Рис. 1.8. Сравнение распределения примесей в структурах с мелко и глубоко залегающими переходами (nd - na - суммарная концентрация примесей; х - расстояние от поверхности кристалла)

Рис. 1.9. Пробивное напряжение в зависимости от концентрации примесей в исходном кремнии и от радиуса кривизны переходов:

цилиндрического

плоского перехода; ------ для

перехода; --

для сферического перехода

На рис. 1.9 приведены данные о влиянии радиуса кривизны цилиндрических и сферических переходов на пробивное напряжение в кремнии [14]. При планарных р-п переходах их граница определяется формой диффузионного фронта для примесей, легирующих кремний через окно в маскирующем слое двуокиси кремния.

Рис. 1.10. Кремниевый планарный транзистор с охранным кольцом: 1 - охранное кольцо; 2 - базовый контакт; 3 - эмиттер; 4 - активная база; 5 - эмиттерный контакт; 6 - окисел; 7 - коллектор; 8 - коллекторный контакт

Если окно имеет прямоугольную форму, то вдоль сторон прямоугольника диффузионный фронт имеет в первом приближении очертания цилиндра с радиусом, равным глубине перехода, а в углах фронт приближенно совпадает со сферой того же радиуса. Так как в сферических переходах пробивное напряжение падает особенно сильно, базовым областям в структурах мощных ВЧ транзисторов придается не прямоугольная форма, а форма со скругленными углами так, чтобы вдоль всегв периметра этих областей граница перехода приближенно могла бы считаться цилиндрической (об этом уже упоминалось ранее). Для эмиттерного перехода эта мера не является обязательной: из рис. 1.9 видно, что для концентраций примесей 1018 ат/см3 кривизна переходов даже при радиусе 0,1 мкм слабо влияет на пробивное напряжение.

Устранение в коллекторном переходе участков границ, имеющих форму, близкую к сферической путем скругления углов, является недостаточным. При той глубине коллекторного перехода, которая необходима для уверенного получения требуемой толщины активного базового слоя, т. е. при Хк = 2,5 - 3,5 мкм, снижение

пробивного напряжения на краях перехода, имеющих Цилиндрическую форму, будет слишком большим. Поэтому следует увеличивать глубину залегания коллектора. Чтобы разрешить это противоречие, было предложено несколько решений. Остановимся на двух из них.

Во-первых, было предложено создавать по периферии базовой области участок р-„ перехода с более глубоким залеганием границы (см. рис. 1.10). Этот участок получил название охранного кольца. Если под эмиттер-ным переходом коллектор залегает на глубине около 3 мкм, а глубина кольца составляет 10 мкм, то для кремния типа „ с исходной концентрацией примесей 2 1015 ат/см3 пробивное напряжение планарного перехода может быть увеличено от 100 до 150 В (плоский переход для этого материала будет иметь пробивное напряжение около 200 В). Такое решение не всегда целесообразно, так как иногда есть причины, препятствующие использованию более глубоко залегающих переходов.

Во-вторых, была предложена структура, позволяющая получать глубокие планарные переходы с очень высоким (до 3200 В) пробивным напряжением [15]. Важно было преодолеть основное ограничение планар-ных высоковольтных переходов - снижение пробивного напряжения вблизи от поверхности из-за локального изменения концентрации носителей, связанного с загрязнениями (на поверхности кремния или в защитном окисле). Суть этого предложения заключалась в создании вокруг основного планарного перехода на небольшом расстоянии от него одного или нескольких кольцевых переходов. При подаче напряжения на основной переход область пространственного заряда у поверхности расширяется до тех пор, пока она не дойдет до первого кольца. С этого момента поле на поверхности ; в зазоре между основным переходом и кольцом перестает расти, а начинает расширяться пространственный заряд с внешней стороны первого кольца. Расширение идет, пока пространственный заряд не достигнет второ- ; го кольца, и т. д. Если зазоры между кольцами подоб- : раны так, чтобы поле на поверхности оставалось безус- j ловно меньше критического, то при достаточном числе колец можно добиться того, что пробой начнется не на поверхности, т. е. что пробивное напряжение планарного перехода будет увеличено до объемного пробивного напряжения плоского перехода (рис. 1.11).

Подобные структуры могут быть использованы и для устранения эффекта снижения пробивного напряжения в расположенных неглубоко планарных переходах [16]. Таким образом, делительные кольца могут быть использованы при создании сравнительно низковольтных мощных ВЧ транзисторов для того, чтобы залегающие мелко планарные коллекторные переходы могли иметь напряжение пробоя, близкое к пробивному напряжению плоского перехода.

Рис. 1.11. Структура планарного перехода с делительными кольцами:

1 - диффузионная область типа р; 2 - делительные кольца (получены диффузией примесей типа р); 3 - область пространственного заряда; 4 - исходный материал типа я

Рассмотрим вопросы, связанные с выбором формы и размеров коллекторной области. Этот выбор приходится делать так, чтобы удовлетворить целому ряду противоречивых требований. Во-первых, удельное сопротивление коллектора (по крайней мере, области, прилегающей к переходу коллектор - база) выбирается так, чтобы пробивное напряжение перехода (точнее, его плоской части) было равно заданному значению. Выби« рать более высокое удельное сопротивление нельзя, по-тому что это приведет к нежелательному росту сопротивления насыщения прибора. (На практике некоторый запас по удельному сопротивлению исходного материала должен быть, так как имеющиеся в нем дефекты могут снижать пробивное напряжение.) Если удельное сопротивление выбрано, то можно определить необходимую толщину коллектора. Чтобы не уменьшилось пробивное напряжение, толщина коллектора не должна быть меньше, чем ширина пространственного заряда при напряжении, равном расчетному значению пробивного напряжения. В то же время эта толщина не должна быть больше указанного значения, чтобы не увеличилось сопротивление насыщения прибора.

