуры изготавливаются на пп+ пластинах монокристаллического кремния с толщиной п- слоя 150 мкм и удельным сопротивлением 80 Ом.см. • Коллекторный переход формируется диффузией галлия на глубину 48 - 50 мкм, а эмиттерный - диффузией фосфора на глубину 18 - 20 мкм. Мезаканавки на периферии структур создаются химическим кислотным травлением на глубину 120 мкм. Пассивация поверхности мезаканавки осуществляется свинцово-силикатным стеклом марки С-ЗВТ состава (%): 43.5 РЬО, 10 А12Ол, 46.5 ЙЮ-^ Стекло синтезируется из тетраэтоксисилана, азотнокислого алюминия и уксуснокислого свинца по оригинальной технологии. Для селективного осаждения стекла используется метод электрофореза: стекло осаждается из смеси с этиловым спиртом при постоянном напряжении между анодом и пассивируемой кремниевой, пластиной, служащей катодом. Затем производится оплавление осажденного стеклопорошка. Исследовано влияние режимов и условий проведения технологического процесса стекломезапассивации на параметры силовых высоковольтных транзисторов.. ■ Определены оптимальные режимы

мезатравления, осаждения стеклопорошка, вжигания никеля. Показано, «по разработанные конструкция и технология обеспечивают процент выхода транзисторных структур с обратным напряжением коллектор-база, 1)к|;0 выше 1000 В на уровне 40%. Технология стекломезапассивацин успешно внедрена в производство высоковольтных транзисторных модулей серии М'ГКД.

Разработаны режимы проведения технологического процесса струйного кислотного травления для получения оптимальных профилей отрицательной фаски у высоковольтных транзисторных структур диаметром от 16 до 40 мм. Найдены оптимальные значения .параметров, характеризующих ориентацию струи, выработаны требования к размерам области, отведенной под струнное травление, и длине пологой части получаемого профиля.

Технология струйного профилирования внедрена в производство силовых высоковольтных транзисторов серий ТК и ТКД - 165, ТК и ТКД - 152, а также -силовых диодов серий Д-132, Д-135, Д-142.

Разработан способ профилирования полупроводниковых структур, защищенный авторским свидетельством СССР. Согласно этому способу, профилирование производится на установке плазмохнмического травления с использованием невзаимодействующей с плазмой маски специальной формы, расположенной на определенном расстоянии от поверхности обрабатываемой структуры. Наличие зазора между маской и структурой приводит к диффундированию в него из объема плазмы активных частиц, концентрация которых уменьшается в направлении к центру структуры по некоторому закону. Распределение концентрации активных частиц и определяет глубину травления в каждой точке обрабатываемой структуры. Изменением размеров маски, расстояния между маской и структурой и глубины травления, можно доби ться получения фаски с желаемым углом. Выведены эмпирические зависимости между геометрической формой получаемых профилей и технологическими параметрами процесса. Показано, что пробивное напряжение транзисторных структур, профилированных указанным способом, не уступает напряжении) пробоя структур, профилировании и. с применением технологии струйкою травления. При этом увеличивается производительность, пошляется возможность профилирования структур прямоугольной формы.

Одним из наиболее эффективных профилей для исключения поверхностного пробоя является профиль положительной фаски. Однако его практическая реализация связана с определенными трудностями. Проблема состоит в том, что при таком профиле острый угол фаски остается незащищенным от механических повреждений. Кроме того, для снятия положительной фаски требуются специальные механические приспособления, процесс изготовления фаски трудоемок, затруднена последующая защита ее поверхности.

Разработаны оригинальная конструкция и технология, позволяющие получать указанный профиль у силовых транзисторных структур. После формирования базовых и эмиттерных областей, создания металлизированных контактов и круговой вырезки на поверхность эмитгерного контакта транзисторной структуры паяется молибденовое кольцо. Механическая фаска снимается во вращающихся полусферах с использованием шлифовального порошка. Наличие молибденового кольца обеспечивает необходимую для механической обработки жесткость и предохраняет от повреждения острые углы кремниевой структуры. Затем производится травление поверхности фаски. Исследог.лпо влияние способа травления на электрические характеристики приборов. Показано, что применение указанных конструкции и технологии позволяет получать пробивные напряжения до 1600 В для транзисторных структур, изготовленных на исходном кремнии с удельным сопротивлением 80 Ом. см.

