SE434588B - Sett for tillverkning av en snabb halvledarlikriktare - Google Patents

Description

7806391-4 spänningsfallet och en ökning av återhämtningstiden i spärriktningen.

Ett av sökanden i föreliggande ärende erhållet ameri- kanskt patent med nr 4 043 836 hänför sig till bestrålning av halvledaranordningar vid en förhöjd temperatur. Enligt beskrivningen i denna ansökan medger högtemperaturbestrål- ning att man kan eliminera ett långt cch således kost- samt härdningssteg efter bestrålningen} vilket tidigare har erfordrats.

Fastän det föregående illustrerar en allmänt ökad förståelse av mekanismerna som är inbegripna vid bestrål- ningen av halvledarlikriktare och de förbättringar i karak- teristikorna som kan erhållas därigenom framgår det att det har funnits mycket liten eller ingen kunskap om opti- meringen av de skilda metoderna och kombinationer av dessa för att förbättra karakterstikorna hos halvledarlik- riktare genom bestrålning, härdning och liknande; Följaktligen är ett ändamål med föreliggande upp- finning att åstadkomma ett sätt för tillverkning av snabba halvledarlikriktare, vilket ger den optimala kompromissen mellan återhämtningstid i spärriktningen, framspännings- fall och läckström.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt att förbättra karakteristikorna hos tidigare till- verkade likriktare för att uppnå optimal kompromiss mellan återhämtningstid i spärriktningen, framspänningsfall och läckström. I I korthet innefattar enligt en aspekt av föreliggande uppfinning ett sätt för tillverkning av snabba halvledarlik- riktare med förbättrade funktionskarakteristikor tillverkning av likriktaren medelst någon känd metod för tillverkning av snabba likriktare och följande bestrålning av likriktaren under bibehållande av dess temperatur vid ea 2so-3so°c följt av härdning av likriktaren vid en temperatur på mellan ca 280-350°C. Man har upptäckt, att fastän ändringshastigheten 7806391-4 för framspänningsfallet och återhämtningstiden i spärr- riktningen är väsentligen konstanta under härdning minskar ändringshastigheten för läckströmmen med härd- ningstiden. Man har vidare funnit, att i samband med ett speciellt fall, som kommer att beskrivas närmare nedan, reduceras läckströmmen till mindre än 50% av dess värde utan härdning efter endast 3 timmars härdning. Genom en jämförelse mellan ändringshastigheterna för återhämt- ningstiden i spärriktningen och läckströmmen under härd- ning har man upptäckt, att ändringshastigheten för åter- hämtningstiden i spärriktningen är lägre än ändrings- hastigheten för läckströmmen under de första tre timmarna av härdningen, medan ändringshastigheten för återhämt- ningstiden i spärriktningen blir högre än ändrings- hastigheten för läckströmmen efter 10 timmars härdning.

Enligt uppfinningen har man således funnit ett omrâde av härdningstider, som ger de optimala karakteristikorna för en anordning. Detta område av härdningstider ligger mellan 3 timmar och 10 timmar och företrädesvis mellan 3-6 timmar beroende på härdningstemperaturen.

Enligt ytterligare en aspekt på uppfinningen be- strâlas halvledarlikriktare med elektroner med energier på mellan ca 0,4 och 12 MeV vid doser på mellan omkring 1013 e/cm2 och 1016 e/cmz.

De nya egenskaperna hos uppfinningen är angivna i efterföljande patentkrav. Uppfinningen i sig själv och dess verkan tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar hos 7896391-4 denna förstås bäst av följande beskrivning under hänvis- ning till ritningarna.

Fig. l är ett flödesdiagram för ett sätt för till- verkning av snabba halvledarlikriktare enligt uppfinningen.

Fig. 2 är en grafisk representation av förhållandet mellan läckström och härdningstid för en halvledarlikrikta- re, som har bestrålats i enlighet med uppfinningen.

