ДРЕЙФОВЫЙ ДИОД С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой импульсной электронике, в частности к конструкции чипов диодных размыкателей тока на основе карбида кремния (дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ)), и может быть использована в полупроводниковых прерывателях тока индуктивного накопителя в генераторах высоковольтных импульсов субнаносекундного диапазона.
Короткие субнаносекундные электрические импульсы используют в различных областях современной техники, таких как сверхширокополосная радиолокация, электромагнитное противодействие, релятивистская СВЧ-электроника, питание лазеров и ускорителей, подземная радиолокация и т.д. [И.В. Грехов, Г.А. Месяц. - Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов. - Успехи физических наук, т. 175, №7, с. 735-744, 2005). Для импульсной техники необходимы быстродействующие ключи-размыкатели, способные к тому же блокировать большое напряжение, генерируемое на нагрузке.
+
+
+
+
+
+
o
o
2
o
В настоящее время в качестве полупроводникового ключа-размыкателя субнаносекундного диапазона перспективной разработкой является ДДРВ на основе карбида кремния политипа 4Н (4H-SiC). Известна конструкция 4H-SiC диода с меза-эпитаксиальной р-р-n(подложка)-структурой, для которой был продемонстрирован субнаносекундный обрыв обратного тока (И.В. Грехов, П.А. Иванов, А.О. Константинов, Т.П. Самсонова. О возможности создания диода со сверхрезким восстановлением запирающих свойств на основе карбида кремния. Письма в журнал технической физики, т. 28, вып.3, с. 24-29, 2002). В диодах такой конструкции на пластине 4H-SiC n-типа проводимости с последовательно выращенными эпитаксиальными слоями р-типа и р-типа сформирована меза-структура, омический контакт к р-слою, омический контакт к n-слою. Поверхность 4H-SiC за пределами металлических контактов покрыта пассивирующим слоем термического окисла SiO. В данном варианте конструкции р-слой, в котором накапливаются инжектированные прямым током неосновные носители, одновременно выполняет роль блокирующей обратное напряжение базы.
Известному диоду присущи следующие недостатки:
o
- во-первых, требуется глубокое травление (на всю толщину блокирующей p-базы) для формирования электрически изолированных меза-диодов;
o
- во-вторых, низкая подвижность основных носителей (дырок) в блокирующей базе p-типа снижает быстродействие диода;
- в-третьих, существует трудно разрешимая проблема с формированием эффективной охранной системы для предотвращения преждевременного краевого пробоя.
Проблема формирования охранной системы для предотвращения преждевременного краевого пробоя существует для различных типов высоковольтных диодов на основе 4H-SiC: силовых диодов Шоттки, ДДРВ и др. Она эффективно может быть решена с помощью охранной системы из плавающих (делительных) охранных колец. Так, известен высоковольтный диод на основе карбида кремния (патент RU165463, МПК H01L 29/861, опубликован 15.03.2016), представляющий из себя диод Шоттки с охраной из плавающих охранных колец р-типа проводимости, расположенных в компенсированной р-примесью приповерхностной области эпитаксиального слоя n-базы. Диоды такой конструкции предназначены для работы в качестве силовых высоковольтных диодов.
+
15
-3
16
-3
+
19
-3
+
o
o
2
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к настоящему техническому решению является дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния политипа 4Н (патент RU 156013, МПК H01L 29/861, опубл. 27.10.2015), включающий сильнолегированную подложку n-типа проводимости, на которой последовательно эпитаксиально выращены n-слой с концентрацией примеси (1-10)⋅10 см и толщиной 10-100 мкм, р-слой с концентрацией примеси (1-10)⋅10 см и толщиной 1-10 мкм, р-слой с концентрацией примеси порядка 10 см и толщиной 1-3 мкм; травлением р- и р-слоев сформирована меза-структура. В n-слое за пределами р-слоя имплантацией сформированы локальные р-области (охранные кольца). На верхней стороне меза-структуры и нижней стороне подложки сформированы омические контакты. Поверхность меза-структуры за пределами металлических контактов покрыта слоем термического окисла SiO. Толщины эпитаксиальных слоев и концентрации примесей в них определены, исходя из заданных значений скорости нарастания фронта импульса и максимального обратного напряжения диода.
+
+
o
o
o
o
В такой р-р-n-n(подложка)-структуре область накопления электронно-дырочной плазмы и блокирующая область полностью разделены: р-слой служит плазменным ʺрезервуаромʺ (неравновесные носители в него накачиваются коротким импульсом прямого тока), а слаболегированный n-слой блокирующей базой. Восстановление р-n-перехода происходит в отсутствии неосновных носителей в блокирующей базе n-типа, что предопределяет ʺрезкийʺ характер восстановления блокирующей способности перехода при переключении с прямого направления на обратное: обрыв обратного тока происходит за времена менее 1 нс.
