ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТИРИСТОР С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
HIGH-VOLTAGE HIGH-TEMPERATURE QUICK-ACTING THYRISTOR WITH FIELD CONTROL

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к конструированию высоковольтных высокотемпературных сильноточных быстродействующих тиристоров с полевым управлением, работающих при повышенных обратных напряжениях, больших плотностях тока, высокой рабочей температуре и высоком быстродействии.
Тиристоры с полевым управлением используются в преобразовательной технике с повышенной частотой переключения и высокими значениями скоростей нарастания обратного напряжения.
Известны конструкции кремниевых тиристоров с полевым выключением, которые описаны в ряде источников информации, они имеют высокое быстродействие - несколько десятков килогерц - частоту коммутации, высокую скорость нарастания напряжения dU/dt, низкие падения напряжения в открытом состоянии.
Такие конструктивные решения показаны в таких работах, как «Field-Controlled Thyristor (ЕСТ) - A New Electronic Component» D.T.Houston, S.Krishna, D.Piccone, R.J.Finke, Y.S.Sun - International Electronic Devices Meeting, Washington, D.C. 1975 (1); «Физика тиристоров» А.Блихер, Ленинград, Энергоиздат, 1981, стр.118 (2), но наиболее близким по эффективности и конструктивному исполнению прототипом является конструкция тиристора в научно-техническом отчете по научно-исследовательской работе (НИР) «Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением в открытом состоянии», выполненном Отделением твердотельной электроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, г.Санкт-Петербург по договору №9/05 от 01.03.2005 г., стр.4 (3).
Приведенный прототип (3)тиристора с полевым управлением имеет большие предельные плотности тока в сотни ампер на квадратный сантиметр при напряжениях обратного пробоя 1200 В и прямую вольтамперную характеристику, практически аналогичную вольтамперной характеристике прямосмещенных кремниевых диодов с типовой отсечкой 0,75÷0,85 В (3).
++
-
-
-
-
+
+
-
+
+
+
+
+
Конструкция известного прототипа состоит из монокристаллической кремниевой анодной подложки p типа, высоколегированной акцепторной примесью, например бором, эпитаксиального тонкого буферного слоя противоположного типа проводимости n-типа, легированного донорной примесью, например фосфором или сурьмой, тонкого высокоомного эпитаксиального слоя n-типа, слаболегированного донорной примесью, например фосфором, локально выполненных в приповерхностном слое n-эпитаксиальной области или в приповерхностных канавках данной эпитаксиальной n-области диффузионных высоколегированных акцепторной примесью (бором) p-областей (затворов), находящихся на конструктивно-расчетном расстоянии друг от друга, но не менее двух-трех дебаевских длин кремниевого p-n перехода, локально выполненного тонкого высоколегированного, например фосфором, n-слоя катодной части структуры, расположенного между затворными p-областями. По внешнему периметру локальных p-зон сформированы единая внешняя p-зона с делительными p или p кольцевыми областями, представляющими конструкцию планарного p-n перехода или вытравленную меза-область с соответствующей защитой планарного или мезапланарного p-n перехода. К анодной, катодной и затворной части выполнены металлические невыпрямляющие контакты. Недостатком такой структуры является недостаточно высокое быстродействие, невысокая, ≤175°С, рабочая температура кристаллической структуры тиристора, сильная зависимость скорости переключения тиристора от рабочей температуры в активных областях структуры, резкое возрастание динамических потерь переключения при регулировке времени жизни неосновных носителей в периферийных областях и центральной базовой области радиационными технологиями, например легирование (облучение) потоками высокоэнергетичных электронов и протонов, особенно последних, с заданными длинами свободного пробега в кристаллической решетке и дозами облучения. При этом резко, в несколько раз, возрастает прямое падение напряжения в открытом состоянии, что снижает динамические свойства тиристорного ключа.
Цель изобретения - резкое, в несколько раз, увеличение быстродействия тиристора с полевым управлением, резкое повышение рабочей температуры кристалла в 1,5÷2 раза, повышение в несколько раз радиационной стойкости, увеличение стойкости к dU/dt и dI/dt скоростям нарастания токов и напряжений в режиме жесткого резонансного переключения.
