7. TEHNOLOGIA DIODELOR SEMICONDUCTOARE

Transcript

1 7. TEHNOLOGIA DIODELOR SEMICONDUCTOARE Diodele semiconductoare au la bază o joncţiune p-n prevăzută cu contacte metalice ataşate la cele două zone. Acest ansamblu este introdus într-o capsulă din sticlă, material plastic sau metal cu rol de protecţie şi de transfer al căldurii degajate în funcţionare. Clasificarea diodelor semiconductoare se poate face după tehnologia de fabricaţie şi după domeniul de utilizare. O clasificare a tehnologiilor de realizare a diodelor semiconductoare se indică în figura 7.1. Tehnologia diodelor Diode cu contact punctiform Tehnica alierii Difuzia /Implantare ionică Epitaxie Diode Schottky Tehnologia planară Tehnologia mesa Separare selectivă Fig. 7.1 Clasificare a tehnologiilor de realizare a diodelor În funcţie de domeniul de utilizare se întâlnesc multe variante constructive, dar o clasificare a acestora se poate face în funcţie de putere (curentul nominal) şi frecvenţa maximă de lucru. În cele ce urmează se vor prezenta unele particularităţi constructive ale diodelor detectoare şi redresoare Diodele cu contact punctiform Diodele cu contact punctiform au la bază o joncţiune p-n care se formează între un cristal de Ge de tip n şi un vârf metalic (de exemplu: wolfram sau bronz) aflat în contact cu acest cristal de material semiconductor. Pentru îmbunătăţirea caracteristicilor joncţiunii, aceste diode se supun unui proces de formare prin aplicarea unor impulsuri de curent. Impulsurile de curent de amplitudine mare (cu valori mai mari decât curentul nominal) produc încălzirea structurii din jurul vârfului metalic. În această zonă, prin difuzia atomilor din metal în cristalul semiconductor, are loc formarea unei zone de Fig. 7.2 Construcţia unei diode cu contact punctiform tip p (fig. 7.2). Vârful metalic corespunde contactului anodului diodei, iar materialul semiconductor (n-ge) formează catodul.

2 88 Tehnologia diodelor semiconductoare Această joncţiune se caracterizează printr-o suprafaţă mult mai mică comparativ cu alte tipuri de joncţiuni. Capacitatea echivalentă a joncţiunii este foarte redusă şi ca urmare aceste diode pot fi folosite la frecvenţe foarte mari (sute MHz) în circuitele de comutaţie sau în cele de detecţie Diode aliate Diodele aliate denumite astfel după tehnologia alierii, procedeu de impurificare controlată folosit în special la dispozitivele semiconductoare cu germaniu, pe baza căreia se realizează joncţiunile acestor diode. Joncţiunile realizate prin aliere sunt abrupte, deoarece concentraţia realizată corespunde "solubilităţii maxime" a impurităţilor în materialul semiconductor. Zonele neutre ale joncţiunilor au rezistenţă redusă, ataşarea contactelor metalice se face cu uşurinţă. Datorită productivităţii mici şi a performanţelor modeste ale dispozitivelor realizate prin aliere, în prezent acest procedeu are o utilizare limitată. O modalitate de realizare a unei joncţiuni p-n de germaniu, prin tehnologia alierii, cu indicarea principalelor operaţii se poate urmări în figura 7.3. Se folosesc cipuri din germaniu de tip n pe care se poziţionează materialul de impurificare (mici sfere de Indiu) de tip p (fig Poziţionarea materialului de impurificare pe suprafaţa cipului se realizează prin intermediul unei casete din grafit. Prin încălzirea ansamblului în jurul temperaturii de topire a indiului (T t = 157 ο C) se produce o dizolvare parţială a indiului în cristalul de germaniu, realizând zona de tip p a joncţiunii (fig Regiunea din vecinătatea joncţiunii se conturează (fig pentru a îmbunătăţii caracteristica de blocare, respectiv creşterea tensiunii inverse maxime. Montajul diodei se realizează prin lipirea cristalului semiconductor pe grila (ambaz capsulei (fig Ataşarea contactului la zona p a joncţiunii se realizează prin topirea superficială a stratului de indiu (157 ο C) (fig. 7.3.e). e) Fig. 7.3 Principalele operaţii de realizare a unei diode prin tehnologia alierii Pentru creşterea tensiunii de străpungere, la periferia joncţiunii se realizează o conturare sub un anumit unghi, aşa cum se arată în figurile 7.3.c şi 7.6.c. Conturarea

