Радиационная технология прецизионного управления параметрами высоковольтных тиристоров

В связи с ростом мощности преобразовательных устройств силовой полупроводниковой электроники все более востребованными сегодня становятся высоковольтные и сильноточные тиристоры, адаптированные для применения в последовательном и/или параллельном соединениях.

Тиристоры, комплектующие параллельные сборки, должны иметь высокую идентичность ВАХ во включенном состоянии; тиристоры для применения в последовательных сборках — высокую идентичность характеристик обратного восстановления. Общим требованием для всех этих применений является наличие тождественных и, желательно, минимизированных температурных зависимостей указанных характеристик.

Чтобы этого добиться, необходимо, во-первых, обеспечить высокую воспроизводимость распределений донорных и акцепторных примесей в слоях полупроводникового элемента тиристора. Современные технологии и оборудование имплантации и диффузии, применение в качестве исходной подложки высококачественного «силового» нейтронно-легированного кремния, как правило, позволяют решить эту задачу.

Во-вторых, необходимо обеспечить равное время жизни носителей заряда в слоях тиристора. Решение этой задачи для современных высоковольтных тиристоров на напряжения свыше 4000 В имеет следующую трудность. Необходимые для получения удовлетворительно низкого падения напряжения во включенном состоянии значения времени жизни носителей заряда (τ) в n-базе такого тиристора составляют 100–300 мкс, при значениях и типичном разбросе τ в поставляемых партиях исходного монокристаллического кремния — 500–1000 мкс. Таким образом, достичь снижения τ в n-базе готового элемента с требуемой точностью (разброс менее нескольких процентов, а иногда и долей процента) невозможно без учета исходного значения этой электрофизической характеристики для данного конкретного полупроводникового элемента.

Одной из эффективных технологий точного регулирования τ и, следовательно, прецизионной подгонки параметров тиристоров, от него зависящих, является облучение ускоренными электронами. Снижение времени жизни неосновных носителей заряда в базе прибора происходит при этом за счет внедрения туда радиационных дефектов [1]. На рис. 1 приведены типичные зависимости величины 1/τ–1/τ₀ (где τ₀ — значение до облучения) в кремнии от интегрального потока облучения для разных частиц [2]. Таким образом, на определенном участке доз облучения выполняется зависимость (1):

Рис. 1. Типичные зависимости времени жизни носителей заряда от потока облучения:
1 — γ-квантами;
2 — электронами 2,5 МэВ;
3 — электронами 30 МэВ;
4 — быстрыми нейтронами

Наиболее распространенная методика контроля дозы облучения с помощью цилиндра Фарадея дает относительную погрешность 15–20% при измерении необходимых для облучения высоковольтных тиристоров доз в диапазоне 1E11–1E12 см^-2. Это не вполне удовлетворяет требованиям прецизионности в производстве этих полупроводниковых приборов и делает актуальным поиск альтернативных методов.

Одним из перспективных здесь представляется метод прямого измерения τ на сопровождающих облучаемые объекты кремниевых кристаллах-спутниках. Из (1) видно, что если обеспечить прецизионность измерения времени жизни и знать коэффициент радиационной деградации K_τ, то по Δ(1/τ) можно находить Ф. Значения K_τ и τ₀ для облучаемых тиристорных элементов и диодов спутников могут различаться, однако, зная в каждом случае величины τ₀, а также при условии высокой стабильности констант K_τ, можно всегда однозначно получить значение τ в базе диода-спутника, при котором в n-базе тиристорного элемента будет получено свое требуемое значение времени жизни. Суть метода контроля дозы, таким образом, заключается в измерении деградации времени жизни в тестовой структуре во время процесса облучения, а прецизионность метода будет определяться:

• прецизионностью измерения τ или связанных с ним характеристик тиристорного элемента до облучения;
• прецизионностью измерения τ или в базе диода-спутника во время облучения;
• стабильностью K_τ.

Рассмотрим аппаратно-методическую реализацию этих условий в рамках технологии прецизионного регулирования характеристик высоковольтных тиристоров электронным облучением.