Принципиально поставленная цель достигается тем, что взамен кремниевого кристалла тиристорной структуры с полевым управлением используются арсенид-галлиевая (GaAs) структура или комбинированная гетероструктура арсенид галлия-алюминий-арсенид галлия (GaAs-AlGaAs).
+
19
-3
-
14
-3
+
+
18
-3
Конструктивное решение данной задачи заключается в том, что, в отличие от известного решения [3] тиристорной структуры с полевым управлением, содержащего монокристаллическую подложку p-типа проводимости 1, легированную акцепторной примесью с концентрацией атомов не менее чем 10 см, буферный эпитаксиальный слой n-типа 2 со значительно большей концентрацией донорной примеси, чем в последующем базовом высокоомном эпитаксиальном слое n-типа 3, слаболегированным примесью донорного типа, например 10 см, мелкозалегающие области n-типа проводимости 5, выполненные между локальными p-областями 4, с концентрацией легирующей донорной примеси не менее чем 10 см, выполнено следующее:
+
+
-
19
-3
11
-3
1. На подложке p-типа проводимости выращивается предварительный эпитаксиальный слой с доминирующей примесью акцепторного типа и состоящий из трех взаимосвязанных p-р-р типа проводимости областей с резким (на три порядка), плавным (в несколько раз, но не более, чем полтора порядка) и снова резким (три-четыре порядка) ступенчатым снижением разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от уровня концентрации акцепторов и доноров в подложке (не менее чем 10см) до уровня разностной концентрации акцепторной и донорной примеси не более 10сми толщиной не менее 20 мкм.
+
-
11
-3
2. На поверхности эпитаксиального слоя p-р-р типа проводимости выращивается дополнительный предварительный i-слой - область 7 разностной концентрацией акцепторной и донорной примеси не более 10 смтолщиной от 5 до 50 мкм.
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
+
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, где показаны р-подложка 1, p-р-р эпитаксиальный слой 6, эпитаксиальная i-область 7, эпитаксиальный буферный n-типа слой 2, эпитаксиальный n-типа слой 3, локальные области p-типа проводимости 4, локальные n-типа области 5. Профили легирования в структуре на фиг.1 по осям сечений А и В приведены на фиг.2, 3. В приведенной на фиг.1 структуре максимальные рабочие обратные напряжения обеспечиваются конструктивным исполнением p-n перехода в катодной части тиристорной структуры с полевым управлением образованными областями 3, 4, электрофизическими параметрами слоев 7, 2, 3, расстоянием между р-областями 4, глубиной залегания области n-типа 5 и рядом других факторов. При правильном подборе глубины залегания р-n перехода p-затвора, расстояний между p-затворами с учетом дебаевской длины  рассчитывается эффективность канала.
-
Область i или p-i-n область позволяет регулировать величину концентрации и толщину буферного слоя, а при оптимальном соотношении концентраций легирующей примеси, времен жизни, диффузионной длины неосновных носителей может сравняться по электрофизическим свойствам с n высокоомным слоем и быть его составной частью без существенного снижения значений максимальных напряжений блокирования на тиристоре с полевым управлением (на фиг.2, 3 пунктиром приведено такое распределение концентрации примеси в зоне 2).
+
+
+
-
-
+
+
-
+
Как видно из фиг.1, в прямовключенном состоянии при нулевом смещении на затворе pтакая структура эквивалентна прямовключенному p-p-р-р-n-n-n GaAs диоду, в котором плотность электронно-дырочных пар эквивалентна распределению таких пар в кремниевых р-n-n-n диодов.
р
p
-
-
+
Отсечка прямой характеристики у GaAs диодов начинается с 1,1÷1,12 В с резким нарастанием тока при увеличении прямого смещения на p-n переходе. Наклон (или угол роста тока) такой вольтамперной характеристики определяется коэффициентом инжекции дырок прямосмещенного p-n перехода, толщиной, омностью, τи L барьерного n-слоя и высокоомного слоя базы n-типа проводимости и резким влиянием сопротивления прикатодного n-n канала, образованного между затворными областями.
