СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ p-i-n СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ GaAs-GaAlAs МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОЙ ЭПИТАКСИИ
METHOD FOR MANUFACTURE OF p-i-n SEMICONDUCTOR STRUCTURE BASED ON GaAs-GaAlAs COMPOUNDS BY WAY OF LIQUID EPITAXY METHOD

3
5
Изобретение относится к области силовой микроэлектронной техники, а более конкретно, к способам изготовления полупроводниковых p-i-n структур из соединений AB методами жидкостной эпитаксии.
Основным материалом силовой полупроводниковой электроники до сих пор остается кремний. Но в последнее время ведущие мировые фирмы-производители кремниевых приборов начали чаще использовать при изготовлении силовых полупроводниковых приборов полупроводниковые соединения, поскольку кремний, как полупроводниковый материал, уже не вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к приборам, работающим на высоких частотах и в экстремальных условиях, включая высокую скорость переключения, низкое падение прямого напряжения, возможность работы при высоких температурах, а также радиационную стойкость. Поэтому появился закономерный интерес к более широкозонным материалам, которые во многом позволяют решать указанные задачи, и, в первую очередь, к GaAs и к системе GaAs-GaAlAs.
Для приборов силовой техники желательно использовать p-i-n структуры, имеющие протяженные слои с низкой концентрацией примеси и высокой подвижностью носителей, что обеспечивает высокие значения обратного пробивного напряжения, низкое прямое падение напряжения и малую емкость. В системе GaAs-GaAlAs для получения таких p-i-n структур подходят методы жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и газофазной эпитаксии (ГФЭ). Метод ГФЭ дает недостаточно воспроизводимые результаты (особенно по толщинам слоев). В то же время метод ЖФЭ привлекает крайне низкой себестоимостью технологического процесса, простотой оборудования и возможностью выращивания многослойных композиций, а также открывает широкие возможности для управления свойствами структуры за счет подбора легирующих компонентов и параметров технологического процесса.
Одним из ключевых параметров для многих типов полупроводниковых приборов, особенно для приборов мощной импульсной и высокочастотной техники является время жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в базовых слоях прибора. Для повышения быстродействия необходимо уменьшать время жизни без потери рабочих напряжений (напряжения переключения в тиристорах и обратных рабочих напряжений в диодах) и заметного роста прямых падений. Для этих целей в слаболегированных частях приборной структуры создают эффективные рекомбинационные центры.
0
0
Так, был предложен (RU, патент №2297690) способ изготовления полупроводниковой гетероструктуры методом жидкофазной эпитаксии, включающий выращивание эпитаксиального слоя заданной толщины h, рассогласованного по параметру решетки с материалом подложки. По этому способу выращивают гетероэпитаксиальную структуру, в которой толщина h и параметр решетки слоя соотносятся таким образом, что превышаются критические величины напряжений из-за несоответствия постоянных решетки слоя и подложки, на которой производится рост, приводящие к началу пластической деформации данного упруго деформированного слоя. При этом напряжения в структуре не достигают величин критических скалывающих напряжений, приводящих к интенсивной пластической деформации и, соответственно, к неэпитаксиальному, немонокристаллическому росту или механическому разрушению этого слоя. Структуры, полученные по этому способу, имели высокие параметры быстродействия - время выключения диода (reverse recovery time) составило 5-10 нс. Однако одновременно с улучшением быстродействия наблюдались относительно низкие значения обратного пробивного напряжения (250-450 В) и высокое прямое падение напряжения 2.5 В при токе 0.5 А. Т.е. по этому способу не удается достичь максимально эффективной совокупности характеристик, требуемой для силовых приборов.
60
Известен (В.Г.Данильченко, В.И.Корольков, Ю.Н.Лузин, И.Пономарев, А.В.Рожков, Г.И.Цвилев. - Использование облучения - квантами для регулирования быстродействия высоковольтных арсенид-галлиевых приборов. - Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1981, вып. 5 (88), стр. 30-32) способ регулирования быстродействия GaAs приборов с использованием облучения гамма-квантами. В известном способе в результате облучения гамма-квантами Co возникают радиационные дефекты, уменьшающие времена жизни ННЗ, что позволило снизить времена восстановления высоковольтных GaAs диодов с 200-250 не до значений 40-50 нс, которые, однако, не являются удовлетворительной величиной в настоящее время. Кроме того, к недостаткам можно отнести существенное возрастание прямых падений напряжения с увеличением дозы облучения.