Проведен сравнительный анализ различных технологических методов повышения пробивного напряжения транзисторных структур. На основе этого анализа выработаны рекомендации по выбору того или иного метода для различных типов силовых высоковольтных транзисторов.

5. Основные схемы применения разработанных силовых высоковольтных транзисторов

На базе созданных силорых высоковольтных транзисторов разработан и внедрен на предприятиях' РА ряд высокоэффективных преобразовательных устройств и сложных электробытовых изделий.

В течение последних лет в области проектирования вторичных источников питания наблюдается постепенный переход от использования линейных источников к более практичным коммутационным источникам на основе полупроводниковых ключевых элементов. Линейный источник питания содержит в себе трансформатор на 50/60 Гц и токовый регулятор, что, в свою очередь, предполагает большие размеры и вес, а также низкий к.п.д. Типичное значение к п.д. у линейных источников питания составляет 30% против 70-80% у коммутационных источников. Кроме того, у последних с увеличением частоты переключения размеры силового трансформатора и соответствующих фнлыров уменьшаются значительно быстрее, чем у линейных источников.

Указанные преимущества обуславливают большую потребность в источниках коммутационного типа, принцип работы которых заключается в следующем: сетевой переменный ток сначала выпрямляется, затем фильтруется через сглаживающий конденсатор. В другой модификации схема может работать сразу от постоянного источника (т.н. преобразователи постоянного тока). Нестабилизированный источник постоянного тока подключен к блоку высокочастотной (20-200 кГц) коммутации, в котором полупроводниковые ключевые элементы, открываясь и закрываясь, наводят напряжение на первичной обмотке трансформатора. Появляющиеся на вторичной обмотке импульсы напряжения сначала выпрямляются, затем сглаживаются выходным фильтром. Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью обратной связи. В большинстве коммутационных систем используется регулирование широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), при которой Время открытого состояния силового ключа изменяется, компенсируя изменение как входного источника питания, так и. нагрузки. Описанная схема без выходного выпрямителя используется . в агрегатах бесперебойного питания для преобразования постоянного тока в переменный.

На основе транзисторов серии ТК разработаны различные преобразовательные устройства, в том числе - стабили заторы напряжения и частоты мощностью до 5 кВт, бытовые инверторы тока мощностью до 5 кВт, бытовые инверторы тока мощностью 0.4-1- кВт, агрегаты бесперебойного питания мощностью 1 кВт.

- 18В НПП "Транзистор" совместно с Чаренцаванским заводом автопогрузчиков проведены работы по разработке блока управления двигателем электропогрузчиков, питание которых осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 48 В. Силовой модуль блока управления состоит из десяти параллельно соединенных транзисторов ТК-235-50-4, ■ подключенных к двум другим параллельно соединенном транзисторам по схеме Дарлингтона, четырех параллельных диодов обратной полярности д\я подключения параллельно с электроприводом. Силовой модуль успешно работает при токе двигателя до 250А.

На основе силового высоковольтного транзистора ТК-335 разработана бытовая индукционная плита "Аревик".

Индукционное нагревательное устройство включает в себя сглаживающий фильтр, подключенный к выходным шинам сетевого питания, а также выпрямитель, преобразующий переменный ток частотой 50 Гц в двухполупериодные выпрямленные синусоидальные полуволновые импульсы. Полупроводниковое коммутационное устройство, состоящее из обратно-параллельно подсоединенных силового транзистора и диода, включено между шинами питания. Резонансная цепь нагрузки, включающая параллельно соединенный индуктор электродвигателя и конденсатор, подключена к шине питания последовательно с катушкой фильтра и коммутационным устройством. Возбуждающий импульс от блока управления .поступает на базу транзистора для получения запускающего тока, • который протекает через цепь нагрузки, дейтвующей в качестве источника колебательного тока. При этом период колебаний является функцией резонансной частоты цепи нагрузки, находящейся в ультразвуковом диапазоне. Блок управления снабжен отрицательной обратной связью так, что. интервал между последовательными полуволновыми импульсами поддерживается на постоянном уровне для данной нагрузки. Благодаря этому напряжение на силовом транзисторе поддерживается постоянным в безопасных пределах, обеспечивая безопасность работы инвертора при изменяющейся нагрузке. Пиковое значение напряжения на коллекторе транзистора с учетом индуктивности электронагревателя и колебаний сети составляет 1200 В. Силовой высоковольтный транзистор ТК-335,