Измерение τ в базе диодных кристаллов-спутников реализуется методом Лэкса [3]. Несмотря на то, что по отношению к реальной физической величине τ метод Лэкса может быть неточен, он имеет высокую воспроизводимость при неизменных параметрах структуры и измерения. В нашем случае по данным физико-топологического моделирования [4] при параметрах импульсов I₁ = 200 мА, I₂ = 200 мА и t_imp⁺ = t_imp^– = 200 мкс выполняется:

где t_s — время задержки обратного напряжения.

Диоды-спутники изготавливаются на основе высокоомного нейтронно-легированного кремния, близкого по своим характеристикам к кремнию, на котором изготавливаются тиристорные элементы, что обеспечивает стабильность значений K_τ. Элементы диодов-спутников — кристаллы 4×4 мм, вырезанные из пластин, прошедших по маршруту диффузионной технологии силового диода. Во время облучения диод-спутник закрепляется в центре мишени в контактной оправке, от которой в центр управления ускорителем протянут коаксиальный кабель (рис. 2).

Рис. 2. Схема измерения времени жизни носителей заряда на диодных кристаллах-спутниках в процессе облучения

Приведем типичные результаты прецизионного регулирования параметров тиристоров облучением ускоренными электронами с энергией 6 МэВ при использовании вышеописанной методики контроля.

Для партий тиристоров T353-800-35 на средний ток 800 А и напряжение 3500 В, которые используются в последовательно-параллельных сборках в составе высоковольтных импульсных преобразователей, заказчик требует обеспечения разброса напряжения во включенном состоянии U_ТМ не более ±0,1 В для равномерного распределения нагрузки при паралельном соединении тиристоров. Также одновременно должно быть обеспечено ограничение импульсного тока обратного восстановления I_rrM до величины не более 130 А. Тиристоры предварительно группируются по значениям исходного U_ТМ с «шагом» между гуппами 0,05 В, затем облучаются с использованием описанного выше метода. При этом удается снизить технологический разброс до 1,8 В≤U_ТМ≤1,9 В, что в два раза превышает необходимый (рис. 3), а также удовлетворить требованиям по I_rrM (рис. 4), при этом общий процент выхода приборов с указанным сочетанием параметров превышает 95%.

Рис. 3. Типичное статистическое распределение UTM (ITM = 2500 А) в партии тиристорных элементов T353-800-35 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

Рис. 4. Типичное статистическое распределение импульсного тока обратного восстановления IrrM (Tj = +125 °C, ITM = 800 А, di/dt = –5 А/мкс) в партии тиристорных элементов T353-800-35 после прецизионной обработки ускоренными электронами

Для тиристоров Т643-320-65 на средний ток 320 А и напряжение 6500 В, адаптированных для последовательного соединения, прецизионная технология регулировки заряда обратного восстановления позволяет снизить разброс Q_rr в партии до значений ±70–80 мкКл (рис. 5). Разброс значений U_ТМ при этом также минимизирован (рис. 6).

Рис. 5. Типичное статистическое распределение заряда обратного восстановления Qrr (Tj = +125 °C, ITM = 320 А, di/dt = –5 А/мкс) в партии тиристорных элементов Т643-320-65 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

Рис. 6. Типичное статистическое распределение UTM (ITM = 2500 А) в партии тиристорных элементов Т643-320-65 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

На рис. 7 показано изменение разброса заряда обратного восстановления в партиях высоковольтных тиристоров Т273-1250-44 на ток 1250 А и напряжение 4400 В после проведения операций прецизионного облучения. На рис. 8 приведены соответствующие статистические распределения падения напряжения во включенном состоянии. Видно, что разброс заряда обратного восстановления в массовых партиях тиристоров снижается до величины менее 5%. Разброс величин падения напряжения во включенном состоянии после проведения операций прецизионного облучения составляет менее ±0,05 В, что облегчает согласование работы тиристоров в параллельном соединении, если это требуется.

Рис. 7. Типичное статистическое распределение заряда обратного восстановления Qrr (Tj = +125 °C, ITM = 1250 А, di/dt = –5 А/мкс) в партии тиристорных элементов Т273-1250-44 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

Рис. 8. Типичное статистическое распределение UTM (ITM = 4000 А) в партии тиристорных элементов Т273-1250-44 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

Таким образом, радиационно-технологические методы прецизионного регулирования характеристик высоковольтных тиристоров, адаптированных для параллельно-последовательного соединения, позволяют в массовых партиях снизить разброс U_TM до величин не более ±0,05 В при разбросе Q_rr не более 5%.