12
-3
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является (US, патент 5733815) способ получения высоковольтных p-i-n структур GaAs методом жидкофазной эпитаксии, включающий нагрев исходной шихты до образования насыщенного раствора-расплава ее компонентов, взаимодействие раствора-расплава с газовой смесью, включающий водород, пары воды и продукты реакций между водородом и парами воды с раствором-расплавом и с двуокисью кремния для формирования необходимого состава раствора-расплава, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs. Эпитаксиальный слой, полученный по этому способу из одного раствора-расплава, т.е. в одном технологическом цикле, сразу имеет готовую p-i-n структуру, включающую слаболегированные p. - и n. - области и протяженную высокоомную i-область с концентрацией носителей заряда менее чем 10 см. Формирование такой структуры производят в кварцевой кассете за счет контролируемого введения паров воды в ростовую камеру во время процесса. Наличие в реакторе паров воды вызывает совокупность обратимых химических реакций между водой, кварцем (диоксидом кремния) и компонентами раствора-расплава. В результате протекания этих реакций, в эпитаксиальный слой вводятся глубокие рекомбинационные центры, которые, с одной стороны, обеспечивают компенсацию мелких фоновых примесей с получением высокоомной i-области, а, с другой стороны, эффективно снижают время жизни ННЗ. Используя этот способ выращивания эпитаксиальной структуры, удается уменьшить эффективное время жизни ННЗ заряда для GaAs p-i-n диодных структур до 15-60 нс, что соответствует времени выключения диода 30-70 нс при обратных напряжениях 500-2000 В.
Данный известный способ позволяет получать высоковольтные быстродействующие GaAs p-i-n структуры и силовые диоды на их основе, существенно превосходящие по совокупности основных параметров лучшие кремниевые аналоги. Тем не менее рассмотренный способ обладает рядом принципиальных недостатков, особенно в условиях массового производства.
Во-первых, технологическое оформление известного способа рассчитано, главным образом, на лабораторное применение. Это обусловлено использованием низко производительной кварцевой кассеты сливного типа без возможности смены растворов-расплавов, что приводит к невозможности остановить процесс эпитаксии на требуемой толщине выращенного слоя. Рост проводится до низких температур (600-650°С), при этом формируется избыточный (балластный) слой. Как следствие, процесс эпитаксии удлиняется и, кроме того, возникает необходимость дорогостоящей дополнительной операции - химико-механического удаления этого избыточного слоя. Эта операция проводится, по сути, индивидуально для каждой структуры с высокой точностью обработки, что снижает воспроизводимость процесса в целом и плохо адаптируется к условиям массового производства. После мехобработки требуется еще один процесс эпитаксии для выращивания сильнолегированного контактного слоя, что еще удорожает технологию.
Во-вторых, использование паров в воды в газовой фазе и их химического взаимодействия с оснасткой (кварцевые кассета и реактор) для регулирования технологического процесса фактически приводит к зависимости основных параметров получаемой p-i-n структуры от конструкции оснастки, что, несомненно, вызовет проблемы при тиражировании технологии в условиях массового производства. Кроме того, наличие паров воды в рабочем пространстве реактора накладывает ограничения на использование наиболее универсальных и производительных графитовых устройств.
В-третьих, для известного способа существует зависимость условий технологического процесса и конечных параметров получаемой p-i-n структуры от уровня легирования исходной подложки GaAs. Для различных интервалов легирования подбираются свои параметры техпроцесса. Как известно, любой исходный слиток GaAs имеет осевой и радиальный разброс по концентрации носителей заряда. Как следствие, каждая подложка, изготовленная из такого слитка, в известной степени индивидуальна. В условиях массового производства разбраковка исходных подложек по группам является весьма сложной операцией.