расснитанный на напряжение до 1400 В и токи 10-40 А, полностью

удовлетворяет требованиям описанной конструкции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны математическая двумерная модель и соответствующий пакет машинных программ для расчета напряжения пробоя и распределения напряженности электрического поля в обратиосмещенных транзисторных структурах, изготовленных с применением технологий стекломезапассивации, обедняющего травления и положительной фаски.

2. Исследованы закономерности распеделения напряженности электрического поля в полупроводниковых структурах типа смыкания в зависимости от геометрической формы краевого контура, диэлектрической проницаемости пассивирующего покрытия и поверхностного заряда. Показано, что характер распределения электрического ноля, помимо профиля краевой области, удельного сопротивления подложки, свойств пассивирующего покрытия, определяется также коэффициентом смыкания.

3. С учетом выявленных закономерностей выработаны рекомендации «о оптимизации конструктивных параметров структур силовых высоковольтных транзисторов с профилированной поверхностью.

4. Разработаны методика расчета и соответствующая компьютерная программа для определения оптимальной конструкции высоковольтных транзисторов планарного типа с несколькими ОПК. С использованием этого метода разработан и изготовлен планарный транзистор с тремя ОПК с обратным напряжением 1100 В.

5. Разработан способ плазмрхимического профилирования краевой области силовых транзисторных структур. Установлены эмпирические зависимости между геометрической формой краевого контура и технологическими параметрами процесса.

6. Произведена оптимизация технологических процессов мечаграилоння, стеклопассивации, струйного профилирования, снятия положительной фаски. Дана сравнительная характеристика различных технологических методов повышения пробивного напряжения силовых транзисторов.

V. Результаты исследований использованы при разработке и серийном производстве силовых высоковольтных транзисторов и транзисторных модулей серий ТК, ТКД и МТКД.

8. Выработаны рекомендации по применению силовых высоковольтных транзисторных ключей в преобразовательных устройствах, схемах управления двигателями и индукционного нагрева.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Бахшецян А.Г., Варданян А.А., Симонян А.Д. Демирчян К.С. Сравнительный анализ различных методов выявления коллекторных переходов силовых

■ транзисторов серии ТК//В сб.: Методы и аппаратура исследования и измерения СПП.-Таллинн; Валгус, 1987, с. 123.

2. Бахшецян А.Г., Варданян А.А., Дикарев Ю.И., Есин В.И., Пирумян А.П., Симонян А.Д. Способ изготовления полупроводниковых приборов. А.с. N1461314, 1988.

3. Симонян А.Д., Агаларзаде П.С., Бахшецян А.Г. Методика определения оптимального расположения ОПК планарных полупроводниковых приборов //В сб.: Технология быстродейтсвующих силовых полупроводниковых приборов.-Таллинн; Валгус, 1989, с.ЗО.

4. Симонян А.Д., Варданян А.А., Бротиковский О.И., Пирумян А.П. Улучшение технологичности производства силовых транзисторов на основе стекломезапассивации.//Известия АН Армении, сер.Технических наук, 1Р91, вып.1, с.44.,

5. Симонян А.Д., Варданян А.А., Пирумян А.П., Минасян Г.А. Оптимизация технологического . процесса стекломезапассивации структур силовых высоковольтных транзисторов //Электротехническое производство, 1991, вып.6, с.20.

rlnifilqdmilq}! iulqumili|l| ¡iiudqUUmn ijmpBmdmm gui|B^iubgiJ 4 punlqgmpqnjn gmpUiii]imuinh i)dqijii|pUm£rndinliq1:| 'piudqg -(\imlu]uik1ilnirl -iji|lm?hnlql|mri|ui(> OdqrjUuinni|bgmdtfi pm]içbmn.|mg dqggrTtf)mdmdmr)çgrrH| i|'l pruJiUs :lpiijmpmp gmidiuilbmmdm t}mljmti>l>in q Qmjiçbmftjmg iJiJqgiluinmJbgrmJin gmpiJml h ООН 1 l|f1ymnui| п OOI I'm'Iii 04 çmfiçûubmmbo Düqrjarjiiiíljüm l|dqggiu(duiinubminqb