Даже при некотором запасе по толщине (при колебании ширины области пространственного заряда из-за возможной неоднородности или разброса удельного сопротивления) толщина коллектора будет достаточно малой. Для удельных сопротивлений 1 - 5 Ом-см оптимальная толщина коллектора будет составлять 10 - 20 мкм.

Пластины кремния толщиной 20 мкм не обладают механической прочностью. Кроме того, столь тонкие пластины практически нельзя подвергать термообработкам, которые неизбежны при изготовлении планарных транзисторов. Уверенно, не опасаясь коробления или поломки, можно обрабатывать пластины, толщина которых составляет 150 мкм при диаметре 40 мм, 300 мкм при диаметре 60 мм и 450 мкм при диаметре 76 мм. Но даже при толщине 150 мкм сопротивление насыщения транзисторной структуры будет иметь недопустимо большое значение. Выходом из создавшегося положения является использование структур со встречной диффу-

зией или эпитаксиальных структур.

В структуре со встречной диффузией исходную пластину кремния типа п толщиной в несколько сотен микрометров с обеих сторон легируют с помощью диффузии фосфора на глубину 130 - 180 мкм. Затем с одной стороны механически (путем шлифовки и последующей полировки) удаляют легированный слой и часть высо-коомного слоя так, чтобы оставшийся высокоомный слой имел заданную толщину. Затем в этом высокоом-ном слое создают планарную транзисторную структуру. Достоинство структур со встречной диффузией в том, что они позволяют увеличить толщину исходных пластин кремния и обеспечить требуемую механическую прочность, сохранив приемлемое значение сопротивления насыщения. Недостаток их связан с тем, что естественный разброс при механических обработках и диффузионном легировании не позволяет точно обеспечить требуемую толщину высокоомного слоя. Поэтому вместо толщины 20 мкм ее приходится делать равной, например, 30±10 мкм. В результате или сопротивление на- сыщения будет слишком большим, или пробивное напряжение слишком низким.

От этого недостатка свободны эпитаксиальные структуры, представляющие собой тонкие высокоомные слои кремния, выращенные с помощью специальных процессов на низкоомных монокристаллических подложках так, что кристаллическая структура высокоомного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Технология выращивания эпитаксиальных (т. е. сохраняющих структуру подложки) слоев позволяет с высокой точностью (до ±10%) зада-вать их толщину и с приемлемой точностью (±15 - 20%) обеспечивать их заданное удельное сопротивление. Недостаток эпитаксиального выращивания заключается в том, что в процессе роста на границе подложка - высокоомный слой и в самом слое могут возникать структурные дефекты, ухудшающие параметры приборов или приводящие к полной непригодности структур. Тем не менее с этим недостатком приходится мириться и идти на определенное, иногда значительное снижение выхода годных, так как без использования эпитаксиальных структур параметры изготавливаемых транзисторов были бы намного хуже.

Ранее отмечалось, что для улучшения ВЧ характеристик площадь перехода коллектор - база следует уменьшать, а для обеспечения требуемых тепловых параметров ее следует увеличивать. Чтобы разрешить эта противоречие, были созданы кремниевые мощные многоструктурные транзисторы, представляющие собой по существу набор отдельных миниатюрных соединенных параллельно планарных транзисторов, изготовленных на общем кристалле. Если представить себе, что много-эмиттерный транзистор разделен на несколько частей» в каждой из которых сохранены имевшиеся на ней эмиттерные элементы, и что все эти части раздвинуты на сравнительно большое расстояние, то мы получим транзистор с несколькими структурами, в котором суммарная площадь коллекторных переходов и отношение периметра эмиттера к этой площади не будут сильно отличаться от исходного многоэмиттерного транзистора. Тепловое сопротивление в многоструктурном транзисторе может быть сделано намного ниже, чем в многоэмит-терном с тем же числом эмиттеров, расположенных не в нескольких, а в одной базовой области. Выигрыш в тепловом сопротивлении, получаемый при переходе от одноструктурного к многоструктурному транзистору, создается в основном за счет той части rt, которая относится собственно к кремниевому кристаллу.

Рис. 1.12. Тепловой поток в многоэмиттерном (а) и многоструктурном (б) транзисторах

Некоторый выигрыш будет иметь место и в самом корпусе за счет того, что из кристалла в корпус придет тепловой поток большего сечения, но этот выигрыш будет составлять сравнительно небольшую долю от того, что можно выиграть по rt в кристалле. Расчеты показывают, что за счет создания на кристалле вместо одной структуры ряда раздвинутых мелких структур разность температур между коллекторным переходом и нижней поверхностью кристалла может быть уменьшена в несколько раз. На рис. 1.12 можно увидеть качественно, как уменьшается тепловое сопротивление кристалла при переходе к многоструктурным транзисторам. В конструкциях наиболее современных мощных ВЧ транзисторов уменьшение rt, связанное с переходом к большому числу структур, не всегда оказывается достаточным. Тогда в качестве дополнительной меры