В-четвертых, в известном способе существуют технологические пределы по уменьшению времени жизни ННЗ, связанные с термодинамическими ограничениями уровня концентрации кислородосодержащих компонентов, введенных в раствор-расплав из газовой фазы и оснастки. Также существует максимальный предел содержания паров воды в газовой фазе, и, связанный с ним минимальный уровень времени жизни ННЗ в p-i-n структуре, обусловленный началом процесса окисления подложек с последующим островковым ростом эпитаксиального слоя. В результате количества создаваемых дополнительных рекомбинационных центров с их свойствами (сечения захвата основных и неосновных носителей энергии активации) оказывается недостаточно для еще большего повышения быстродействия p-i-n структуры.
В-пятых, в известном способе между подложкой и i-областыо формируется достаточно протяженная слаболегированная p-область, которая служит препятствием для распространения дефектов из подложки в рабочую i-область. Но, одновременно, эта p-область из-за низкой концентрации носителей увеличивает последовательное сопротивление структуры и соответственно прямое падение напряжения. Значительно уменьшить толщину p-области нельзя, т.к. в этом случае дефекты из подложки могут прорасти до i-области, как и невозможно поднять уровень легирования p-области, т.к. в этом случае увеличится концентрация мелкой акцепторной примеси и в i-области. Это приведет к потере высокоомных свойств i-области и, как следствие, резкому снижению обратных пробивных напряжений.
-
-
+
Техническая задача, на решение которой направлено разработанное изобретение, состоит в разработке способа изготовления GaAs структуры для силовых p-i-n диодов методом жидкофазной эпитаксии, включающего выращивание в едином технологическом цикле в графитовом ростовом устройстве прокачного типа посредством принудительной замены растворов-расплавов многослойной полупроводниковой структуры GaAs или GaAs-GaAlAs, сформированной из трех последовательных слоев GaAs или GaAlAs на подложке GaAs р+-типа проводимости, причем последовательность эпитаксиальных слоев включает в себя буферный слой p-типа проводимости, рабочий р-i-n слой и контактный n-слой.
Техническим результатом, достигаемым при этом, является высокая воспроизводимость, простота и универсальность технологии, возможность изготовления по разработанному способу в промышленных объемах структур для силовой электроники, обладающих принципиально лучшей совокупностью технических параметров, таких как: высокое быстродействие, высокое обратное пробивное напряжение, низкое прямое падение напряжения, малая емкость.
Для достижения названного технического результата предложено использовать разработанный способ.
2
Согласно разработанному способу единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей p, i и n области в одном эпитаксиальном слое, проводят нагрев исходной шихты до образования насыщенного раствора-расплава ее компонентов, взаимодействие раствора-расплава с компонентами для получения заданного состава раствора-расплава, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, имеющего p-i-n структуру, удаление подложки, покрытой слоем GaAs, имеющего p-i-n структуру, из-под расплава, причем компонентные составы растворов-расплавов для выращивания GaAs p-i-n структуры формируют в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в заранее определенных количествах, как минимум, двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния SiO и оксид галлия (III) с последующим нагревом этой многокомпонентной шихты до температуры начала эпитаксии и выдержкой при этой температуре заранее установленное время.
В некоторых вариантах реализации способа весовые концентрации дополнительных легирующих компонентов (оксидов) в исходной шихте находятся в пределах:
2
3
- для GaO - 0.10-0.62 вес.%;
2
- для SiO - 0.03-0.28 вес.%,
при этом соотношение между концентрациями названных окислов составляет:
2
3
2
C(GaO):C(SiO)=2.2-3.5.
В предпочтительном варианте реализации процесс проводят в графитовой кассете прокачного типа.
+
+
Преимущественно многослойную p-p-i-n-n-структуру, последовательно состоящую из буферного p-слоя, слоев p-i-n структуры и контактного n-слоя, выращивают в едином эпитаксиальном процессе из соответствующих растворов-расплавов при заданных температурах.
16
17
-3
-
-
14
15
-3
+
18
-3
+
1-x
x
1-x
x
Предпочтительно буферный слой p-типа выращивают с концентрацией носителей в интервале 10-10 см и толщиной 5-25 мкм. В некоторых вариантах реализации буферный p-слой выращивают в виде трехкомпонентной системы GaAlAs, где X=0.05-0.35. Толщину основного p-i-n слоя задают посредством выбора температуры замены раствора-расплава с выходом на концентрацию носителей заряда в конце слоя, находящуюся в интервале 5·10-5·10 см, контактный n-слой легируют примесью теллура до концентрации носителей заряда не менее 10 см при толщине 3-10 мкм. В некоторых вариантах реализации контактный n-слой выращивают в виде трехкомпонентной системы GaAlAs, где X=0.15-0.60.
