Конструкция p-i-n диода (стр. 3 из 4)

треугольного распределения

(27)

В выражениях (26) и (27) момент окончания фазы развития областей объемного заряда t₃ и остаточный заряд в базе в момент t₂ определяются выражениями

(28)

(29)

В момент t₃ происходит смыкание областей объемного заряда. К этому времени из базы экстрагируется основная часть накопленного заряда.

Фаза переноса. В этой фазе из базы удаляются электроны и дырки, находящиеся в областях объемного заряда [15]. Концентрацию их можно оценить из выражения для тока, ограниченного объемным зарядом:

(30)

К моменту начала фазы в большей части базы дрейфовая скорость носителей заряда выходит на насыщение (v_др»v_т £ см/с). Поэтому длительность фазы переноса определяется временем их пролета с максимальной скоростью расстояния, равного половине толщины базы:

t₄-t₃=w/2*v_т (31)

При t³t₄ база р-i-n- диода свободна от подвижных носителей заряда и может быть представлена независящей от напряжения емкостью С_i=e*e₀*A/w Обратный ток не может поддерживаться постоянным и уменьшаться до нуля.

Напряжение на диоде. В первых двух фазах напряжение на диоде изменяется от V_пр до V_обр(t₂). Последняя величина невелика и определяется сопротивлением контактных областей и базы в момент t=t₂. Для фазы развития областей объемного заряда при m=const можно записать [15]

(32)

где S=S(t) и определяется (26) либо (27).

Выражение для напряжения в фазе переноса можно получить интегрированием напряженности поля по всей базе. Однако необходимость учета тока смещения значительно усложняет эту задачу, которая упрощается, если для оценки V_обр.B этот период времени воспользоваться линейной аппроксимацией V_обр(t).Анализ показал, что в фазе переноса напряжение на диоде возрастает от V_обр до 3/2 V_обр при t=t₄. Поэтому можно записать

(33)

Такая аппроксимация вполне оправдана, так как t₄-t₃<<t₃

Для t>t₄ напряжение на p-i-n- диоде увеличивается от V_обр(t₄) до напряжения источника тока с постоянной времени t_н=R_н*c_i,

где R_н – внутренне сопротивление источника тока,

с_i– емкость базы диода.

В ряде случаев, например, при оптимизации формы импульса тока управления переключательными р-i-n диодами и при анализе процессов взаимодействия p-i-n- диодов со схемой управления не требуется знание детального распределения носителей заряда

в i- области. В этих случаях диод рассматривается как элемент цепи (емкость), в котором процесс накопления и рассасывания заряда описывается уравнением (14) [5,10,15,16].

1.2 Технология быстродействующих p-i-n- диодов

1.2.1 Структура р-i-n- диода и требования к параметрам

полупроводникового материала [7,9,12,15,16]

Быстродействующие переключательные p-i-n- диоды представляют собой собранные в корпуса или держатели р-i-n структуры с тонкой (от 1 до 10 мкм) высокоомной ( r > 10 Ом*см) базовой i-областью n- или p-типа проводимости. Материалом базовой области обычно являются эпитаксиальные пленки кремния. В качестве низкоомных р- и n-областей используются низкоомные подложки кремния, тонкие эпитаксиальные, диффузионные или ионно-легированные слои. Площадь таких p-i-n- структур обычно составляет от 2*10^-7 до 8*10^-5 см²

Для минимизации вклада в t_пр и t_обр сопротивлений n- и p- областей толщину и удельное сопротивление последних стремятся делать минимальными. Кроме того, с уменьшением r_n и r_p уменьшается сопротивление контактов к этим областям.

При эпитаксии вследствие автолегирования и диффузии примеси из подложки на границе раздела между низкоомной и высокоомной областями пластины образуется переходной слой с переменной концентрацией примеси. Толщина его может быть сравнима с размерами базы диода. Аналогичный слой образуется при создании диффузионного или эпитаксиального переходов в высокоомной пленке.

Неполное обеднение этих слоев при обратном смещении приводит к увеличению обратного сопротивления потерь диодов. При прямом смещении из-за наличия переходных слоев уменьшаются коэффициенты инжекции переходов. Поэтому при создании диодных структур принимаются специальные меры к увеличению резкости переходов.

Для того, чтобы полное обеднение базовой области диода и переходных слоев было получено при небольшом напряжении обратного смещения, удельное сопротивление i -слоя должно быть максимально большим.

1.2.2 Методы создания p-i-n- структур

Эпитаксиальные пленки Si для быстродействующих переключательных диодов выращивают разложением SiCl₄ [12], SiH₄ [10],а также методом молекулярно-лучевой эпитаксии [16,9]. Выращивание обычно проводят на подложках n- типа проводимости с удельным сопротивлением 0,001- 0,003 Ом *см. При эпитаксии для уменьшения толщины переходного слоя между низкоомной подложкой и высокоомной пленкой принимают меры, снижающие эффект автолегирования. Для этой цели перед эпитаксиальным выращиванием обратную сторону подложки маскируют нелегированным материалом, а процесс эпитаксии проводят в два этапа. На первом этапе при высокой температуре выращивают тонкий (около 0,4 мкм) слой нелегированного Si [10], на втором при более низкой температуре этот слой доращивают до необходимой толщины. При пиролизе SiH₄ в качестве маски может быть использован слой SiO₂ для SiCl₄ предпочтительнее маскирование высокоомным слоем Si. Типичные значения толщины переходных слоев в пиролитических эпитаксиальных структурах, используемых для создания БПД, лежат в пределах 0,4-0,6 мкм.

