Кристалл униполярно-биполярного силового высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода с гетеропереходами с фотонными и фотовольтаидными свойствами
CRYSTAL OF A MONOPOLAR-BIPOLAR POWER HIGH-VOLTAGE HYPERVELOCITY GALLIUM ARSENIDE DIODE WITH HETEROJUNCTIONS, WITH PHOTONIC AND PHOTOVOLTAIC PROPERTIES

Область техники
Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности, к высоковольтным силовым биполярным диодам p-i-n типа, с малым временем восстановления обратного сопротивления.
Уровень техники
R
F
rr
rr
R
rr
F
Высоковольтные силовые ультрабыстрые (UFRED по западной классификации) и гипербыстрые (HyperFRED) диоды для энергоплотных ВИП и IPM в основном выполнены на кремниевых (Si) подложках, с частотами коммутации от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Например, HyperFRED LXA06B600 фирмы “Power Integrations” (U = 600 В; I = 6 ÷ 20 А; τ = 23 нс/25°С). Для обратных напряжений до 200 В широко применяются кремниевые диоды Шоттки (SBD по западной классификации), на десятки ампер и τ = 20нс фирмы “Vishay” (США). Также, для различных целей, массово применяются диоды на основе карбида кремния SiC SBD/JBS на U = 650; 1200 и 1700 В, τ = 15 ÷ 30 нс, I до 50 А фирм “Cree” (США) и “Infineon” (Германия).
RRM
rr
Сектор высоковольтных GaAs силовых диодов на мировом рынке представлен GaAs диодами Шоттки (GaAs SBD) серии DGSS6-06CC фирмы “IXYS” (в составе “Littelfuse”, США) и “Semelab” (в составе “TT-Elelectronics”, Великобритания), выполненных по MOCVD эпитаксиальной технологии, на ограниченные максимальные обратные рабочие напряжения (U) до 250 ÷ 300 В, имеющие токи до 15 А и времена восстановления τ до 20 нс/25°С.
Все вышеназванные классы скоростных силовых высоковольтных диодов имеют серьезные ограничения по температуре эксплуатации (+125°С), частоте коммутации, включая 600 ÷ 650 - вольтовые SiC SBD (из-за сверхбольшой емкости в формуле быстродействия τ = RC), которая в лучшем случае ограничена 5 ÷ 10 МГц на примере SiC SBD фирм “Cree” (США), “Infineon” (Германия) и Si HyperFRED из серии LXA06B600 фирмы “Power Integrations” (США).
Касательно GaN p-i-n и SBD (HyperFRED) пока можно делать только осторожный прогноз, и они, как ожидается, будут слабее по электрофизическим параметрам в сравнении с такими диодами как SiC SBD.
В России и Германии в ряде фирм появились разработки гиперскоростных GaAs высоковольтных диодов с удвоенной по сравнению с Si, SiC диодами рабочей температурой эксплуатации, о чем свидетельствуют патенты РФ:
- патент RU № 2472249 от 31.12.2009 г. «Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного арсенид-галлиевого диода», авторы Войтович В.Е., Гордеев А.И., Думаневич А.Н.;
- патент RU № 2488911 от 27.07.2013 г. «Способ изготовления полупроводниковой p-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs методом жидкостной эпитаксии», авторы Крюков В.Л., Крюков Е.В., Меерович Л.А., Стрельченко С.С., Титивкин К.А.; и другие;
Имеются патенты EC фирмы “3-5 Power Electronics GmbH” (Германия) по GaAs p-i-n гиперскоростным диодам. Это исключительно сильный класс гипербыстрых высоковольтных радиационно стойких диодов с диапазоном частот преобразования от 2÷3 МГц (1200 - вольтовые p-i-n GaAs диоды) до 10 МГц (600 - вольтовые p-i-n GaAs диоды) с температурой эксплуатации до +250°С.
Но необходимы более высокочастотные характеристики высоковольтных GaAs диодов (в частности, до 600 ÷ 800 В) с удвоенными частотами коммутации по сравнению с p-i-n HyperFRED GaAs.