2
При выращивании структуры оксид галлия (III) полностью растворяется в жидком галлии с образованием оксида состава GaO, который, при используемых температурах, будет находиться в жидком состоянии и образовывать раствор с галлием:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>4</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mi>в</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>3</mn><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>151,6</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
2
3
2
2
При этом высокое давление пара над смесью Ga(ж) и GaO(тв) указывает на то, что часть GaO присутствует в виде газа. Газообразный GaO(г) активно взаимодействует со всеми фоновыми примесями раствора-расплава, переводя их в газообразные окислы, которые эффективно удаляются из жидкой фазы, либо в нерастворимые твердые оксиды:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>2</mn><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>134,2</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>2</mn><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>S</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>S</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>77,7</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>3</mn><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>A</mi><mi>l</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>6</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>A</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mi>в</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>786,6</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>3</mn><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>F</mi><mi>e</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>6</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>F</mi><msub><mi>e</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mi>в</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>8,3</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
2
Взаимодействие диоксида кремния SiO с жидким галлием начинается с реакции:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mi>в</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>4</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mn>142,2</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
По мере увеличения концентрации кремния в расплаве начинает образовываться монооксид кремния SiO по реакции:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mi>в</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mn>285,0</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
2
2
В результате, когда активности GaO и SiO в жидкой фазе становятся равны, образование чистого кремния прекращается, и присутствуют только GaO и SiO из суммарной реакции:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mi>в</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>G</mi><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>G</mi><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ж</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>d</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mn>213,6</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
2
2
3
2
Если учесть, что GaO дополнительно образуется при растворении GaO, то остаточная концентрация чистого кремния в расплаве будет еще меньше. Таким образом, раствор-расплав оказывается легированным GaO, SiO и небольшим количеством чистого кремния.
2
15
16
-3
Как видно из приведенных реакций и значений термодинамических параметров, соединение GaO, образованное по основной реакции (1), активно взаимодействует со всеми фоновыми примесями раствора-расплава, переводя их в неактивное состояние (реакции 2-5). Тем самым происходит внутренняя очистка (геттерирование) раствора-расплава от нежелательных примесей и, что, наиболее принципиально, от углерода. Известно, что углерод всегда присутствует в растворах-расплавах при использовании графитовой оснастки, создавая мелкие акцепторные уровни в арсениде галлия (см., например, Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Мир, 1984, т.1, с.26). Концентрация таких уровней невелика - 10-10 см, но и ее оказывается достаточно, чтобы возникли трудности с получением высокоомного материала. Предложенный способ легирования, за счет связывания углерода в летучий оксид, дает возможность использовать наиболее эффективные и высокопроизводительные ростовые устройства из графита для получения слоев с крайне низкой концентрацией фоновых примесей, и, соответственно, протяженных i-областей.
2
2
3
Важная роль продукта реакции GaO также заключается в его непосредственном участии в формировании глубокого донорного уровня, представляющего собой комплекс на основе кислорода. Концентрации таких уровней растут с увеличением содержания GaO в растворе-расплаве. При этом снижается время жизни ННЗ в p-i-n структуре (рис.1). Таким образом, имеется возможность простым, технологичным и надежным способом регулировать время жизни.
2
-
-
16
-3
12
-3
Диоксид кремния SiO необходим для формирования инверсионного перехода на основе примеси кремния. Соответственно, и интервал роста p-i-n слоя выбирается в области температурной инверсии примеси Si в GaAs - 920-830°С (H.Kressel, J.U.Dunse, H.Nelson, F.Z.Hazard, - Luminescence in Silicon-Doped GaAs Grown by Liquid-Phase Epitaxy - J. Applied physics - 1968, V.39, N 4, p.2006-2011). В обычных условиях такой переход, обладающий высокоомными свойствами, имеет малую протяженность по толщине структуры, имея уже на расстоянии 3-5 мкм от точки инверсии достаточно высокую концентрацию носителей 10 см. Введение глубокого уровня, связанного с кислородным комплексом, в твердую фазу через механизм, описанный выше, расширяет зону инверсии за счет эффекта компенсации, формируя тем самым протяженную высокоомную i-область с концентрацией носителей заряда менее чем 10 см. Форма легирования кремнием в виде окисла выбрана намеренно, как позволяющая доставлять примесь к границе роста в точно дозированных малых количествах (реакции 6-8).