Fig. 3 är en grafisk representation av förhållandet mellan återhämtningstiden i spärrriktningen och härdnings- tid för en halvledarlikriktare bestrålad enligt uppfinningen.

Pig. 4 är en grafisk representation av förhållandet mellan läckström och âterhämtningstid i spärriktningen i förhållande till härdningstid såsom en parameter för en halvledarlikriktare bestrålad enligt uppfinningen.

Fig. 5 illustrerar en anordning som är avsedd för genomförande av sättet enligt uppfinningen.

I figur l illustreras i form av ett flödesschema i blockform en process för åstadkommande av en likriktare med -optimerade värden för återhämtningstid i spärriktningen, framspänningsfall och läckström. I ett första steg 10 åstad- kommes en likriktare, vilken företrädesvis är avsedd för hög spänning och relativt hög ström, såsom exempelvis en likrik- tare med en genombrottsspänning i spärriktningen av storleks- ordningen l800 V och en strömkapacitet-i framriktningen av storleksordningen 400 A. Fastän en speciell typ av likrikta- re kommer att beskrivas i samband med förklaringen av en fö- redragen utföringsform av uppfinningen inser fackmannen, att de häri angivna principerna och uppfinningen likaväl kan tillämpas för vitt skilda likriktartyper, varför upp- finningen ej är begränsad till de speciella utföringsformer som beskrives. En såsom exempel vald likriktare av en typ vid vilken denna uppfinning är tillämplig, är en som har en P+NN+-struktur, vilken likriktare tillverkas i en halv- ledarskiva av N-typ med en tjocklek på exempelvis 0,2794 eller 0,3048 mm och en resistivitet på 60-90 ohm cm. Lämp- 7806391-4 ligen utformas halvledarskikt*på motstående ytor av en skiva av den beskrivna typen genom diffusion av störa- tomer in i nämnda ytor. Exempelvis kan ett område av P+-typ lämpligen formas genom diffusion av gallium till en ytkoncentration på 5-10 at°mer/cm och en tjocklek på vmkring 0,0762 mm. På liknande sätt kan ett skikt av N+-typ med en tjocklek på ca 0,0508 mm enkelt formas genom dif- fusion av fosfor till en koncentration pâ mellan 5-1018 och l-1020 ordningen 1019 föredrages. Efter diffusion formas lämp- atomer/cm3, varvid koncentrationer av storleks- ligen elektroder genom påförande av metall på nämnda ytor, varvid lämpligen aluminium utnyttjas. Det inses av fackmannen,att en halvledarlikriktare av det beskriv- na slaget är mer eller mindre konventionell och som sådan utgör den ingen del av föreliggande uppfinning, bortsett från att den här illustrerar en såsom exempel vald lik- riktare av det slag vid vilken läran enligt föreliggande uppfinning med fördel kan tillämpas.

Efter metallisering uppvärmes enligt uppfinningen en likriktare av det beskrivna slaget till en hög temperatur, överstigande ca 150°C, och utsättes den sedan utan väsent- lig kylning för ett högtemperaturbestrålningssteg l2. I enlighet med en för närvarande föredragen utföringsform av uppfinningen utföres bestrålningen vid en temperatur överstigande l50OC och understigande SOOOC, varvid områ- det 250 -350°C föredrages. Bestrålningen utföres med elektroner med energier inom området 0,4-12 Mev. Bestrål- ningen utföres under en tillräcklig tid för att uppnå en 13 och 5-1015 2 elektroner/cm2 föredrages. Som inses av dos på mellan 5-10 elektroner/cm , varvid området 1014-1015 fackmannen beror den bestrålningstid som krävs för uppnåen- de av ovan nämnda tätheter på storleken av elektronflödet.

Allmänt anses bestrålningstider av storleksordningen mellan omkring 20-120 sek. vid en flödesnivå på omkring 5°1012 e/ cmz/sek . att ge tillfredsställande resultat. 1soes91é4 Efter högtemperaturbestrålningssteget 12 härdas halvledaren vid en temperatur inom området 280-350°C, varvid området 290-3l0°C föredrages, under en tid på mellan 2-10 timmar, företrädesvis mellan 3-6 timmar.