F
В этой связи привлекают внимание новые варианты конструкций и технологий исполнения гиперскоростных диодов на GaAs монокристаллических подложках, в частности, комбинированного изотипно-биполярного (униполярно-биполярного) исполнения с немыслимыми в данный момент временами восстановления и сверхплотной электронно-дырочной плазмой (ЭДП) в высокоомной проводящей зоне структуры диода вплоть до отрицательного дифференциального сопротивления прямой ВАХ (ДОС на прямой ВАХ), т.е. с достижением значений прямого падения напряжения U (В), конкурентоспособных с диодами Шоттки, а также со свойствами электролюминисценции и фотоприемника солнечной радиации.
3
2
2
Из анализа зарубежных и отечественных источников научно-технической информации наиболее близкими по физическим принципам функционирования униполярно-биполярных диодов являются конструкции GaAs диодов с гетеропереходами, показанные в публикациях [1], [2], с рабочими напряжениями в несколько сотен вольт и токами выше чем 10 А/см (отметим, что медный провод с квадратным сечением S = 1,0 см длиной 1,0 м в лучшем случае сможет обеспечить проводимость электрического тока до 300 А). Данная конструкция униполярно-биполярного сверхсилового высоковольтного диода взята за ближайший прототип.
+
18
-3
+
+
Кристалл такого арсенид-галлиевого диода содержит катодную область из монокристаллической подложки GaAs n-типа проводимости с концентрацией донорной примеси 2⋅10см с выполненными на ней методом жидкофазной эпитаксии (по западной классификации - LPE эпитаксии) последовательно GaAsP n-типа гетеропереходом, n-типа GaAs слоем и p-типа GaAsP гетеропереходом в качестве анода.
Зонная диаграмма и структура прототипа кристалла показаны на Фиг. 1, Фиг. 2. (из книги [1]).
+
+
+
+
Указанное решение, несмотря на ультравысокую плотность и присутствие фотонных явлений в красном спектре излучения и ДОС на прямой ВАХ, все-таки имеет ограниченные технологические возможности по обеспечению широкого диапазона обратных (блокирующих) рабочих напряжений и, главное, из-за наличия атомов фосфора в гетеросистеме n и p - GaAsP резко снижается подвижность «тяжелых» электронов и дырок, инжектированных в биполярном гетеропереходе p-n и униполярном (изотипном) n-n гетеропереходе с энергией на 0,3 эВ выше чем в моноэпитаксиальном n-типа слое GaAs. Кроме того, атомы фосфора при мольности х > 0,15 вносят тензоэлектрофизические напряжения в твердых растворах GaAs и фосфора.
Вследствие резкого снижения подвижности электронов и дырок в n-GaAs слое растет время восстановления обратного сопротивления (до 200 наносекунд), что ограничивает возможность применения гетерофазных GaAsP диодов в ВЧ преобразовании.
Сущность изобретения
Техническая задача заявленного изобретения заключается в расширении функциональных возможностей.
Техническими результатами, достигаемыми изобретением, являются:
- снижение прямых напряжений, паразитных ёмкостей и времен обратного восстановления диодов;
- увеличение рабочей температуры кристалла униполярно-биполярного диода и снижения паразитных токов утечки;
- повышение динамической устойчивости диодных структур в режиме жесткого резонансного переключения при высоких значениях di/dt и dU/dt;
- реализация концепции силового гиперскоростного высоковольтного диода + светодиода вплоть до объемного когерентного излучения при сильной инверсии носителей заряда + фотовольтаидного диода (солнечного фотоприемника).
+
+
+
+
+
+
x
1-x
x
1-x
Для решения поставленной задачи и достижения указанных результатов предлагается кристалл униполярно-биполярного силового высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода с гетеропереходами, с фотонными и фотовольтаидными свойствами, включающий монокристаллическую GaAs подложку n-типа проводимости с последовательно выполненными на ней эпитаксиальным слоями: буферным GaAs слоем n-типа проводимости, слоем AlGaAs n-типа проводимости с х = 0,25 ÷ 0,6, слоем GaAs р-типа проводимости, слоем AlGaAs р-типа проводимости с х = 0,25 ÷ 0,6, слоем GaAs p-типа проводимости, и омическими контактами на поверхности эпитаксиального слоя GaAs p+ - типа проводимости и на тыльной поверхности монокристаллической GaAs подложки n - типа проводимости.
+
+
+
Технические результаты также достигаются за счет того, что внутри гетерофазного объема AlGaAs - GaAs p-типа проводимости на поверхности GaAs слоя p-типа проводимости выполнены локальные эпитаксиальные слои GaAs n-типа проводимости, электрически связанные с GaAs - AlGaAs слоями p-типа проводимости.