+
+
+
+
-
T
Сопротивление прикатодного  канала будет зависеть от расстояния между p-затворами, которое диктуется электрическими параметрами цепей управления, т.е. напряжение отсечки прикатодного канала n-n не должно превышать разумных значений, к примеру при каскодном управлении тиристора полевым транзистором с изолированным затвором данная величина не должна превышать 30 В. Исходя из этого, ширина n-n канала будет равна нескольким длинам Дебая (ширина ОПЗ при собственном потенциале φ на p-n переходе), но ни в коем случае не меньше
'
+
'
+
Для уменьшения сопротивления канала может быть введена вторая буферная n-зона 8, которая легирована на 2-3 порядка и более слабее, чем n-область катода 5, при этом глубина залегания n-зоны 8 значительно меньше глубины залегания р-n перехода затвора СИТ тиристора.
-
Указанная на фиг.1 структура при каскадновключенном полевом транзисторе с полевым МОП-затвором и правильном подборе электрических цепей в затворной части может позволить создать ключ, эквивалентный IGBT кремниевому транзисторному ключу, но при этом практически на той же площади чипов (плотность тока через СИТ структуру тиристора из-за глубины и эффективности модуляции n базового слоя в 2÷3 раза выше, чем у IGBT транзистора) можно создавать быстродействующие ключи с частотой преобразования в 5÷10 раз выше, чем у IGBT, при этом не проигрывая по падению напряжения в открытом состоянии. Т.е. возможно создание эффективного конкурента кремниевого MOSFET транзистора (меньшая емкость управления, в 25 и более раз меньше сопротивление в открытом состоянии, одинаковое быстродействие), при этом указанная структура принципиально отличается от последнего. Это отличие состоит в том, что при рабочей температуре около 100÷150°С частота коммутации GaAs тиристора с полевым управлением остается практически неизменной, в то время как частота переключения MOSFET падает на 30÷50%, а при 175°С - это уже не ключ.
Частотные и динамические свойства при переключении указанной структуры улучшаются при облучении:
15
12
-2
- высокоэнергетичными электронами с энергией 1÷7 МэВ и плотностью потока 10÷10см;
15
12
-2
- высокоэнергетичными протонами с энергией от 0,8 МэВ до 3 МэВ и плотностью потока от 10÷10см,
10
12
-2
- высокоэнергетичными альфа-частицами с энергией от 0,5 МэВ до 2 МэВ, при плотности потока от 10 до 10 см.
15
12
-2
При этом было установлено, что при облучении электронами до 1 МэВ и плотностью до 10÷10смв высокоомной области формировались мелкозалегающие ловушечные центры.
При более высоких энергетических потоках образовывались рекомбинационные центры на большой глубине залегания (ближе к середине запрещенной зоны).
12
-2
При облучении протонами с энергией от 5 МэВ и альфа-частицами от 3 МэВ с плотностью потока 10 см высокоомная n-область GaAs меняла свои свойства, при этом возрастало объемное сопротивление, а на поверхности n-области GaAs образовывался полуизолирующий слой (область).
Создание данного приповерхностного полуизолирующего слоя позволяло снизить напряженность электрического поля на поверхности р-n перехода. При высокоэнергетичных облучениях тяжелыми частицами - протонами и альфа-частицами в кристаллической решетке арсенида галлия происходят ядерные реакции, следствием чего является небходимость выдержки образцов в течение длительного времени для устранения индуцированной радиоактивности. Структуры отжигались после облучения при Т=250÷350°С.
-
-
Исследования обработки GaAs структур высокоэнергетичными пучками электронов, протонов и α-частицами (легирование потоками водорода и гелия) показало существенную разницу в значениях прямого падения напряжения на анодном р-i-n переходе; если у кремния оно возрастает в несколько раз, то у GaAs в 1,15÷1,5 раза, т.е. при правильном подборе технологических параметров радиационной обработки комбинированными электронно-протонными потоками или электронами - α-частицами можно добиться исключительных динамических свойств СИТ. При правильном подборе профилей распределения радиационно-имплантированных атомов водорода и гелия в кристаллическую решетку GaAs СИТ-тиристора в наиболее критических зонах распределения неосновных носителей, в таких как прикатодная (затворная) область, областях n-i и i-р-р СИТ тиристорной GaAs структуры.