Главным недостатком известного ДДРВ-прототипа является то, что охранные кольца, предназначенные для предотвращения преждевременного краевого пробоя обратно-смещенного диода, увеличивают его активную площадь, а это приводит, в свою очередь, к увеличению электрической емкости диода и снижению его быстродействия. При этом совершенно очевидно, что чем меньше площадь диода без охранных колец (площадь анодного контакта), тем больший относительный вклад в общую емкость диода будут вносить охранные кольца. То есть наличие охранных колец затрудняет конструирование сверхбыстродействующих диодов малой площади. Другим недостатком ДДРВ-прототипа с охранными кольцами является его технологическая сложность, связанная с необходимостью формирования как меза-структуры, так и охранных колец за пределами этой меза-структуры. Следствием этого является высокая стоимость конечных приборов.
Задачей настоящей полезной модели является разработка дрейфового диода с резким восстановлением на основе карбида кремния, который имел бы уменьшенную емкость и увеличенное быстродействие при упрощении технологии его изготовления.
+
+
+
+
+
5
o
o
o
Поставленная задача решается тем, что дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния политипа 4Н включает сильнолегированную подложку n-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены слаболегированный слой n-типа проводимости, слой р-типа проводимости и сильнолегированный слой р-типа проводимости. На верхней стороне слоя р-типа проводимости и нижней стороне подложки сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты. Новым в ДДРВ является формирование в р-, р- и n-слоях за пределами контура анодного омического контакта полуизолирующей области толщиной, равной активной толщине прибора (сумме толщин ри р-слоев, а также толщины области пространственного заряда, формируемой в n-слое при максимальном обратном напряжении), с электрическим сопротивлением не менее 10 Ом⋅см.
+
+
+
+
+
o
o
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, на котором изображен в поперечном разрезе дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния политипа 4Н. Диод включает пластину 1 из 4H-SiC n-типа проводимости с выращенными на ней эпитаксиальными слоем 2 n-типа проводимости, слоем 3 р-типа проводимости и слоем 4 р-типа проводимости. На слое 4 р-типа проводимости сформирован анодный омический контакт 5, а на нижней стороне пластины 1 из 4H-SiC n-типа проводимости сформирован катодный омический контакт 6. В слое 2 n-типа проводимости, слое 3 р-типа проводимости и слое 4 р-типа проводимости за пределами анодного омического контакта 5 сформирована полуизолирующая область 7.
Толщины эпитаксиальных слоев 2, 3, 4, концентрации примесей в них, толщину полуизолирующей области 7 и площадь анодного омического контакта 5 определяют, исходя из заданных значений параметров генерируемых импульсов.
o
o
o
В настоящем ДДРВ полуизолирующая область 7 не влияет на емкость диода, так как является диэлектриком. В настоящем диоде отсутствуют меза-структура (нет необходимости в глубоком травлении), система охранных колец (нет необходимости в сложной технологии ее формирования) и термический окисел (нет необходимости в длительном процессе окисления). Таким образом, настоящая конструкция диода, с одной стороны, существенно проще конструктивного решения диода-прототипа. С другой стороны, наличие полуизолирующей области 7 эффективным образом снижает напряженность электрического поля на крае анодного омического контакта 5 при обратном смещении диода, что повышает напряжение пробоя (Создание полуизолирующей области 7 устраняет концентрацию силовых линий электрического поля на крае анодного омического контакта 5 при обратном смещении диода, так что пространственное распределение электрического поля в области пространственного заряда (ОПЗ) становится квазиодномерным. Если толщина эпитаксиального слоя n-типа проводимости - n-базы выбрана равной ширине ОПЗ при максимальном обратном напряжении на диоде, а полуизолирующая область 7 полностью перекрывает n-базу, то в такой конструкции напряжение пробоя диода может быть приближено к теоретическому пределу).
Было экспериментально установлено, что полуизолирующая область 7, сформированная, например, облучением высокоэнергетичными частицами, не вносит дополнительного вклада в емкость прибора. Активная площадь в настоящем ДДРВ определяется площадью анодного контакта. По сравнению с диодом-прототипом, емкость настоящего ДДРВ может быть уменьшена при сравнимой блокирующей способности диодов в обратном направлении.
+
+
+
15
-3
16
-3
+
19
-3
+
+
o
o
Пример. В соответствии с формулой полезной модели были изготовлен дрейфовый диод с резким восстановлением на основе 4H-SiC пластины с эпитаксиальной р-р-n-n(подложка)-структурой. Удельное сопротивление n-подложки составляло 0,02 Ом⋅см, а ее толщина 370 мкм. Выращенный с помощью газофазной эпитаксии n-слой имел толщину 20 мкм и концентрацию доноров 5⋅10 см; р-слой имел толщину 3 мкм и концентрацию акцепторов 4⋅10 см, р-слой имел толщину 2 мкм и концентрацию акцепторов 2⋅10 см. На p-слое и обратной стороне n-подложки были сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты: верхний анодный омический контакт - круглый (диаметром 250 мкм), нижний катодный омический контакт - сплошной. За пределами верхнего круглого анодного омического контакта была сформирована полуизолирующая область облучением высокоэнергетичными частицами с длиной пробега в карбиде кремния 10 мкм. Также был изготовлен известный диод-прототип с охранными кольцами.
Емкость настоящего дрейфового диода и емкость диода-прототипа с охранными кольцами при нулевом напряжении на аноде составили соответственно 8 пФ и 14 пФ. Настоящий дрейфовый диод с резким восстановлением показал лучшее быстродействие при одинаковой амплитуде генерируемых импульсов.