В ходе проведения экспериментов были определены оптимальные пределы весовых концентраций легирующих окислов в растворе-расплаве, которые составили:
2
3
- для GaO - 0.1-0.62 вес.%;
2
- для SiO - 0.03-0.28 вес.%.
При этом эмпирически было установлено соотношение между концентрациями окислов, дающее оптимальное соотношение электрофизических параметров:
2
3
2
C(GaO):C(SiO)=2.2-3.5.
Таким образом, предложенный метод легирования окислами позволяет получить два основных технических результата:
2
3
- возможность точного управления временем жизни ННЗ, а, следовательно, и временем выключения диода с достижением на максимальной концентрации GaO предельных значений времени выключения на уровне 8-10 нс;
12
-3
- получение протяженных высокоомных i-областей с концентрацией носителей заряда менее чем 10 см, обеспечивающих высокие значения до 1500 В обратного пробивного напряжения и низкую малую удельную емкость.
-
-
+
-
-
16
17
-3
15
-3
-
-
-
-
1-x
x
Для достижения низких значений прямого падения напряжения в заявляемом способе предложено изготавливать многослойную p-p-i-n-n сразу в одном эпитаксиальном процессе с использованием последовательно сменяемых, как минимум, трех растворов-расплавов. По этому способу между подложкой и основным p-i-n слоем выращивают буферный слой p-типа с концентрацией носителей в интервале 10-10 см и толщиной 5-25 мкм, при этом толщину слаболегированного с концентрацией носителей на уровне 10 см p-слоя в составе основного p-i-n слоя уменьшают до толщины 5-15 мкм. В результате суммарная проводимость p-области повышается за счет более сильнолегированного буферного слоя. При этом сохраняется барьерная функция p-области, ограничивающая проникновение дефектов из подложки в рабочую i-область. Буферный p-слой выполняет и еще одну важную задачу. Он препятствует проникновению примеси цинка из подложки в основной p-i-n слой, и, как следствие, нет зависимости параметров процесса от уровня легирования подложки. Тем самым, не требуется специальный отбор подложек по группам и повышается воспроизводимость и устойчивость процесса в целом. Для специальных применений в раствор-расплав, формирующий буферный p-слой, может быть добавлен алюминий для образования трехкомпонентной системы GaAlAs, где X=0.05-0.35.
-
-
14
15
-3
-
По заявляемому способу толщину основного р-i-n слоя ограничивают посредством замены второго раствора-расплава с выходом на концентрацию носителей заряда в конце слоя, находящуюся в интервале 5·10-5·10 см. Данную толщину точно регулируют заданием температуры смены раствора-расплава. Это позволяет исключить рост слаболегированной базовой n-области избыточной толщины, что приводит к снижению общего электрического сопротивления слоя при сохранении величин обратного пробивного напряжения.
18
-3
+
+
1-x
x
Из третьего раствора-расплава выращивают сильнолегированный примесью теллура до концентрации носителей не менее 10 см n-слой, толщиной 3-10 мкм, который имеет максимальную проводимость. Для специальных применений в раствор-расплав, формирующий n-слой, может быть добавлен алюминий для образования трехкомпонентной системы GaAlAs, где X=0.15-0.60. Все рассмотренные приемы позволяют заметно снизить общее последовательное сопротивление структуры, а, следовательно, и уменьшить прямое падение напряжения.
-
+
-
+
Формирование всей структуры за один эпитаксиальный процесс значительно упрощает и удешевляет технологический цикл, за счет исключения из маршрута сложной и дорогостоящей операции - химико-механического удаления избыточной n-области, а также дополнительного отдельного эпитаксиального процесса выращивания n-слоя. При этом в предлагаемом способе точность фиксации по толщине и концентрации носителей оптимального положения n-n границы намного выше, что улучшает воспроизводимость основных технических параметров.
