КРИСТАЛЛ УЛЬТРАБЫСТРОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВОГО ДИОДА
CRYSTAL OF ULTRAFAST HIGH-VOLTAGE HIGH-CURRENT ARSENIDE-GALLIUM DIODE

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к ультрабыстрым высоковольтным силовым диодам с малым временем восстановления.
В преобразовательной технике электропривода, источников питания, индукционного нагрева и др. широко используются быстровосстанавливающиеся диоды (СБВД) в широком диапазоне токов и напряжений с высокими скоростями переключения.
В большинстве конструкций СБВД используется кремниевая технология изготовления с применением специальных методов легирования активных областей полупроводниковых структур, создания систем металлизации, пассивации (защиты) p-n перехода, радиационной обработки высокоэнергетичными потоками электронов, протонов, α-частиц.
К недостаткам кремниевых СБВД следует отнести:
- отрицательную зависимость прямой вольт-амперной характеристики от температуры;
- снижение быстродействия при повышении температуры и ограничение верхнего значения рабочей температуры значениями +125°С÷+150°С;
- радиационные методы обработки готовых диффузионных структур приводят к резкому возрастанию значений прямого напряжения p-n перехода и увеличению динамических потерь;
- относительно низкая радиационная стойкость;
- низкое значение коэффициента «формы» импульса тока обратного восстановления;
- низкая стойкость к dI/dt скорости изменения тока при переключении.
В настоящее время известны конструкции СБВД, в которых в значительной степени улучшены динамические и статические параметры кремниевых СБВД. К таким конструкциям относятся карбид-кремниевые диоды Шоттки и арсенид-галлиевые СБВД.
11
-3
Из анализа зарубежных и отечественных источников информации известны конструкции кристалла силового GaAs диода, содержащего монокристаллическую подложку из арсенида галлия. На указанную монокристаллическую подложку методом эпитаксии наносятся слои p- и n-типов из арсенида галлия. Между эпитаксиальными слоями p- и n-типов проводимости находится область с концентрацией акцепторных и донорных примесей в 10 см.
Основной целью изобретения является:
- расширение диапазона рабочих напряжений;
- повышение плотности рабочих токов;
- резкое снижение или исключение плотности дислокации эпитаксиальной структуры в зоне металлургического p-n перехода;
- исключение микроплазм, способствующих снижению стойкости диодной структуры к лавинному пробою;
- резкое увеличение динамической устойчивости GaAs диодных структур, повышение стойкости диода в режиме жесткого переключения при одновременно высоких значениях di/dt и du/dt скоростей изменения тока и напряжения;
- повышение рабочей температуры p-n перехода и структуры в целом;
- повышение точности задания и управляемости электрофизических параметров эпитаксиальной структуры и, как следствие, оптимизация и снижение времени и заряда обратного восстановления.
+
19
-3
19
-3
11
-3
11
-3
11
-3
16
-3
Данная задача достигается тем, что в силовом GaAs диоде, содержащем высоколегированную монокристаллическую подложку 1 р-типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси - 5·10 см, примыкающим к ней одного типа эпитаксиальным слоем 2 с плавно изменяющейся концентрацией акцепторной однотипной легирующей примеси от 5·10 см до 10 см до границы металлургического перехода на расстоянии не менее 90 мкм от монокристаллической подложки, области 3 с разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси не более 10 см и толщиной 5-50 мкм, эпитаксиального слоя 4 n-типа проводимости с плавным изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примеси от 10 см до 10 м выполнено следующее:
1). Эпитаксиальный слой 2 p-типа выполнен в виде трех взаимосвязанных эпитаксиальных слоев:
+
19
-3
16
15
-3
а) p-типа слоя 2.1 толщиной не более 10 мкм с резким изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примеси от 1÷5-10 см до 10÷2·10 см (на три-четыре порядка);
16
15
-3
14
15
-3
б) p-слоя 2.2 с толщиной не менее 10 мкм, с плавно изменяющейся разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей от 10÷2·10 см до 10÷10 см;
+
14
15
-3
11
-3
в) p-слоя 2.3 с толщиной не менее 10 мкм с резким изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10÷10 см до 10 см (на три-четыре порядка);
2). Эпитаксиальный слой 4 n-типа проводимости выполнен в виде трех взаимосвязанных эпитаксиальных слоев:
-
11
-3
15
-3
а) n-слоя 4.1 толщиной не менее 10 мкм с резким ростом разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10 см до 10 см (на четыре порядка);
15
-3
15
-3
б) n-слоя 4.2 толщиной не менее 10 мкм с более плавным изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10 см до (5÷10)·10 см.