+
+
Технические результаты также достигаются за счет того, что внутри гетерофазного объема AlGaAs - GaAs p-типа проводимости на поверхности GaAs слоя p-типа проводимости выполнены локальные барьеры Шоттки, электрически связанные с GaAs - AlGaAs слоями p-типа проводимости.
Технические результаты также достигаются за счет того, что для пассивации поверхностного заряда на боковую поверхность кристалла наносятся нанометровые ALD плёнки оксида и нитрида алюминия.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Зонная структура кристалла n-GaAs - n-GaAsP - n-GaAs - p-GaAsP (структура прототипа).
Фиг. 2 - Структура кристалла n-GaAs - n-GaAsP - n-GaAs - p-GaAsP (структура прототипа).
Фиг. 3 - Структура кристалла униполярно-биполярного силового высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода с гетеропереходами с фотонными и фотовольтаидными свойствами.
+
+
Фиг. 4 - Структура кристалла с эпитаксиальным слоем GaAs n-типа проводимости внутри объема p-AlGaAs слоя на поверхности p-GaAs слоя.
+
Фиг. 5 - Структура кристалла с барьер Шоттки внутри объема p-AlGaAs слоя на поверхности p-GaAs слоя.
Фиг. 6 - График распределения акцепторной примеси в p-GaAsP высокоомной области, полученный STM - методом.
Осуществление изобретения
+
+
+
+
+
+
+
Сущность предполагаемого изобретения поясняется на Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, где приводится структура кристалла униполярно-биполярного силового высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода с гетеропереходами с фотонными и фотовольтаидными свойствами, содержащего GaAs монокристаллическую подложку n-типа проводимости (1), эпитаксиальный буферный GaAs слой n-типа проводимости (2), эпитаксиальный AlGaAs n-слой (3), эпитаксиальный GaAs слой p-типа проводимости (4), эпитаксиальный гетерослой AlGaAs p-типа проводимости (5), эпитаксиальный слой GaAs p-типа проводимости (6), а также омические контакты (7), эпитаксиальный слой GaAs n-типа проводимости (8), барьер Шоттки (9) к слою p-GaAs в объеме p-гетероперехода AlGaAs/GaAs.
+
+
+
+
+
+
-12
2
+
+
n
n
n
n
p
n
p
p
n
Приведенная на Фиг. 3, 4, 5 структура кристалла GaAs униполярно-биполярного диода включает в себя два последовательно включенных барьерных перехода с общей p-базой, а именно - биполярного n-p перехода на основе слоев n-GaAs (подложка) и p-GaAs (эпитаксиальный слой) и униполярного, т.е. изотипного гетероперехода p-p типа на основе гетероперехода p-AlGaAs - p-GaAs. При этом важно выполнить условие, что толщина p-типа GaAs слоя должна быть меньше либо равной трем диффузионным длинам L электронов, как неосновных носителей заряда в p-GaAs области, а перепад концентраций акцепторной примеси в изотипном p-p переходе должен быть в пределах не менее чем в два - три порядка. При этом необходимо учитывать, что требований к подвижности инжектированных из p - гетерообласти носителей заряда никаких нет и время их релаксации при переключении диода из прямовключенного состояния в закрытое, т.е. непроводящее состояние составит не хуже, чем 10 сек., что показано в монографии S.M.Sze “Physics of Semiconductor Devices” в 2-х томах, 1981 г. В итоге, скорость изменения накопленного заряда ЭДП в p-области будет определяться высокоскоростной подвижностью электронов в p-GaAs области с практически потолочной, подвижностью электронов (μ) в p-i-n/n-i-p GaAs LPE переходах, достигающей значений до μ = 7800 см/В⋅сек, что выше как минимум в 1,8 раза чем в аналогичных структурах, полученных MOCVD - эпитаксиальным способом. Как следует из физики и принципов работы биполярных p-i-n/n-i-p и изотипных n-n и p-p типа переходов, в высокоомной области образуется с позиции амбиполярной диффузии зарядов «легкая» подвижная ЭДП плазма, скорость которой по факту определяется соотношением μ к подвижности дырок μ, т.е. теоретически, аннигиляция ЭДП заряда в p-области, предлагаемого изобретения, при запирании диода блокирующим напряжением будет определяться скоростью амбиполярной диффузии/дрейфа ЭДП плазмы в p-области, определяемой соотношением μ/μ в GaAs, а не соотношением μ/μ в p-i-n GaAs диодах.
rr
rr
Расчетные и экспериментальные данные значений τ заряда восстановления показывают значения τ на полтора порядка ниже, чем в p-i-n GaAs структурах.