Den exakta varaktigheten och tillstånden_i föregå- ende steg kan variera något från de föredragna värdena som angivits och kan enkelt bestämmas av fackmannen i be- roende av de principer som följer nedan.

Med referens till figur 2 är förhållandet mellan läckström och härdningstid illustrerad i grafisk form.

Kurvorna IB, l8 och 20 representerar anordningar bestrå- lade i enlighet med föregående procedur under 50, 40 respektive 30 sekunder vid 1,5 Mev, motsvarande doser på 2f3'l0l4, l,9'l0l4 respektive l,4'l0l4 e/cm2. Läckström- marna som illustreras är i mA vid l75°C och en pålagd po- tential på l80O V för en anordning av det ovan beskrivna slaget. Det inses under hänvisning till figur 2 att fastän läckströmmen fortsätter att minska med ökande härdningstid minskar ändringshastigheten för läckströmmen i förhållande till tiden med tiden och blir den procentuella reduktionen av läckströmmen högre än 50 efter 3 timmars härdning. Efter approximativt 10 timmar närmar sig ändringshastigheten för läckströmmen med tiden 0 och man kan ej förvänta sig någon väsentlig ytterligare fördel. _ I kontrast härtill illustreras i figur 3 grafiskt för- hällandet mellan återhämtningstid i spärriktningen, trr, och härdningstiden. Även dessa kurvor illustreras för anord- ningar som har bestrålats under olika tider vid en förhöjd temperatur. Kurvan 22 representerar anordningar som har be- strålats under 35 sekunder, kurvan 20 för bestrålningstiden 40 sekunder och kurvan 26 för bestrålningstiden 50 sekunder vid en dosering på 4f67'1°l2e/em2/se1<. En jämförelse mellan figur 2 och 3 visar snabbt, att fastän läçkströmmen minskar med en avtagande hastighet med härdningstiden ökar återhämt- ningstiden i spärriktningen med en väsentligen konstant has- 7806391-4 tighet med ökande härdningstid. Såsom har beskrivits upp- nås följaktligen den bästa kompromissen mellan läckström och âterhämtningstid i spärriktningen, dvs den lägsta läckströmmen förenlig med en kort återhämtningstid i spärriktningen, vid härdning under kortare tid än 10 tim- mar. Det påminnes om, att minskningshastigheten för läck- strömmen som en funktion av tiden minskar till väsentligen 0 efter 10 timmars härdning. Medan läckströmmen således blir väsentligen konstant ökar återhämtningstiden i back- riktningen alltjämt, varför man inser att ytterligare härd- ning är onödig.

I figur 4 illustreras förhållandet mellan läckström och âterhämtningstid i spärriktningen för halvledarlikrik- tare tillverkade enligt uppfinningen och innefattande så- som ytterligare parameter tiden för härdning efter högtem- peraturbestrålning. Kurvorna 28, 30, 32 och 34 illustrerar förhållandet mellan läckström och återhämtningstid i spärr- riktningen för halvledarlikriktare med härdningstider på 0, 3, 6 resp. 10 timmar. Fackmannen inser enkelt, att den mest önskvärda kurvan är den som ligger närmast axlarnas skärningspunkt i figur 4. Med referens till figur 4 fram- går, att kurvan 32 ger den högsta graden av förbättring i slutliga karakteristikor jämfört med kurvan 28, som repre- senterar en ej härdad anordning. Båda kurvorna 30 och 34 hän- för sig till anordningar i vilka förbättringen avseende kompromissen mellan läckström och återhämtningstid i spärr- riktningen är mindre än den som framgår av kurvan 32. Kur- van 30 illustrerar en kompromiss, som är resultatet av en härdningstid som är kortare än den optimala, medan kurvan 34 illustrerar karakteristikorna hos en anordning som är härdad under en längre tid än den optimala. Det inses emel- lertid, att var och en av kurvorna 30, 32 och 34 beskriver karakteristikor, vilka representerar förbättringar jämfört med karakteristikorna för en icke härdad anordning enligt kurva 28. 7806391-4 Packmannen inser att fastän figur 4 representerar de för tillfället föredragna bestrålnings- och härdnings- betingelserna för en anordning som beskrivits ovan kan, då anordningar som skiljer sig något från den ovan beskriv- na anordningen önskas optimerade, något skiljaktiga be- tingelser ge den optimala kompromissen mellan läckström, återhämtningstid i spärriktningen och ledspänningsfall.