+
-3
в) эпитаксиальный слой 4.3 толщиной не менее 0,1-0,3 мкм n-типа проводимости выполняется в виде гетеропереходного слоя из соединений атомов алюминия, галлия, мышьяка (AlGaAs) с разностной концентрацией легирующих донорной и акцепторной примесей значительно, на один-два порядка превышающей значение (5÷10)·10 см примесных атомов на поверхности катодного эпитаксиального слоя n-типа из арсенида галлия.
+
+
11
-3
-
+
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где приводятся профили распределения легирующих акцепторной и донорной примесей в анодной и катодной областях - p-i-n GaAs структуры, где показаны монокристаллическая сильнолегированная подложка 1 p-типа проводимости, эпитаксиальный p- p- р-типа проводимости слой, содержащий три последовательные области 2, 3, 4 резкого, плавного и резкого уменьшения разностной концентрации акцепторной и донорной примесей в направлении по оси от исходной подложки, область 5 с разностной концентрацией легирующей примеси около 10 см, эпитаксиальную область n- n- n-типа проводимости с тремя последовательными областями 6, 7, 8 с резким, плавным и резким увеличениями разностной концентрации донорной и акцепторной примесей
11
-3
р
n
p
n
пр
Приведенная на фиг.1 структура GaAs силового диода обеспечивает очень низкие значения плотности дислокации в эпитаксиальных слоях или их отсутствие в зоне металлургического перехода с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей около 10 см, что при технологически заданных толщинах эпитаксиальных слоев анодной и катодной части кристалла, их электрофизических параметров - времени жизни неосновных носителей τ, τ, диффузионных длин L, L, коэффициентов диффузии неосновных носителей, а также расчетных профилей распределения электронно-дырочных пар в примыкающих к металлургическому р-n переходу p- и n-типа областях позволяет с хорошей технологической точностью задать такие параметры диодной структуры, как максимальную плотность прямого тока I/S, максимально допустимое обратное напряжение, заряд обратного восстановления, емкость р-n перехода в зависимости от приложенного напряжения, тепловые характеристики, предельную частоту коммутации диодной структуры и другие характеристики.
Указанный профиль распределения акцепторной примеси в эпитаксиальном слое анодной области кристалла позволяет менять профиль распределения неосновных носителей вблизи границы металлургического р-n перехода и варьировать эффективное время жизни неосновных носителей в зависимости от плотности протекающего тока и скорости нарастания тока di/dt при выключении.
2
15
2
10
12
2
С целью регулирования времени жизни, диффузионной длины неосновных носителей и более плавного распределения плотности электронно-дырочных пар в активных областях GaAs структуры, предложенные в данном изобретении структуры подвергались радиационной обработке высокоэнергетичными пучками электронов с площадью пучка 2,5 см в течение 8÷20 минут с энергией до 7,0 МэВ и плотностью до 1,5·10 частиц/см, а также протонами (легирование атомарным водородом) с энергией от 1,0 МэВ до 5МэВ и плотностью потока частиц от 1·10 до 1·10/см в зависимости от глубины залегания металлургического p-n перехода с образованием пиковых значений концентрации введенных атомов водорода в зонах с повышенной плотностью электронно-дырочных пар эпитаксиальной структуры. Таким образом, в активные области p-i-n GaAs структуры вводятся радиационно встроенные кристаллографические включения (рекомбинационные центры).
rr
Полученные результаты показали, что, в отличие от кремниевых эпитаксиальных структур, не наблюдалось резких изменений прямого падения напряжения р-n структур приведенной конструкции, при этом значительно снижались времена восстановления обратного тока, к примеру, в структурах со значениями рабочих напряжений 600÷800 В и толщиной эпитаксиального слоя n-типа 35÷40 мкм значения времени обратного восстановления τ со стандартных значений 30÷43 нс снижались на 30÷75% в зависимости от дозы и энергии облучения электронами и протонами.
