ПРИМЕНЕНИЕ ТВЕРДОФАЗНОГО ПРЯМОГО СРАЩИВАНИЯ
После всего сказанного, очевидно, что метод твердофазного прямого сращивания открыл принципиально новые возможности конструирования и изготовления полупроводниковых структур на кремнии, далеко выходящие за рамки технологии изготовления приборов с диэлектрической изоляцией элементов.
Наиболее широко ТПС используется для изготовления кремниевых приборов на изолирующей подложке (SOI технология). В этом случае реализуются самые разнообразные варианты формирования интерфейсов: от соединения окисленной и неокисленной кремниевой пластин с дальнейшим формированием на последней прибора с нужной топологией до использования в качестве второй подложки кремниевой пластины, на поверхности которой уже сформированы необходимые полупроводниковые слои или переходы, например, транзисторные меза-структуры с р-п переходами перпендикулярными или
параллельными интерфейсу (рис.10). При этом во всех случаях электрофизические параметры сформированных приборов соответствуют ростовому монокристаллическому кремнию.
В настоящее время на основе технологии прямого сращивания кремния в ряде стран уже освоен промышленный выпуск структур SOI для изготовления сверхбольших интегральных схем и МОП-приборов.
Применение технологии прямого сращивания для создания р-п переходов в биполярных силовых приборах основано на сращивании неокисленных пластин кремния с разным типом проводимости. В этом случае процесс сращивания может быть успешно использован вместо глубокой диффузии или эпитаксиального наращивания толстых слоев.
|
На рис.11 приведен технологический цикл изготовления методом прямого сращивания тиристора с захороненными р+ областями. В традиционной технологии р+ области формируют с помощью эпитаксиального слоя. Как следует из данных таблицы 1, электрофизические параметры тиристоров, полученных с применением технологии твердофазного прямого сращивания предварительно сформированных на различных кремниевых пластинах n-слоев и р+ областей, не уступают аналогичным параметрам традиционных тиристоров. Замена слоя эпитаксиального кремния на монокристаллический кремний позволило значительно повысить пробивное напряжение на затворе.
Таблица 1.
| Электрофизические параметры | |
| Прямое блокирующее напряжение, В | 1000¸1200 |
| Напряжение пробоя на управляющем электроде, В | 25-45 |
| Падение напряжения во включенном состоянии при токе = 5 А, В | <0.5 |
| Максимальная амплитуда тока, А | |
| Время включения, мкс | 0.2¸0.5 |
| Время выключения, мкс | 1.2¸3 |
В ФТИ РАН был разработан метод использования твердофазного прямого сращивания кремния для формирования структур солнечных элементов с вертикальными p-n переходами. На рис.12 изображена структура кремниевых
|
солнечных элементов с вертикальными p-n переходами, состоящая из 2-х последовательно соединенных p-n переходов.
Эта структура получена методом твердофазного прямого сращивания двух монокристаллических кремниевых подложек, на которых предварительно с помощью диффузии сформированы n+ и p+ слои.
Солнечные элементы с вертикальными p-n переходами требуют хорошей пассивации фронтальной и тыльной поверхностей. Поскольку долгое время решение задачи пассивации поверхности наталкивалось на неразрешимые трудности, кпд кремниевых солнечных элементов с вертикальными p-n переходами не превышал 8% и планарная конструкция стала основной. Вместе с тем, кремниевые солнечные элементы с вертикальными p-n переходами имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с планарной конструкцией:
1) 
отсутствуют взаимно противоречивые требования к слоевому сопротивлению эмиттера, спектральной чувствительности, площади контактной сетки и т.д.
|
2) поскольку на фронтальной и тыльной поверхности таких солнечных элементов нет металлизации, они прозрачны в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения. Поэтому их равновесная рабочая температура должна быть ниже, чем у планарного аналога.
3) Они являются двусторонними и могут служить составной частью каскадных солнечных элементов.
4) солнечные элементы с вертикальными p-n переходами генерируют, в отличие от планарных, высокое напряжение (за счет последовательного соединения элементов) и малый ток при той же мощности. Это приводит к повышению эффективности батареи, собранной из таких элементов, за счет снижения потерь, возникающих при создании сильноточных элементов.
На рис.13 приведена нагрузочная и спектральная характеристики солнечного элемента с вертикальными p-n переходами. КПД такого элемента составляет 12-14%.
Солнечные элементы с вертикальными p-n переходами, полученные без использования фотолитографии и текстурирования поверхности, позволяют получить спектральные характеристики, не зависящие от длины волны в широком спектральном диапазоне.
 |
На рис.14 представлены прямые ВАХ силовых высоковольтных диодов, полученных методом прямого сращивания. Диоды изготавливались путем сращивания промышленных полированных пластин n-кремния с rN=200 Ом×см и р-кремния c rP=0.005 Ом×см. Затем с помощью диффузии создавались приконтактные p+ и n+ слои (см. рис.15). Для сравнения на рис. 14 приведены ВАХ диодов, полученных диффузионным способом. Полная идентичность ВАХ свидетельствует об отсутствии потенциального барьера на p-n переходе.
| ||
|
При изготовлении силовых приборов преимущества нового метода заключаются в быстроте и небольших затратах энергии при формировании глубоких р-п переходов, а также высоком кристаллическом совершенстве слоев, формирующих p-n переходы, и свободе выбора их толщины и степени легирования. ТПС открывает также возможности формирования резких переходов; возможности создания тонкобазовых многослойных структур на подложках, обеспечивающих их механическую прочность. Следует подчеркнуть, однако, что пока размеры pn-, npn-, и npnp-чипов обычно невелики. Наилучшие результаты известны для p-n-переходов площадью ~ 1см2. Они имеют
коэффициент идеальности вольтамперной характеристики 1,2-2,0 в диапазоне плотностей тока 5∙10-7 – 5∙10-1 А/см2, что не хуже, чем для известных диффузионных аналогов.