Följaktligen avser uppfinningen ej endast att täcka de speciella betingelser som beskrivs häri utan även sådana betingelser som varierar något därifrån men som icke desto mindre ligger inom uppfinningens ram, såsom denna definie- ras i patentkraven.

Figur 5 illustrerar schematiskt en anordning för hög- temperaturbestrålning och härdning av halvledaranordningar i enlighet med uppfinningen. Ett transportband 36 av kon- ventionellt slag utnyttjas för att sekventiellt låta halv- ledaranrodningar 38 passera genom 40 under bestrålnings- organ 42 och genom ugnsorgan 44. Medan figur 5 illustrerar en anordning utnyttjande ett transportband inses av fack- mannen, att även andra metoder för exponering av halvledar- anordningarna för lämpliga omgivningsbetingelser kan utnytt- jas, varvid exempelvis anordningarna helt enkelt kan för- skjutas fysiskt från en ugn till en bestrålningsplats och sedan återföras till samma eller en annan ugn för sekven- tiell uppvärmning, bestrålning och härdning i enlighet med uppfinningen. Anordningen enligt figur 5 är lämpligen så ut- förd, att små kroppar eller korn 38 förblir i ugnen 40 under en tid som är tillräcklig för att höja dessas tempera- tur till omkring 300°C. Därpå förskjutes de under bestrål- ningskällan 42 utan att de medges svalna väsentligt, så att bestrålningen utföres medan temperaturen hos anordningarna är väsentligen 300°C. Om så önskas kan bestrålningskällan 42 ingå i ugnen 40 för_att säkerställa, att bestrålningen sker vid en hög temperatur. Bestrålningskällan 42 kan utgöras av varje slag av bestrålningskälla som är känd för fackman- 7806391-4 9 nen, såsom exempelvis en elektronaccelerator eller annan anordning som producerar elektroner av hög energi och som ger elektroner med en energi överstigande 0,4 Mev. I enlig- het med en utföringsform av föreliggande uppfinning är en elektronkälla 46 anordnad tillsammans med ett evakuerat rör 48, vilket bibehålles vid ett tryck av storleksordningen l0_6 torr och vilket är avtätat vid den ände som är belägen på avstånd från elektronkällan medelst ett tunnt titanföns- ter. Anordningarna 38 bestrålas i enlighet med uppfinningen 16 2 e/cm och företrädesvis e/cm2. med doser på mellan lOl3 och 5'l0 15 Bestrålningstiden med doser på mellan l0l4 och 10 beror på elektronströmflödet.

Efter bestrålningen förskjutes anordningarna av trans- portbandet 36 till en härdningsugn 44, där de upphettas till en temperatur på mellan 280-350QC, företrädesvis till en temperatur på mellan ca 290-350°C, under en tid på mellan 3-10 timmar, företrädesvis mellan 3-6 timmar. Fastän trans- portbandet 36 är illustrerat som ett enda band kan det vara lämpligt att enligt uppfinningen utnyttja två eller flera skilda transportanordningar tillsammans med organ för över- föring av kornen 38 däremellan, för att åstadkomma upphett- ning och bestrålning och härdning i enlighet med uppfinning- en. Fackmannen inser exempelvis, att uppvärmningen som sker i ugnen 40 och bestrålningen av strâlkällan 42 kan åstadkom- mas relativt snabbt och att därför ett enda transportband kan utnyttjas. Härdningen i ugnen 44 utföres under en tid som är relativt lång jämförd med upphettnings- och bestrål- ningstiderna och därför kan lämpligen ett separat transport- band som rör sig långsammare utnyttjas härför.

