КРИСТАЛЛ УЛЬТРАБЫСТРОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВОГО ДИОДА Российский патент 2013 года по МПК H01L29/868 

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.

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 10¹¹ см^-3.

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.

Данная задача достигается тем, что в силовом GaAs диоде, содержащем высоколегированную монокристаллическую подложку 1 р⁺-типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси - 5·10¹⁹ см^-3, примыкающим к ней одного типа эпитаксиальным слоем 2 с плавно изменяющейся концентрацией акцепторной однотипной легирующей примеси от 5·10¹⁹ см^-3 до 10¹¹ см^-3 до границы металлургического перехода на расстоянии не менее 90 мкм от монокристаллической подложки, области 3 с разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси не более 10¹¹ см^-3 и толщиной 5-50 мкм, эпитаксиального слоя 4 n-типа проводимости с плавным изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примеси от 10¹¹ см^-3 до 10¹⁶ м^-3 выполнено следующее:

1). Эпитаксиальный слой 2 p-типа выполнен в виде трех взаимосвязанных эпитаксиальных слоев:

а) p⁺-типа слоя 2.1 толщиной не более 10 мкм с резким изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примеси от 1÷5-10¹⁹ см^-3 до 10¹⁶÷2·10¹⁵ см^-3 (на три-четыре порядка);

б) p-слоя 2.2 с толщиной не менее 10 мкм, с плавно изменяющейся разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей от 10¹⁶÷2·10¹⁵ см^-3 до 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3;

в) p⁺-слоя 2.3 с толщиной не менее 10 мкм с резким изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3 до 10¹¹ см^-3 (на три-четыре порядка);

2). Эпитаксиальный слой 4 n-типа проводимости выполнен в виде трех взаимосвязанных эпитаксиальных слоев:

а) n^--слоя 4.1 толщиной не менее 10 мкм с резким ростом разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10¹¹ см^-3 до 10¹⁵ см^-3 (на четыре порядка);

б) n-слоя 4.2 толщиной не менее 10 мкм с более плавным изменением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10¹⁵ см^-3 до (5÷10)·10¹⁵ 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^-3 примесных атомов на поверхности катодного эпитаксиального слоя n-типа из арсенида галлия.

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 10¹¹ см^-3, 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

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 10¹¹ см^-3, что при технологически заданных толщинах эпитаксиальных слоев анодной и катодной части кристалла, их электрофизических параметров - времени жизни неосновных носителей τ_р, τ_n, диффузионных длин L_p, L_n, 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_пр/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.

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 см² в течение 8÷20 минут с энергией до 7,0 МэВ и плотностью до 1,5·10¹⁵ частиц/см², а также протонами (легирование атомарным водородом) с энергией от 1,0 МэВ до 5МэВ и плотностью потока частиц от 1·10¹⁰ до 1·10¹²/см² 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).

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_rr 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:

силовой диод содержит подложку из арсенида галлия с проводимостью р⁺-типа, легированного Zn до концентрации 1·10¹⁹ см^-3. Толщина подложки составляет 300 мкм, с площадью не менее 20 см².

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 10¹¹ см², 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:

- p1 область, с толщиной 10 мкм, с резким снижением перепада разностной концентрации |N_A-N_D| примесей на 3 порядка (с 10¹⁹ до 10¹⁶ см^-3). 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.

- 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 10¹⁶ до 10¹⁵

см^-3 (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.

- р3 - слаболегированная область толщиной не менее 10 мкм, с резким (до 3-х порядков) перепадом (снижением) концентрации акцепторной примеси до i-области (10¹² см^-3), 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:

- n1 - слаболегированная (до 10¹⁵ см^-3) область, с толщиной не менее 10 мкм, с резким, до 4-х порядков, перепадом концентрации донорной примеси - с 10¹¹ (от i до 10¹⁵ см^-3).

- n2 - слаболегированная (до 10¹⁶ см^-3) область, с толщиной не менее 10 мкм, с плавным перепадом концентрации донорной примеси не более 1 порядка (с 10 до (5÷10)·10¹⁵).

