Безкорпусний кремнієвий надвисокочастотний p-i-n- діод

1. Безкорпусний кремнієвий надвисокочастотний р-і-n-діод, який містить кремнієвий кристал з високоомної напівпровідникової пластини, на протилежних поверхнях якої сформовані два сильнолегованих шари р- та n-типу провідності і омічні контакти до них, смужковий вивід та основне захисне покриття, 3 Вказане технічне рішення містить кремнієвий кристал з високоомного напівпровідникового матеріалу, на зворотних поверхнях якого сформовані два сильнолегованих шара р+- та n+типу провідності і омічні контакти до них. На поверхні р+шара методом травлення сформовано кільце на глибину, що трохи перевищує товщину р+- шара. При такій конструкції р+- n переходу неможливо отримати високих пробивних напруг, наприклад більше, ніж 1500В, тому цей діод неможливо використати для комутації високих рівней потужностей в керуючих пристроях НВЧ діапазону. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена мета удосконалення безкорпусного кремнієвого НВЧ р-i-n діоду шляхом оптимізації конструкції та геометричних розмірів напівпровідникового кристалу для досягнення технічного результату: збільшення пробивної напруги діода і зв'язаного з нею збільшення потужності перемикача НВЧ сигналу. Вказана мета досягається за рахунок того, що в відомому безкорпусному кремнієвому НВЧ р-i-n діоді, який містить кремнієвий кристал з високоомної напівпровідникової пластини, на протилежних поверхнях якої сформовані два сильно леговані шари р+- та n+- типу провідності і омічні контакти до них, смужковий вивід та основне захисне покриття, кремнієвий кристал виконано у вигляді чіпа, а бічну поверхню р-n переходу чіпа методом травлення в р-n переході кільцевої структури заданої глибини виконано у формі трьохступеневої сфери, при цьому на бічну поверхню р-i-n діода методом вакуумного напилення створено додатковий захисний шар діелектричного покриття, товщина якого не перевищує 1мкм, а загальна глибина витравлених кілець складає не менше 1/4 товщини шару бази діода. Основне захисне покриття виконано з кремнійорганічного матеріалу або легкоплавкого скла, а товщина основного захисного покриття складає 10-70мкм. Товщина високоомної бази діода визначає величину теоретично розрахованої пробивної напруги. Новими ознаками, які має технічне рішення, що заявляється, є: виконання кремнієвого кристалу у вигляді чіпа, виконання бічної поверхні кристалу у вигляді кілець трьохступеневої сфери з визначеною товщиною р+ - та n+ - областей, нанесення на бічну поверхню р-i-n діода методом вакуумного напилення додаткового захисного шару діелектричного покриття, товщина якого не перевищує 1мкм, а загальна глибина витравлених кілець складає не менше 1/4 товщини шару бази діода. Ці ознаки забезпечують відповідність заявленої корисної моделі критерію «новизна». Ці ознаки є суттєвими і дозволяють одержати технічний результат, що заявляється, - збільшення пробивної напруги та підвищення потужності, що розсіюється у вигляді тепла, і потужності, що комутується. Це обґрунтовується таким чином. Перемикаючі р-i-n діоди, особливо високовольтні, характеризуються поверхневим пробоєм при зворотній напрузі. Поверхневий пробій значно знижує величину пробивної напруги 30533 4 р-i-n діода. Це пов'язано з наявністю в р-i-n діоді на поверхні значно більшої напруженості поля у порівнянні з внутрішніми областями напівпровідникової структури. Тому, зменшення поверхневого пробою можна досягти шляхом зменшення напруженості поля на бічних поверхнях напівпровідникового діода. Найбільш ефективним способом зниження електричного поля на поверхні напівпровідника є створення на його бічній поверхні певної визначеної розвиненої геометричної форми в місці виходу р-n переходу на поверхню. Найбільш ефективним методом створення геометричної форми бічної поверхні є створення фаски, тобто нахилу бічної поверхні напівпровідникової структури до основи. В нашому випадку пропонується форма трьохступеневої сферичної бічної поверхні, яка формується шляхом травлення р-n переходу у вигляді кілець по периферії р-n переходу кристала. Профіль кожної ступені кільця після розтравлення структури математично описується виразом: y=a(x±b)2+c (1) де а, в і с - параметри, які задають форму кожного з кілець після травлення. Одержання оптимального варіанта профілю травлення, що розглядається, дозволяє отримати максимальну пробивну напругу р-i-n діода. При цьому необхідно забезпечити захист поверхні таким чином, щоб характеристика діодів не змінювалась в процесі тривалої експлуатації. Це досягнуто стабілізацією бічної поверхні р-i-n діода нанесенням на неї тонкого шару діелектричного покриття (до 1мкм) методом вакуумного напилення та кремнійорганічного покриття або легкоплавкого скла, товщиною 10-70мкм. Можливості здійснення корисної моделі, що заявляється, пояснюється на Фіг.1., на якій зображено безкорпусний кремнієвий НВЧ р-i-n діод у розрізі. Безкорпусний кремнієвий НВЧ р-i-n діод має вигляд чіпа з витравленими кільцями трьохступеневої сфери з загальною глибиною не менше 1/4 товщини бази (1) діода Високолеговані р+- та n+- шари (2, 3 відповідно) мають однакові омічні контакти (4). До верхнього омічного контакту методом мікрозварювання приєднано позолочений смужковий вивід (6). Витравлені кільця трьохступеневої сфери та весь чіп зверху мають захисний шар (5) напиленого діелектрику типу AlN чи SiO2+Si3N4 товщиною до 1мкм та захисне покриття (7) кремнійорганічного діелектрика типу полііміду або легкоплавкого скла, товщиною 1070мкм. Кремнієвий кристал з бічною поверхнею у формі трьохступеневої сфери отримано методом багаторазового травлення кільця зі сторони р-n переходу. р+- та n+- шари отримано методом одночасної двохсторонньої дифузії фосфору в високоомний (r³500Ом×см) кремній на глибину 34мкм з подальшим тривалим гетеризуючим відпалом при температурі 800°С. Товщина бази діода складає 100-200мкм. Р-i-n діод працює наступним чином. Робота перемикаючого діода основана на зміні імпедансу р-i-n структури під впливом зовнішньої керуючої 5 напруги. В перемикачах, фазообертачах діод використовують в двох робочих станах: перший відповідає визначеному прямому зміщенню з мінімальним опором, другій - зворотному або нульовому зміщенню з більшим опором. Запропонована конструкція р-i-n діода дозволяє, за рахунок усунення поверхневого пробою, збільшити електричну міцність р-i-n діода і збільшити його пробивну напругу та потужність, що розсіюється. Як показали експериментальні дослідження, запропонована конструкція безкорпусного кремнієвого НВЧ р-i-n діода забезпечує пробивну напругу до 2000В при товщинах базового шару до 200мкм, що дозволяє суттєво збільшити потужність, яка комутується. Таким чином, заявлене технічне рішення «Безкорпусний кремнієвий надвисокочастотний pi-n-діод» є новим, має винахідницький рівень, є промислово придатним і забезпечує досягнення поставленої мети - підвищення пробивної напруги, збільшення потужності розсіювання тепла діодом та підвищення рівня потужності, що комутується. 30533 6