+
+
-
+
-
-
-
-
-
-
Предварительные исследования показали, что имеются дополнительные технологические конструктивные решения, сильно влияющие на динамику тиристорного ключа с полевым управлением, в частности, это связано с использованием взамен n-GaAs катодной области 5 структуры на основе n или n типа проводимости гетероструктуры на основе AlGaAs. Такая структура вследствие большой ширины запрещенной зоны на 0,2÷0,4 В, чем у n-GaAs, будет иметь повышенную способность инжекции электронов из приповерхностной n или n-катодной зоны в n-канал, связывающий катодную область с n-базой, с инжекцией более горячих и более быстрых электронов из гетероперехода. Эффективная масса инжектированных из гетеропереходов электронов выше (в 1,2÷1,3 раза), чем у электронов в n-базе GaAs и, следовательно, они слабее рассеиваются на ловушечных центрах кристаллической решетки в n-базе, тем самым способствуя более эффективному и быстрому созданию электронно-дырочной плазмы в n-базе и более глубокой модуляции проводимости базового выпрямительного n-слоя СИТ-тиристора.
+
-
+
-
+
При сшивании зонных диаграмм n(n) AlGaAs и n GaAs очевидно, что в зоне проводимости на границе гетероперехода возникает потенциальный барьер в 0,2÷0,4 В, а в валентной зоне разрыв ничтожно мал - несколько кТ. Это показывает, что в прилегающей зоне гетероперехода (т.е. в канале) образуется повышенная концентрация электронов, перемещенных из n(n) зоны AlGaAs с большой энергией в n-зону GaAs с меньшей энергетической зоной, эти электроны выполняют роль модулятора высокоомного канала прикатодной области. Еще одно очень необходимое качество вносится гетероструктурой AlGaAs n(n)-типа, оно заключается в том, что величина прямого падения напряжения на открытом тиристоре снижается на величину потенциального барьера в области гетероперехода, т.е. на величину около 0,3 В, а это очень значительно, т.е. приводит к улучшению динамических свойств СИТ структуры при переключении.
Структура кристалла создается следующим образом (конкретный пример).
+
9
-3
+
11
11
-3
+
18
-3
Методом LPE технологии на подложке р-типа GaAs, легированной цинком (концентрация акцепторной примеси около 3·10см) диаметром 2÷3 дюйма выращиваются эпитаксиальные GaAs слои - p-слой с уменьшением концентрации на три порядка и более от подложки с толщиной порядка 7÷10 мкм, затем р-слой со средней концентрацией акцепторной примеси до 10 и менее. Затем выращивается толстая эпитаксиальная зона, так называемая i-область с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей не более 10см. На ней выращивается тонкий буферный эпитаксиальный n-слой, на поверхности которого выполняется тонкий n-слой с концентрацией не менее чем 10 см.
+
-
+
-
+
2
Данные эпитаксиальные слои легируются теллуром, оловом или др. Методом имплантации атомов цинка и термической диффузии в локальные участки на поверхности эпитаксиального слоя катода, создаются р-зоны, а также кольцевые области планарного перехода (или планарный переход). В случае наращивания гетероструктуры AlGaAs на поверхности n-слоя концентрация доноров увеличивается незначительно или остается равной в объеме. При необходимости не периферии планарного p-n перехода создается меза-область с глубиной выравнивания до p-зоны анода и пассивируется фотоимидом или другими защитными покрытиями для стабилизации высоковольтных областей верхнего и нижнего р-n переходов (затвор-база и база-анод). В этом еще одно преимущество данной структуры перед кремниевыми IGBT, т.е. она способна выдерживать обратные броски напряжения на СИТ-тиристоре, т.е. при включении, например, на индуктивную нагрузку в анодной цепи, когда запасенная энергия Е=LI/2 создает условия для обратной полярности на аноде.
Контакты к анодной, катодной и затворной областям структуры создаются на основе систем следующих атомных соединений: Si, Au, Ge, Ti, Ni, Ag и др. с толщиной от сотен нанометров до нескольких тысяч.
Технико-экономическое преимущество данных тиристорных структур с полевым управлением заключается в том, что они могут полностью вытеснить функциональные аналоги - электронные ключи на основе кремниевых IGBT и MOSFET и создать условия для разработки значительно более эффективных преобразователей в диапазоне токов до 1,0 кА, напряжений до 1200 В и частот коммутации 0,3÷1,0 МГц.