:)iuUqr)piiMlml rjmpl)mç Qliubmlq|iinum ümprnq i)ilf|'j3çm|)Bitiurril] r)i|<m?lnMirm|fTini|l) 1тф(Л tlqijduuiniJbgmilLn IqwnmJinmln ritjlrmn gq ïïiud aijuJu 4lqt)l|inijniliq ijtnpilulim'w i|dqgdfiudi|in rji|(milbq Bgmdg 4mg nqhn?Qi| 'dqgrnt|Oliiudmngul| i)ilqi)3pm|iCiuuml| gt|rrni)umn.i|bgmüin дфтрш gq çrTi|i6mbi|pi|mlTio 4 çm]ilimZn

:OiJqijfjiuidiu^irn?miji|(Jo ymfdiußqlibm i|qp gmf]rmjim?rndfidq t|eKiuqJqf|mçi fjrnpOgrp u d 4 i|ilqiJuHUinuJmlTi ijmtinil]i|bi|<|;mduil|ql:j ßgmdg mUfi i|ilqgpiuüm1 rjmpl|mç i|Uqgi)uinm|bijmUui uiHi|miilQihnd 04 çm]ii)uib mi)]i f)mpi|4 ildqgijiuldiuinubmmqq gmlyTiijçûuiti 4 gi|(mlidmt\Zm\-:f)i|ilqilmqjimJrntn gml|iniJim?mUI|Jq q gni(iml|i)bi(itrni]ui^qli ßtjmiig pm]itijml| 'dnipinq gmp?uilu t|ilqübmdiuijü ijml|müuil|q^ t|ûqg3çm|i6iuuml| gijímüuuimjbgmdin ç>m]ibqZ timtiml|tnq dqdbmdp tjil'mdqimulhipuli gmn|nmuimlnmpmn q lqbup r¡ml|ml|i|uimpqdmp фп-iîlidq gq çm|>l|m?fi

:agmp(im?p

T| ngmpuiubmuiqq i|üqrjbudqp gmlimi|bulur)iijqui 1 gi]rm3çm}i6iuuml| gmpBmçqp grnpdml gmpl|inç (|tlqijüuuini|bgmüm inliiJimdpUmd gijlmpiu } çm]iûi)lig DgiutdiununJmgqijin

:6i)gm(diuçdubmbmdin

i|ilqfldrnn rjmg nqbiîgi) 'Oi|3gmnuq !ji|lindumliqluli 4 ßi|piuilml Гртштфтц gfiubmlqlimum i|lqilmmlfiud gq çmln|mt| Qilqijgiufd ш(цлтц ?1)шшЗдтп)иф ßgmdg q jiiuptlpqu îulnigmd ijq piumma|?m puigmlimgpilq Ddqgduinni|bgmdin gi|(mpiu piudqgpiLidu|imcrdmn rji|lmilmJqf|"iii|u® :U4tjÏLjttiû'^l|m4)uiti tynnquimpbmd ijlniijbdqgl gmtimiluiliqll çm]i6iuurnt) mdji дтрф^ i|üqtjiluin -tu|bgmUui gi|(jnpiu gq puiliçUubminbo gqdugiml puilqUiulg dqdilmm gmidiunqmgs

gmidiununjmgqinm gmtimivjçmgl)qd l'Ulmpqd «Qpiul\mZp 4 Upiumubminqq i|dqgbudqp gml|rm|bulugn)qin 4 gi|lm -dçm|iBiuumli rjmpbmç.qp pmndml gmpl|mç 'i|dqgdimtni|b -tjmdm inlutinulçdmd gi|(mpiu ^dqddmin цЦГтЩгттцтti ljlir\l|ijgti|qui gi|(m?lnüql)mn(u®» ijgmlgupijn ФфЧБ О'Ш^П

dqt>n<DUiDfin