Efter härdning och kylning är anordningarna kompletta så vitt avser denna uppfinning och kan kapslas i enlighet med kommande behov. Fastän anordningen enligt figur 5 re- presenterar en anordning som är lämplig för genomförande av uppfinningen inses, att modifikationer och ändringar av den- na kan utföras inom ramen för uppfinningen. Exempelvis kan ett tunnt hölje_anordnas som omger halvledaranordningarna 7806391-4 10 under bestrålningsmomenten av processen enligt uppfin- ningen. Lämpligen kan aluminium med en tjocklek på 0,0254 eller 0,0508 mm ge förbättrad värmebevarande ef- fekt under härdningssteget utan behov varken av att an- ordna bestrålningsanordningen 42 i ugnen 40 eller att väsentligt öka energin hos denna till följd av absorp- tion i höljet. På liknande sätt kan en varm platta el- ler liknande anordnas vid bestrålningsstället för uppvärm- ning av anordningarna till eller bibehållande av dessa vid den önskade temperaturen för bestrålningen.

Fastän uppfinningen har beskrivits under utnyttjan- de av elektronbestrâlning såsom en föredragen metod för att reducera livslängden vid snabba likriktare för att upp- nå fördelarna därmed inses av fackmannen, att andra former av strålning som orsakar gitterskador med fördel kan ut- nyttjas där så önskas med åtföljande modifikationer av ti- derna och doserna som utnyttjas. Exempelvis kan gammaneutron- bestrålning utnyttjas, varvid gammabestrålning föredrages med hänsyn till att dosen skall kunna styras exakt och be- strålningen kunna utföras relativt enkelt. Protonbestrålning är ej att föredra fastän den kan utnyttjas i teorin, efter- som inträngningen är mycket större än den som erhålles vid föregående typer.

Fastän uppfinningen speciellt har beskrivits under hän- visning till skilda, föredragna uföringsformer av denna in- ser fackmannen, att olika ändringar i form och detalj kan utföras utan avsteg från uppfinningstanken, såsom denna de- finieras i patentkraven.

Claims (9)

,, 7806391-4 Patentkrav

1. Sätt för tillverkning av en snabb halvledarlikrik- tare, som karakteriseras av låg läckström och kort återhämt- ningstid i spärriktningen, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar tillverkning av en likriktare, upphettning av likriktaren till en temperatur på ca 250-350°C, bestrâlning av likriktaren under bibehållande av temperaturen hos denna vid cirka 250-350°C, samt en därpå följande härdning av lik- riktaren vid en temperatur på mellan ca 280-350°C under en tid på mellan ca 2-10 timmar, som väljs för att minska läck- strömmen samtidigt som återhämtningstiden i spärriktningen endast ökar med ett relativt sett litet värde.

2.7 Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att likriktaren härdas vid en temperatur på mellan ca 290-310°C.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att likriktaren bestrålas med elektroner med energier på mellan 0,4-12 MeV.

4. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k - n a t av att nämnda härdning av halvledaren sker under ca 3-6 timmar.

5. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att likriktaren bestrålas under en tid på mellan ca 20-60 sek. vid en flödeshastighet på ca 5-1012 e/cmz/sek.

6. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att likriktaren bestrålas till en koncentration på mellan 1013-1016 e/cmz.

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att likriktaren härdas under en tid på mellan ca 3-6 timmar.

8. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att likriktaren bestrålas under en tid på mellan ca 30-50 sek. vid en flödeshastighet på ca 4,7-1012 e/cm2/sek.

9. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda bestrâlning sker till en koncentration på mellan 14_101s ca 10 e/cm2.