Способ получения многослойной гетероэпитаксиальной p-i-n структуры в системе AlGaAs методом жидкофазной эпитаксии
METHOD FOR OBTAINING A MULTI-LAYER HETEROEPITAXIAL P-I-N STRUCTURE IN THE AlGaAs SYSTEM BY THE LIQUID PHASE EPITAXY METHOD

Изобретение относится к области силовой микроэлектронной техники, а более конкретно, к способам изготовления полупроводниковых p-i-n структур на основе системы GaAs-GaAlAs методами жидкостной эпитаксии.
обр.
Преимущества системы GaAs-GaAlAs для задач силовой электроники принципиально могут быть реализованы при использовании многослойных p-i-n-структур с протяженной высокоомной i-областью, которая обеспечивает высокие значения обратного пробивного напряжения (U).
Для получения p-i-n структур GaAs-GaAlAs с протяженной высокоомной i-областью, наиболее подходит метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в варианте, когда в качестве легирующих компонентов используют оксиды галлия и кремния [Крюков В.Л., Крюков Е.В., Меерович Л.А., Стрельченко С.С., Стрельченко С.С., Титивкин К.А. - Перспективная технология получения высоковольтных p-i-n структур GaAs-GaAlAs для силовой электроники / Наукоемкие технологии 2014, №2, стр. 42-46].
Одним из ключевых параметров для многих типов полупроводниковых приборов, особенно для приборов мощной импульсной и высокочастотной техники является величина прямого падения напряжения при рабочем токе. Этот параметр вместе с эффективностью теплоотвода определяют тепловые потери приборам, следовательно, его рабочую температуру и предельную плотность тока.
Наиболее простым и эффективным способом снижения величины прямого падения напряжения является уменьшение общей толщины структуры. А наилучшим способом повышения эффективности процесса отвода тепла является максимальное приближение основного источника выделения тепла (в нашем случае высокоомной области c p-n-переходом к поверхности внешнего теплоотвода (корпуса прибора). Для системы GaAs-GaAlAs это особенно актуально, так как коэффициент теплопроводности  подложки GaAs имеет относительно низкие значения -0,46 Вт/(м⋅град) по сравнению с традиционным материалом силовой электроники кремнием, у которого  1,3 Вт/(м⋅град).
0
0
Известен (RU, патент 2297690, опубл. 20.04.2007) 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 упругодеформированного 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.
Недостатком известного способа следует признать тот факт, что 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.
12
-3
Известен (US, патент 5733815, опубл. 31.03.1998) 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 р.- 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. Он мало пригоден к промышленному производству, результаты зависят от конструкции используемой оснастки, от степени легирования исходной подложки, полученные структуры имеют ограничения по быстродействию p-i-n структуры, а также обладают невысокими обратными пробивными напряжениями.
-
-
+
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ (RU, патент 2488911, опубл. 27.07.2013) изготовления полупроводниковой p-i-n структуры на основе соединений GaAs-AlGaAs методом жидкостной эпитаксии. Данный способ позволяет с использованием процесса выращивания в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах, как минимум, двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния и оксид галлия (III), в едином технологическом цикле получить многослойную полупроводниковую структуру GaAs-GaAlAs, представляющую собой композицию трех последовательных эпитаксиальных слоев GaAs или GaAlAs на подложке GaAs р+-типа проводимости, состоящей из буферного слоя р-типа проводимости, рабочего высокоомного p-i-n-слоя и контактного n-слоя. После процесса эпитаксии по данному способу общая толщина структуры составляет величину 520-580 мкм, при этом 450 мкм приходится на подложку. Далее для улучшения отвода тепла из высокоомной области с p-n-переходом проводят утонение подложки с применением операции механической подшлифовки. Уменьшение толщины подложки также позволяет несколько снизить величину прямого падения напряжения.
+
Недостатком данного способа является невозможность получить толщину структуры менее 300 мкм, вследствие недостаточной механической прочности структуры при меньших толщинах для операции утонения. При этом оставшаяся толщина подложки GaAs р-типа проводимости составит в любом случае не менее 170 мкм, что с учетом низкой подвижности дырок в GaAs будет приводить к повышенным значениям прямого падения напряжения, обусловленным относительно низкой проводимостью подложки. И глубина залегания p-n-перехода в этом случае также будет иметь значительную величину не менее 200 мкм от поверхности внешнего теплоотвода (корпуса). В результате эффективность отвода тепла из высокоомной области с p-n-переходом все равно останется недостаточной.