3 Tehnologia diodelor semiconductoare 89 se face în direcţia stratului mai puţin dopat pentru a se produce o lărgire a regiunii de sarcină spaţială. În acest fel intensitatea câmpului electric la suprafaţă, câmp creat de sarcinile electrice din zona joncţiunii, se reduce şi prin acesta creşte tensiunea de străpungere Diode difuzate Diodele difuzate cu siliciu se obţin în urma unui proces de difuzie de impurităţi acceptoare (tip p) într-un substrat de tip n sau printr-o difuzie de impurităţi donoare (tip n) pe un substrat de tip p. Procesul de fabricaţie are loc în cadrul tehnologiei planare, tehnologie specifică siliciului, în care succesiunea de operaţii se realizează pe aceiaşi faţă a plachetei semiconductoare folosind tehnica fotolitografică. Etapele principale care permit fabricarea unei diode într-un substrat de siliciu de tip n se pot urmări în figura 7.4. În prima fază, după curăţirea substratului placheta de siliciu este supusă unui proces de oxidare umedă, obţinându-se un strat de SiO 2 pe toată suprafaţa plachetei (fig Fig.7.4. Principalele operaţii ale tehnologiei diodelor difuzate (tehnologia planară)

4 90 Tehnologia diodelor semiconductoare În continuare, prin procesul fotolitografic 1 se deschide fereastra de difuzie. Acest proces constă din următoarele faze: - expunerea (fig. 7.4.; - developarea fotorezistului (fig. 7.4.; - corodarea (deschiderea ferestrei de difuzie) (fig Prin procesul fotolitografic 2 se urmăreşte realizarea contactului anodului prin parcurgerea, în principal, a următoarelor faze: - reoxidarea (fig. 7.4.f); - deschiderea ferestrei de metalizare (fig. 7.4.g); - metalizarea neselectivă cu aluminiu (fig. 7.4.h). - recoacere forming-gaz; - depunere de sticlă de bor - acoperire de pasivizare; - fotolitografie pentru realizarea deschiderilor pentru contacte prin stratul de pasivizare. Următoarele operaţii ale tehnologiei diodelor difuzate vizează obţinerea contactelor metalice ale zonei p (ano şi a zonei n (cato: - corodarea stratului de aluminiu (fig. 7.4.i); - metalizarea părţii inferioare a substratului (contact eutectic cu aur); - ataşarea contactului anodului (fig. 7.4.k). Ansamblul astfel obţinut se introduce într-o capsula specifică tipului de diodă. Prin tehnologia difuziei se pot realiza joncţiuni cu suprafeţe suficient de mari care să permită utilizarea lor în construcţia diodelor de putere. Pentru aceasta este necesar ca doparea materialului de bază (al substratului) N B să fie în funcţie de valoarea tensiunii inverse maxime U b (capabilitatea în tensiune), aşa cum se indică în diagrama din figura 7.5, [11]. Pentru realizarea diodelor de tensiune mare este necesară o dopare cu o concentraţie de impurităţi N B de valoare redusă. În aceeaşi diagramă (fig. 7.5) se indicată extinderea zonei de sarcină spaţială în funcţie de gradul de dopare l m (N B ) şi dependenţa valorii maxime a câmpului electric intern în funcţie de dopare E m (N B ). Astfel, pentru o dopare prin difuzie Fig. 7.5 Dependenţa valorii maxime a cu concentraţia N B =10 15 atomi/cm 3 rezultă câmpului electric E m, a lăţimii barierei de o tensiune de blocare (inversă) U b 500 V. sarcină l m şi a tensiunii inverse maxime U b Tehnologia difuziei prezintă de gradul de dopare N B dezavantajul unei capabilităţi relativ mici în tensiune. Dacă doparea este mică, pentru o tensiunii U b de valoare mare, rezultă o rezistenţă serie a materialului

5 Tehnologia diodelor semiconductoare 91 semiconductor relativ mare, care produce o cădere importantă de tensiune la conducţia directă. Din această cauză diodele difuzate se folosesc în domeniul curenţilor de valori mici şi medii. Caracteristici electrice mai bune în domeniul tensiunilor şi a curenţilor mari se obţin la diodele planar epitaxiale (fig. 7.6 şi 7.7) Diode planar epitaxiale Diode planar epitaxiale constau dintr-o joncţiune realizată între un substrat de siliciu de tip n sau p şi un strat epitaxial depus cu impurificarea diferită faţă de substrat. Principalele etape ale tehnologiei acestor diode, în cazul a două variante constructive sunt prezentate în figura 7.6 (tehnologia tip mes şi în figura 7.7 (epitaxia selectivă). Operaţiile procesului tehnologic din figura 7.6 cuprind, în prima fază, depunerea pe placheta de siliciu a unui strat epitaxial slab dopat (fig Printr-un proces fotolitografic se defineşte geometria structurii (fig Apoi se gravează suprafaţa pentru delimitarea suprafeţei zonei de tranziţie a structurii p-n (fig După înlăturarea fotorezistului (fig se realizează metalizarea zonelor de contact (fig. 7.6.e). Cipurile joncţiunilor astfel realizate se separă între ele prin decuparea plachetei. Substratul metalizat al plachetei se fixează pe grila capsulei (lipire, sudare) şi se realizează legăturile electrice la terminalele capsulei. e) Fig. 7.6 Etapele tehnologice ale producerii unei diode prin epitaxie (tehnica mes e) Fig. 7.7 Etapele tehnologice ale producerii unei diode prin epitaxie selectivă