Молекулярно-лучевая эпитаксия, проводимая в ультравысоком вакууме при сравнительно низкой температуре (950-1050°С), позволяет уменьшить толщину переходного слоя примерно до 0,2 мкм.

Обычно p-i- переход создается низкотемпературной (Т=860-880°С) диффузией бора на глубину 0,15-0,22 мкм. При изготовлении р-i-n- структур по технологии обращенной мезаструктуры подложку стравливают до -толщины примерно 10 мкм. При создании прямой мезаструктуры подложку также утончают.

В качестве контактов к сильнолегированным областям р-i-n- структур используются тонкие слои Cr, Ti и Pd₂Si. Контакты формируются в виде многослойных систем Ti-Au [15,16], Cr-Pd-Au [9,10]. Значения среднего удельного сопротивления этих контактов r_s=(r^s_p+r^s_p)/2 для r_p,r_n£ 0,005 Ом*см сравнимы и примерно пропорциональны сопротивлению p- и n- областей. При r_n=0,0015 Ом*см и r_p = 0,001 Ом*см в диапазоне частот 700-1700 МГц для всех типов контактов r_s<10^-6Ом*см^-2.

Адгезия Ti и РdSi₄ к Si лучше, чем Cr. Кроме того, для хромового контакта наблюдается аномальная зависимость сопротивления от плотности прямого тока [7]. Недостатком Ti является его взаимодействие с травителем для кремния. Вследствие этого при формировании мезаструктуры качество титанового контакта может существенно ухудшаться.

Типичные варианты р-i-n- мезаструктур для быстродействующих переключательных диодов показаны на pиc.5.

Рис. 5. Варианты исполнения p-i-n- структур для быстродействующих переключательных диодов.

Для получения мезаструктуры, показанной на рис.5,а, после диффузии бора в i -слой подложку сошлифовывают примерно до 10 мкм, создают металлические контакты и с помощью фотолитографии формируют ме-заструктуры по диаметру верхнего контакта (около 70 мкм). До окончательного диаметра (17-20 мкм) дотравливают мезаструктуру после сборки диода. Диодная структура (рис.5,6) получена по стандартной технологии обращенной мезаструктуры с интегральным теплоотводом. На рис.5,д показана p-i-n- структура в виде прямой мезаструктуры с балочными выводами. В такой конструкции металлический контакт расположен в непосредственной близости от мезаструктуры, что позволяет уменьшить вклад сопротивления подложки в полное сопротивление диода.

Технология полностью эпитаксиальных p-i-n- структур [12]. На низкоомной, ориентированной в плоскости (100) n-подложке выращиваются последовательно р- слой толщиной около 5 мкм с r_p£ 0,001 Ом*см, нелегированный i- слой (от 1 до 15 мкм) и тонкий (~1 мкм) n- слой r_n£ 0,0015 Ом*см. Такая структура эпитаксиальных слоев позволяет, используя селективный травите ль, полностью стравить n- подложку и получить однородные по толщине обращенные мезаструктуры с низким удельным сопротивлением p- и n-областей (рис. 5,г).

Вариант технологии изготовления прямой мезаструктуры для БПД подобен технологии создания p-i-n- структуры ограничительного диода. В этом варианте высокоомный i- слой и низкоомный n- слой последовательно наращиваются на низкоомной подложке p- типа проводимости.

Для получения диодных структур с поверхностью, пассивированной термическим SiO₂, на эпитаксиальный i- слой осаждается Si₃N₄ фотолитографией по Si₃N₄ формируются прямые мезаструктуры, затем проводится термическое окисление боковой поверхности этих структур, удаляются остатки Si₃N₄ и в открывшихся, окнах создаются диффузионные р-i - переходы.

Существует технология, которая заключается в создании p-i-n- структуры одновременной мелкой диффузией доноров и акцепторов в высокоомную тонкую пленку Si. Технологическая схема этого метода представлена на рис. 6. Исходные пластины представляют собой эпитаксиальные p-i- (или n-i-) –структуры. Всю подложку толщиной 200-400 мкм стравливают химически в потоке газа либо электрохимически. Эпитаксиальную пленку утончают до 2-6 мкм. Диффузию B и P проводят одновременно из боро- и фосфоросиликатных стекол, нанесенных на противоположные стороны пленки. После кратковременной диффузии (5-15 мин при 1100°С), при которой p-i- и i-n- переходы формируются на глубине от 0,5 до 1,5 мкм от поверхности, остатки стекол стравливают и на обе стороны напыляют металлические контакты типа Ti-Au.