Техническая задача, на решение которой направлен предлагаемый способ, состоит в разработке способа изготовления методом жидкофазной эпитаксии структуры GаАs-АlGаАs для силовых p-i-n диодов, который позволит значительно уменьшить общую толщину структуры до величины не более 220 мкм, резко снизить глубину залегания p-n-перехода относительно внешнего теплоотвода до величины не более 50 мкм, а также полностью удалить подложку GаАs р-типа проводимости из конечной композиции, имеющую низкую подвижность носителей.
Техническим результатом, достигаемым при этом, являются снижение прямого падения напряжения при заданном токе; уменьшение тепловых потерь; снижение обратных токов утечки при повышенных температурах окружающей среды; повышение рабочей температуры диода; увеличение рабочей плотности тока; уменьшение размеров чипа; повышение процента выхода годного, за счет исключения из технологического процесса изготовления приборов дорогостоящей операции утонения подложки подшлифовкой, которая приводит к частичному бою структур.
+
-
-
+
17
17
-3
+
18
18
-3
+
+
-
-
+
1-x
x
Для достижения названного технического результата предложено использовать разработанный способ получения многослойной гетероэпитаксиальной р-i-n структуры в системе AlGaAs методом ЖФЭ, включающий выращивание в едином технологическом цикле многослойной полупроводниковой структуры GaAs-GaAlAs, сформированной из композиции трех последовательных эпитаксиальных слоев GaAs или GaAlAs на подложке GaAs р-типа проводимости, состоящей из буферного слоя р-типа проводимости, рабочего высокоомного p-i-n слоя и контактного n-слоя, причем буферный р-слой выращивают в виде трехкомпонентной системы GaAlAs, где х=0.36-0.40, с концентрацией носителей в интервале 1⋅10-5⋅10 см, контактный n-слой легируют до концентрации носителей в интервале 2⋅10-5⋅10 см при толщине в интервале 120-150 мкм, а после окончания эпитаксиального наращивания слоев и отмывки структур от остатков раствора-расплава производят операцию селективного полного химического удаления подложки GaAs р-типа проводимости. Разработанный способ, представляющий собой выращивание в едином технологическом цикле многослойной полупроводниковой структуры GaAs-GaAlAs, сформированной из композиции трех последовательных эпитаксиальных слоев GaAs или GaAlAs на подложке GaAs р-типа проводимости, состоящей из буферного слоя р-типа проводимости, рабочего высокоомного p-i-n слоя и контактного n-слоя, отличается тем, что:
x
1-x
x
1-x
17
17
-3
17
-3
17
-3
1. Буферный слой AlGaAs состава х=0,36-0,4 р-типа проводимости выращивают с концентрацией носителей в интервале 1⋅10-5⋅10 см. Выбранный состав буферного слоя определяется тем, что при х<0,36 не обеспечивается достаточная селективность при дальнейшей операции удаления подложки, что приводит к растравам анодной стороны структуры и резкому повышению обратных токов утечки. При составах х>0.4 в системе AlGaAs наблюдается изменение зонной структуры и переход к непрямым зонным переходам, что выражается в значительном снижении подвижности носителей заряда и уменьшении уровня легирования слоя. Это приводит к повышению последовательного сопротивления слоя и значительному ухудшению качества омического контакта. В результате наблюдается резкий рост прямого падения напряжения. Диапазон концентрации носителей заряда определяется тем, что при концентрациях менее 1⋅10 см не обеспечивается достаточная проводимость слоя, что приводит к росту прямого падения напряжения, а при концентрациях более 5⋅10 см наблюдается заметное загрязнение последующего высокоомного слоя вследствие переноса легирующей примеси р-типа, что приводит к значительному снижению значений обратного пробивного напряжения.
+
18
18
-3
18
-3
18
-3
2. Контактный n-слой выращивают толщиной от 120 мкм до 150 мкм с концентрацией носителей в интервале 2⋅10-5⋅10 см. Заданный интервал толщины слоя определяется тем, что при значениях менее 120 мкм не обеспечивается достаточная механическая прочность структуры, необходимая при дальнейших технологических операций, а при толщине более 150 мкм происходит дополнительное увеличение прямого падения напряжения за счет роста последовательного сопротивления. Диапазон концентрации носителей заряда определяется тем, что при концентрациях менее 2⋅10 см не обеспечивается достаточная проводимость слоя, что приводит к росту прямого падения напряжения, а при концентрациях более 5⋅10 см в слое образуются включения второй фазы, содержащие легирующую примесь, что приводит к резкому ухудшению качества поверхности. Также образование такого рода дефектов в эпитаксиальном слое приводит к повышению обратных токов утечки.