+
+
rr
Создание n-эпитаксиальных слоев или барьеров Шоттки внутри объема p-AlGaAs слоя на поверхности p-GaAs слоя, показанных на Фиг. 4, Фиг. 5, приведет к резкому снижению времен обратного восстановления диодов τ по сравнению с базовой конструкцией кристалла, показанной на Фиг. 3.
p+-p
+
+
Ширина W p-области между p-AlGaAs/p-GaAs областями, выступающими в качестве затворов изотипного ТОЗ полевого транзистора с обедненным затвором рассчитывается по формуле в пределах:
,
T
а ϕ - определяется исходя из формулы:
,
0
где εε - диэлектрическая постоянная GaAs;
-19
q - заряд электрона (1,6 ⋅ 10 Кл);
k - постоянная Больцмана;
T - температура по Кельвину;
p
N - концентрация акцепторной примеси в p-области GaAs;
p+
+
N - концентрация акцепторной примеси в p - AlGaAs гетерослое.
+
Показанная на Фиг. 3 базовая структура GaAs униполярно-биполярного кристалла с наличием «прозрачного» AlGaAs/GaAs слоя с нанослоем p-типа GaAs на поверхности p-слоя является исключительно фоточувствительной к спектру солнечного излучения и может достигнуть КПД до предельного значения в 28% из-за отсутствия рекомбинационных потерь дырочных носителей заряда.
n
RRM
Структура на Фиг. 5 при инверсной концентрации носителей заряда в валентной зоне и зоне проводимости при больших уровнях инжекции носителей заряда изотипного и биполярного p-n переходов будет излучать мощное когерентное излучение в красной области спектра излучения. Поскольку толщина p-слоя может достигать уровня L в p-слое ~ 50 ÷ 60 мкм, то данная конструкция униполярно-биполярного диода с гетеропреходами обеспечивает напряжение блокирования U до 1200 В.
Конкретный пример исполнения предполагаемой к изобретению конструкции кристалла униполярно-биполярного высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода с гетеропереходами, с объединенными свойствами гиперскоростной коммутации тока, электролюминисцентными свойствами, а при больших плотностях тока - свойствами объемного когерентного излучения (лазерного излучения) в красном оптическом спектре и фотоприемника солнечного излучения с КПД, близким к 28% приведен ниже:
+
+
+
+
На полированную VGF - подложку n-GaAs LPE способом осаждается n-GaAs буферный слой, выполняющий роль VGF-LPE переходного эпитаксиального слоя с целью резкого снижения плотности дислокаций и нанокластерных дефектов на поверхности LPE n-эпитаксиального GaAs слоя для создания необходимых условий LPE эпитаксии n-AlGaAs гетерослоя с мольностью атомов алюминия (Al) x = 0,25 ÷ 0,6 ,в зависимости от функционального назначения вновь создаваемого диода. В частности, при реализации фотонных свойств кристалла диода (светодиод/лазер) мольность находится в пределах х = 0,25 ÷ 0,35, которая обеспечивает прямоходность рекомбинационных процессов зона - зона в p - области GaAs.
Одной из важнейших областей является p - GaAs - область, экспериментальный график профиля акцепторной примеси которой приведен на Фиг. 6.
n max
Толщина p-слоя колеблется от 4 ÷ 10 мкм - для низковольтного 100 ÷ 250 В переключающего диода с фотовольтаидными свойствами и мощным объемным когерентным излучением - до нескольких десятков микрометров (в частности, до значений L = 60 мкм) для высоковольтного исполнения гиперскоростного диода вплоть до 1200 В.
+
+
Гетерообласть p-AlGaAs выполняется LPE методом после предварительной ХДП - полировки p-GaAs слоя толщиной не менее 3,0 мкм, на поверхности которой наращивается предконтактный слой p-GaAs толщиной не менее 1,0 мкм MOCVD методом.