- n⁺ - сильнолегированная (до 5·10¹⁸ см^-3) 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.

Изобретение относится к микроэлектронике. Изобретение обеспечивает улучшение динамических свойств, расширение диапазона рабочих напряжений, увеличение плотности токов, повышение термодинамической устойчивости высоковольтных ультрабыстрых арсенид-галлиевых диодов. Сущность изобретения: в конструкции кристалла арсенид-галлиевого диода в эпитаксиальных анодных и катодных областях структуры профиль концентрации легирующей примеси резко выраженный ступенчатый с резким - плавным - резким убыванием и возрастанием разностной концентрации донорной и акцепторной примесей. Кристалл ультрабыстрого мощного высоковольтного арсенид-галлиевого диода содержит высоколегированную монокристаллическую подложку первого типа проводимости с концентрацией легирующей примеси не менее чем 10¹⁹ см^-3; эпитаксиальный слой первого типа проводимости с областями резкого, плавного, резкого уменьшения разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от уровня концентрации в подложке 10¹⁹ см^-3 до менее чем 10¹¹ см^-3; эпитаксиальный слой с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей 10¹¹ см^-3; эпитаксиальный слой второго типа проводимости с областями с резким, плавным, резким увеличением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 10¹¹ см^-3 до 10¹⁸ см^-3 и более. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного p-i-n арсенид-галлиевого диода, содержащий высоколегированную монокристаллическую подложку первого типа проводимости с разностной концентрацией донорной и акцепторных примесей не менее чем 10¹⁹ см^-3, выполненные на ней эпитаксиальный слой первого типа проводимости толщиной не менее 20 мкм с плавно уменьшающейся разностной концентрацией донорной и акцепторных примесей в направлении от подложки на толщину не менее 20 мкм от значения не менее чем 10¹⁹ см^-3 до значения не более чем 10¹¹ см^-3, область эпитаксиального слоя шириной 5÷50 мкм с разностной концентрацией донорных и акцепторных примесей не более 10¹¹ см^-3, эпитаксиальный слой противоположного, второго типа проводимости толщиной не менее 10 мкм с плавно увеличивающейся разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси от 10¹¹ см^-3 до концентрации не более чем 10¹⁶ см^-3, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона допустимых значений обратного напряжения, плотности рабочего тока, повышения рабочих частот переключения, эпитаксиальный слой первого типа проводимости, прилегающий к подложке, содержит три последовательные области, состоящие из первой высоколегированной буферной антидислокационной области первого типа проводимости толщиной до 10 мкм с резким перепадом разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от уровня концентрации в монокристаллической подложке до 2·10¹⁵÷10¹⁶ см^-3; второй области первого типа проводимости толщиной не менее 10 мкм с плавным снижением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от 2·10¹⁵÷10¹⁶ до 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3 и третьей слаболегированной области первого типа проводимости толщиной не менее 10 мкм с резким уменьшением разностной концентрации легирующей примеси от значений 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3 до значений не более 10¹¹ см^-3; эпитаксиальный слой второго типа проводимости, выполненный на эпитаксиальной области с разностной концентрацией не более 10¹¹ см^-3, содержащий три области: первую слаболегированную область второго типа проводимости толщиной не менее 10 мкм с резким ростом разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от значений менее чем 10¹¹ см^-3 до значений, близких 10¹⁵ см^-3; вторую область второго типа проводимости толщиной не менее 10 мкм с плавным увеличением разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от значений 10¹⁵ до (5÷10)·10¹⁵ см^-3 и третью высоколегированную область второго типа проводимости толщиной не менее 0,3 мкм с резким ростом разностной концентрации донорной и акцепторной примесей до значений не менее чем 10¹⁸ см^-3.

2. Кристалл ультрабыстрого мощного высоковольтного арсенид-галлиевого диода по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальные слои и области первого и второго типов проводимости кристаллической структуры содержат радиационно встроенные кристаллографические включения, рекомбинационные центры, полученные легированием этих областей потоками электронов, протонов больших энергий.