Конкретный пример выполнения приведенной конструкции кристалла силового p-i-n GaAs диода:
+
19
-3
2
силовой диод содержит подложку из арсенида галлия с проводимостью р-типа, легированного Zn до концентрации 1·10 см. Толщина подложки составляет 300 мкм, с площадью не менее 20 см.
11
2
На подложку нанесены, например, методом жидкофазной эпитаксии из ограниченного объема раствора-расплава GaAs в Ga, в едином процессе слои p- и n-типа проводимости с толщинами по 50 мкм, между которыми расположена область с разностной концентрацией донорных и акцепторных примесей менее 10 см, толщиной 20 мкм, внутри которой находится p-n переход.
Прилегающая к подложке анодная p-область имеет 3 резко выраженных, по величине градиента разностной концентрации акцепторных и донорных примесей, участка:
A
D
19
16
-3
- p1 область, с толщиной 10 мкм, с резким снижением перепада разностной концентрации |N-N| примесей на 3 порядка (с 10 до 10 см). На указанной толщине, в силу специфики жидкофазной эпитаксии, плотность дислокации прорастающих из подложки в эпитаксиальный слой снижается более чем на два порядка. Профиль легирования p1 области обусловлен диффузией Zn из подложки в растущий эпитаксиальный слой. Высокая концентрация и крутой фронт диффузии обусловлены высокими значениями коэффициента диффузии Zn в GaAs при температурах эпитаксии и его (коэффициента диффузии) квадратичной зависимостью от самой величины концентрации Zn в источнике (в подложке).
При малых толщинах p-области и высоких значениях обратного напряжения на диоде p1 область предотвращает проникновение ОПЗ на дефектную металлургическую границу перехода подложка - эпитаксиальный слой.
16
15
- р2 область, с толщиной 30 мкм, с плавным снижением в сторону от подложки концентрации мелкой акцепторной примеси (по-видимому, предположительно, связанной с вариантами комплексов из системы Si - О - вакансии - Zn) от 10 до 10
-3
см (1 порядок). Указанная область снижает напряженность поля в ОПЗ с ростом обратного напряжения, а также снижает барьерную емкость p-n перехода и способствует повышению динамической и температурной устойчивости данной диодной структуры.
12
-3
- р3 - слаболегированная область толщиной не менее 10 мкм, с резким (до 3-х порядков) перепадом (снижением) концентрации акцепторной примеси до i-области (10 см), внутри которой находится металлургическая граница p-n перехода. Данная область является определяющей для инжекционной способности p-n перехода.
Катодная n-область (база) состоит из 3-х областей:
15
-3
11
15
-3
- n1 - слаболегированная (до 10 см) область, с толщиной не менее 10 мкм, с резким, до 4-х порядков, перепадом концентрации донорной примеси - с 10 (от i до 10 см).
16
-3
15
- n2 - слаболегированная (до 10 см) область, с толщиной не менее 10 мкм, с плавным перепадом концентрации донорной примеси не более 1 порядка (с 10 до (5÷10)·10).
+
18
-3
- n - сильнолегированная (до 5·10 см) область, толщиной не менее 1 мкм, с резким перепадом (не менее 3-х порядков) концентрации, обеспечивающая создание невыпрямляющих металлических контактов.
Указанное конструктивно-технологическое исполнение p-i-n GaAs диодных структур позволяет создать качественно новые силовые высоковольтные преобразовательные устройства для импульсных вторичных источников питания, частотно-регулируемого электропривода, систем индукционного нагрева, портативных блоков питания светотехнических устройств на сверхярких диодах и др.
Это обусловлено новыми возможностями увеличения диапазона областей допустимой безопасной работы, резким повышением частот преобразования, повышенной устойчивостью к температурным перегрузкам, высокой динамической устойчивостью.