3. После окончания эпитаксиального наращивания слоев и отмывки структур от остатков раствора-расплава производят операцию селективного химико-динамического удаления подложки в составах на основе перекиси водорода и аммиака.
Разработанное техническое решение иллюстрировано нижеприведенными примерами реализации.
Пример 1
Получение p-i-n структур GaAs для силовых диодов
Тип 1
+
+
16
-3
Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты. Содержание в растворе-расплаве арсенида галлия определяли из расчета диаграммы состояния Ga-Al-As. Проводили загрузку галлия, компонентов шихты, содержащих диоксид кремния и оксид галлия (III),и подложек GaAs р-типа проводимости в графитовую кассету прокачного типа с вертикальным расположением подложек. Зазор между подложками был выбран 2.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°С выполняли предварительный отжиг растворов-расплавов галлия с компонентами шихты (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 905°С, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs р-типа проводимости и начинали кристаллизацию буферного эпитаксиального слоя GaAs р-типа проводимости толщиной 6 мкм с концентрацией носителей 2⋅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 GaAs p-i-n-слой до температуры 850°С, где опять производили смену растворов-расплавов. Затем выращивали последний функциональный слой - сильнолегированный контактный слой n-типа толщиной 7 мкм. После этого при температуре 840°С эпитаксию прекращали, систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, структуры отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии. Далее структуры в рамках стандартной технологии проходили операцию подшлифовки подложки до общей толщины структуры 380±15 мкм.
Из полученных эпитаксиальных структур были изготовлены кристаллы чипов размером 3,1×3,1 мм. Затем была произведена сборка кристаллов в металлокерамические корпуса КТ-28А-2.02 в количестве 10 штук. Посадка кристаллов осуществлялась анодом на корпус.
Тип 2
Для сравнения проводили процесс, отличающийся тем, что:
x
1-x
17
-3
1. В интервале температур 905-900°С выращивали буферный слой AlGaAs p-типа проводимости, состава х=0,36, толщиной 4 мкм, с концентрацией носителей 2⋅10 см;
2. В интервале температур 900-850°С выращивали основной GaAs p-i-n-слой, по параметрам аналогичный типу 1;
+
18
-3
3. В интервале температур 850-600°С выращивался контактный слой GaAs n-типа, толщиной 130 мкм, с концентрацией носителей 4⋅10 см.
4. Проводилась операция химико-динамического удаления подложки. После этой операции общая толщина структуры составила 200±10 мкм.
Из полученных эпитаксиальных структур были изготовлены кристаллы чипов размером 3,1×3,1 мм. Затем была произведена сборка кристаллов в металлокерамические корпуса КТ-28А-2.02 в количестве 10 штук. Посадка кристаллов осуществлялась анодом на корпус.
Измерения характеристик приборов, полученных в обоих процессах, проводили в при нормальных условиях (Т=25°С) и при повышенной температуре окружающей среды. Значения прямого падения напряжения в зависимости от прямого тока для партии из 10-ти диодов каждого типа приборов приведены в таблице 1. Значения пробивного напряжения и обратного тока и обратного тока утечки в зависимости от температуры окружающей среды приведены в таблице 2.
Как видно из полученных результатов, предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет:
- снизить прямое падение напряжения при заданном токе и, соответственно, уменьшить тепловые потери;
- уменьшить обратные токи утечки при повышенных температурах окружающей среды и, вследствие этого, повысить рабочую температуру диода (пределом работоспособности диода является ток утечки 1000 мкА);
- повысить рабочую плотность тока с возможностью соответствующего уменьшения размеров чипа за счет снижения тепловых потерь.
Кроме этого, в предложенном способе из технологического процесса изготовления приборов исключается дорогостоящая операция утонения подложки подшлифовкой, которая приводит к частичному бою структур и тем самым снижает процент выхода годного, а также вносит дополнительные механические повреждения в структуру, которые в дальнейшем могут приводить к ухудшению основных электрофизических параметров приборов.