Предложенный вариант технологии, в отличие от способа прототипа, оптимально адаптируется к условиям массового производства, за счет упрощения и уменьшения числа технологических операций, снижения зависимости параметров процесса от внешних факторов. При этом обеспечивается лучшая совокупность основных технических параметров (высокое быстродействие, высокое обратное пробивное напряжение, низкое прямое падение напряжения, малая емкость), определяющих эффективность использования эпитаксиальной структуры для быстродействующих силовых p-i-n диодов.
Предложенный способ был опробован для получения нескольких типов структур, предназначенных для изготовления силовых p-i-n диодов различного назначения.
Пример 1.
rr
Процесс изготовления структуры для p-i-n диодов массового применения в инверторах (Ur=600 В, t=10-15 нс).
2
3
2
Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты, количества которых определяли из графика на рисунке и предложенной пропорции между GaO и SiO:
2
3
- GaO - 0.55 вес.%;
2
- SiO - 0.22 вес.%).
+
+
16
-3
-
-
-
15
-3
+
18
-3
+
-
-
+
Содержание в растворе-расплаве арсенида галлия определяли из расчета диаграммы состояния Ga-Al-As. Проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs p-типа проводимости в графитовую кассету прокачного типа с вертикальным расположением подложек. Зазор между подложками был выбран 1.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°С выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 90 минут при температуре 940°С и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 910°С, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs p-типа проводимости и начинали кристаллизацию буферного эпитаксиалыюго слоя p-типа проводимости толщиной 8-11 мкм с концентрацией носителей около 5·10 см, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0.7°С/мин. Затем при температуре 900°С производили смену растворов-расплавов. Из второго раствора-расплава выращивали основной р-i-nслой до температуры 840°С, где опять производили смену растворов-расплавов. При этом на нижней температурной границе n-слой имел концентрацию носителей (1.5-2.5)·10 см, а толщина его составляла 45-55 мкм. Далее в интервале температур 840-835°С из третьего раствора-расплава выращивали контактный n-слой толщиной 3.5-4.5 мкм с концентрацией носителей (1.5-2.0)·10 см. После этого очередной сменой раствора-расплава эпитаксию прекращали, систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии. Из полученных эпитаксиальных структур GaAs были изготовлены диоды с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Измерения характеристик приборов проводили в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре (20°С). Основные параметры диода, включающего GaAs p-p-p-i-n-nструктуру, приведены ниже:
R
U - 700-850 В;
F
U - 1.20-1.45 В:
rr
t - 11-14 нс, где
R
U - максимальные напряжения обратного смещения (reverse bias);
F
U - напряжения прямого смещения (forward bias) при рабочем токе;
rr
t - время выключения диода (reverse recovery time).
Пример 2.
r
rr
Процесс изготовления структуры для p-i-n диодов специфического применения в схеме с IGBT транзистором (U=1000 В, t=25-30 нс).
2
3
2
Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты, количества которых определяли из графика на рисунке и предложенной пропорции между GaO и SiO:
2
3
- GaO - 0.23 вес.%;
2
- SiO - 0.08 вес.%.
Дальнейшие технологические операции проводили аналогично примеру 1, за исключением увеличенного зазора между подложками 2.5 мм, что приводило к повышению толщин выращенных слоев:
буферного слой p-типа - до 13-18 мкм;
-
-
основной p-i-nслой - до 75-90 мкм;
+
контактный n-слой - до 5-6 мкм.
+
-
-
+
Параметры диода, включающего GaAs p-p-p-i-n-nструктуру, изготовленную по этому примеру, приведены ниже:
R
U - 1050-1200 В;
F
U - 1.35-1.60 В:
rr
t - 25-28 нс.
2
3
12
-3
Таким образом, предложенный метод, позволяет получить возможность точного управления временем жизни ННЗ, а, следовательно, и временем выключения диода с достижением на максимальной концентрации GaO предельных значений времени выключения на уровне 8-10 нс, а также обеспечить получение протяженных высокоомных i-областей с концентрацией носителей заряда менее чем 10 см, обеспечивающих высокие значения до 1500 В обратного пробивного напряжения и низкую малую удельную емкость.