6 92 Tehnologia diodelor semiconductoare Etapele tehnologice ale producerii unei diode prin epitaxie, aşa cum sunt ilustrate în figura 7.6 cuprind: - depunerea pe placheta de siliciu a unui strat epitaxial slab dopat (fig. 7.6.; - proces fotolitografic prin care se defineşte geometria structurii (fig. 7.6.; - corodarea chimică a suprafeţei pentru delimitarea suprafeţei zonei de tranziţie a structurii p-n (fig. 7.6.; - înlăturarea fotorezistului (fig. 7.6.; - metalizarea zonelor de contact (fig. 7.6.e). Procesul tehnologic prezentat în figura 7.7 cuprinde etape ale epitaxiei selective: - proces fotolitografic care stabileşte "fereastra" zonei epitaxiale (fig. 7.7.; - corodare (fig depunerea stratului epitaxial (fig. 7.7.; - corodarea stratului de SiO 2 (fig metalizarea neselectivă şi apoi gravarea zonelor de contact (fig. 7.7.e). Ansamblul astfel obţinut se fixează pe grila capsulei şi se realizează legăturile electrice la terminalele capsulei Diode Schottky Diode Schottky sunt formate din joncţiuni metal-semiconductor la care la transportul curentului participă numai purtătorii majoritari. Conducţia curentului nu se bazează pe un exces de sarcină electrică, aceasta fiind rezultatul unei emisii termoelectrice de electroni din metal spre semiconductor şi invers. Când joncţiunii metal - semiconductor i se aplică o tensiune, curentul de electroni dintr-o direcţie domină curentul de electroni de sens opus. Caracteristic pentru diodele Schotky este faptul că stratul de baraj se găseşte în zona mai puţin dopată, adică în stratul epitaxial al materialului semiconductor. Deoarece în metal sarcina negativă a stratului dublu electric ocupă o grosime foarte mică (grosimea unui strat monoatomi, datorită concentraţiei mari de electroni din metal, căderea de tensiune este mai mică decât la joncţiunile semiconductoare (U d = 0,2 0,3 V). Dioda Schottky (fig se obţine prin depunerea unei pelicule metalice (anodul diodei) pe un stratul epitaxial de tip n (n-epi) depus pe un substrat puternic impurificat (n+ - catodul diodei). La selecţia metalului se ia în considerare o serie de criterii cum ar fi: lucru mecanic de extracţie al electronilor, gradul de aderenţă, rezistenţa la coroziune. Varianta planară (fig se caracterizează prin valori mici ale tensiunii inverse (volţi zeci de volţi) datorită lăţimii mici a zonei de sarcină spaţială. Pentru ca cerinţele electrice şi tehnologice să fie optimale se depun mai multe straturi din metale diferite. În mod frecvent se foloseşte combinaţia Cr/Au. În figura 7.8.b, c, d sunt prezentate variante constructive de diode Schottky. La varianta constructivă din figura 7.8.b se practică o conturare inversă (structură mesa inversă), în regiunea mai slab dopată pentru a face să crească lăţimea zonei de sarcină spaţială. Se obţine astfel o reducere a intensităţii câmpului electric la periferia structurii şi prin aceasta o creştere a tensiunii inverse. La varianta constructivă din figura 7.8.c se

7 Tehnologia diodelor semiconductoare 93 folosesc două pelicule metalice (Me 1 şi Me 2). Metalul Me 1 se alege cu lucru termodinamic de ieşire mare pentru a produce o creştere a stratului de sarcină spaţială. Prin creşterea lăţimii stratului de sarcină spaţială (de baraj) se reduce valoarea câmpului electric intern şi prin aceasta creşte valoarea tensiunii inverse maxime. Metalul Me 2, aflat în contact cu stratului epitaxial se alege cu lucru termodinamic de ieşire redus pentru a contribui la procesele de conducţie (cădere de tensiune redusă). Fig. 7.8 Variante constructive de diode Schottky Varianta planară Tehnologia mesa inversă Dioda Schottky cu metalizare dublă Dioda Schottky cu inel de protecţie Un efect de lăţire a zonei de sarcină spaţială se obţine şi la varianta din figura 7.8.d prin utilizarea unui inel. Linia punctată indică curbarea zonei de sarcină spaţială în stratul epitaxial. Substratul folosit la realizarea diodelor Schottky este puternic dopat. Grosimea şi gradul de dopare al stratului epitaxial determină valorile tensiunii inverse şi ale densităţii de curent maxim admise. Materialul substratului folosit la realizarea diodelor Schottky este de obicei GaAs, având în vedere valoarea ridicată a mobilităţii (Tabelul 2.3) Întrebări recapitulative 1. Cum se clasifică diodele în funcţie de tehnologia de fabricaţie? 2. Cum se realizează joncţiunea unei diode cu contact punctiform? 3. Cum se realizează diodele aliate? 4. Care sunt etapele de realizare a diodelor difuzate? 5. Care este tensiunea inversă a joncţiunii difuzate cu dopajul N B =10 16 atomi/cm 3? 6. Care sunt principalele etape de realizare a diodelor epitaxiale? 7. Care este structura unei diode Schottky şi prin ce se caracterizează?