+
+
+
+
+
+
Барьерный переход Шоттки выполняется из титановой нанопленки, а n - область (0,5 ÷ 1,0 мкм) GaAs выполняется MOCVD способом на анодном p-AlGaAs/p-GaAs гетерослое. n-область локально удаляется методом прецизионного травления через фотолитографические окна. Омические контакты к n-катоду и p-аноду напыляются электронно-лучевым методом. Наносились слои Au-Ge (до 80 нм), слой Ni (толщиной до 100 нм) и слой Au толщиной от 2,0 мкм.
+
+
2
3
Для пассивации поверхностного заряда на меза-фаске p-p-n перехода применялось ALD (Atom Layer Deposition) нанесение нанопленок AlO + AlN (общая толщина не более 15 нм) с последующей защитой фотоимидом.
R
rr
R
F
R
Были получены высоковольтные диодные структуры с U = 200 ÷ 700 В, с τ ≤ 5 наносек./100°C в наносекундном диапазоне в режиме U = 110 В; di/dt = 200 А/мкс и I = 1,0 А, где: U - обратное напряжение диодов, di/dt - скорость спада тока, IF - прямой ток.
F
При прямовключенном режиме наблюдалось красное свечение диодной структуры при высокой инжекции с достижением ДОС на прямой ВАХ в пределах пороговых значений прямого напряжения диодов U ≤ 1,0 В.
Фотовольтаидные свойства оценивались при солнечном облучении сопоставлении темновой характеристики прямой ВАХ и под действием солнечного облучения.
+
+
В диапазоне температуры окружающей среды 25 ÷ 100°С наблюдалась активная модуляция ΔV на прямой ВАХ в пределах от 0,2 В с исключительно низкими (пикоамперными) уровнями темнового тока на n - p - p - гетероструктуре.
LPE операции проводились с использованием специализированного оборудования с кварцевым реактором и кварцевой оснасткой в восстановительной газотранспортной среде при рабочих температурах 750 ÷ 900°С.
+
+
Как указывалось ранее, в качестве n-GaAs подложек использовались VGF GaAs n-типа монокристаллические подложки производства Словакии толщиной 350 ÷ 400 мкм, с кристаллографической ориентацией (111), диаметром 50,2 и 76 мм (два и три дюйма).
n
p
p
n
Таким образом снижение прямых напряжений, паразитных ёмкостей и времен обратного восстановления (на полтора порядка и более) диодов по сравнению с прототипом достигается за счёт большей подвижности электронов, определяющего быстродействие соотношения μ/μ, а не μ/μ (как у прототипа), элементов дизайна, профиля легирования и соответствующей зонной диаграммы монокристаллической структуры.
Увеличение рабочей температуры кристалла униполярно-биполярного диода и
снижения паразитных токов утечки достигается из-за улучшения совершенства кристаллической структуры в связи с исключением фосфора, применения GaAs LPE технологий, а также за счёт пассивации поверхностного заряда на фаске (боковой стороне) приборов нанометровыми ALD плёнками.
Повышение динамической устойчивости диодных структур в режиме жесткого резонансного переключения при высоких значениях di/dt и dU/dt, и превышение на полпорядка по коммутационным свойствам и частоте преобразования характеристик по сравнению с SiC диодами Шоттки за счёт всех, перечисленных выше, причин.
Предлагаемая конструкция гиперскоростного силового биполярного диода предназначена для:
- ВЧ резонансно-контурных ВИП;
- ВЧ IPM электропривода;
- Выпрямительных блоков отбора мощности мультифазных генераторов авиакосмических аппаратов с оборотами ротора до 20000 об/мин;
- «Зеленой» энергетики (преобразователи напряжения Solar inverters, ветроэнергетики);
- Сверхкомпактных температуростойких ВЧ IPM электромодулей и бортовых ВИПов;
- Конверторов для цифровых систем;
- Светотехники;
- Других применений.
Источники информации:
x
1-x
[1] Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И. Корольков, Е.Л. Портной, Д.Н. Третьяков «Гетеропереходы AlGaAs - GaAs», «Физика и жизнь». Изд. 2-е, доп., Издательство «Наука», С-Петербург, 2001 г.
+
+
[2] Ж.И. Алферов «О возможности создания выпрямителя на сверхвысокие плотности тока на основе p-i-n (p-n-n, n-p-p) структуры с гетеропереходами». ФТП, 1, с. 436-438, 1967.