Кристалл ультрабыстрого высоковольтного арсенид-галлиевого диода Российский патент 2023 года по МПК H01L29/868 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к высоковольтным силовым диодам с малым временем восстановления обратного сопротивления и удвоенной рабочей температурой эксплуатации по сравнению с известными кремниевыми (Si), карбид-кремниевыми (SiC) и нитрид-галлиевыми (GaN) мощными силовыми высоковольтными диодами.

Диоды предназначены для нового поколения резонансно-контурных сверхэнергоплотных вторичных источников питания и амплитудно-частотных преобразователей для скоростного электропривода, в частности, для электромобилестроения.

В большинстве высоковольтных мощных преобразователей используются кремниевые (Si) биполярные диоды и карбид-кремниевые диоды Шоттки.

В кремниевых технологиях создания ультрабыстрых высоковольтных диодов для повышенного быстродействия используются радиационные методы обработки активных областей кристалла высокоэнергетичными потоками электронов, протонов, а в некоторых случаях - α-частицами с энергиями до нескольких МэВ.

К недостаткам кремниевых ультрабыстрых диодов следует отнести исключительную зависимость времени восстановления обратного сопротивления от температуры и, соответственно, заряда восстановления, который возрастает в два-три раза, что приходится учитывать при построении преобразователей напряжения и, как следствие, - частота преобразования кремниевых высоковольтных быстродействующих диодов, допустим, при построении трехфазных преобразователей напряжения ограничена одной-двумя сотнями килогерц, тогда как, например, в электромобилях, высокочастотных вторичных источниках питания, например, в преобразователях постоянного напряжения солнечных батарей (solar inverters) до переменного напряжения одно- и трехфазной сети требуются частоты коммутации на порядок-полтора порядка выше.

Кроме того, в кремниевых диодных кристаллах после радиационной обработки высокоэнергетичными частицами резко возрастает паразитное напряжение при прямом включении, что приводит к резкому росту динамических потерь при переключении. Необходимо также отметить низкую стойкость кремниевых ультрабыстрых высоковольтных диодов к di/dt скорости изменения при переключении и сложность реализации коэффициента «формы» импульса тока обратного восстановления с равносторонними по времени фронтами нарастания и спада тока восстановления.

Широко используемые в настоящее время карбид-кремниевые диоды Шоттки для преобразования напряжения одно- и трехфазной сети, обозначаемые как SiC SBD и SiC JBS, также имеют выраженные недостатки, а именно:

- Огромные барьерные емкости, достигающие 30÷50 пикофарад/А в равновесном состоянии, то есть при нулевом напряжении смещения, через которое происходит коммутация тока в высоковольтное (перезарядка барьерной емкости с постоянной времени τ = RC, где С - указанная выше емкость, а R - сопротивление в открытом состоянии);

- У SiC JBS конструкций встроена p-i-n структура, которая включается при напряжениях Uпр. выше 2,8÷2,9 В, а инжекция дырок приводит к катастрофическим отказам из-за больших времен жизни и вероятности перестройки кристаллической решетки диодной структуры из-за «SF» - эффекта;

- С ростом рабочей температуры SiC SBD и SiC JBS при температурах кристалла Tj ≥ 175°C - превращаются в терморезисторы;

- На высоких частотах коммутации резко возрастает динамическое прямое напряжение, то есть при включенном состоянии по току и при напряжении U_пр. ≥ 2,9 В у SiC JBS следует ожидать катастрофический отказ из-за вышеуказанной инжекции дырок, приводящей практически к выгоранию кристалла SiC диода Шоттки.

Из анализа зарубежных и отечественных источников информации наиболее приемлемым ближайшим прототипом является конструкция кристалла, изложенная в патенте РФ № 2472249 с приоритетом от 31.12.2009 г.

Кристалл GaAs силового высоковольтного ультрабыстрого диода, приведенного в патенте РФ 2472249, содержит высоколегированную монокристаллическую подложку первого типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующей примеси не менее чем 10¹⁹см^-3, эпитаксиальный буферный слой первого типа проводимости толщиной не менее 10 мкм с резким перепадом разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от 2⋅10¹⁵см^-3 до 10¹⁶см^-3, второй слой первого типа проводимости с толщиной не менее 10 мкм с плавным снижением разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от 2⋅10¹⁵см^-3 до 10¹⁴ ÷ 10¹⁵ см^-3 и третью слаболегированную область 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 10¹¹см^-3, эпитаксиальный слой второго типа проводимости, выполненный на эпитаксиальной области с разностной концентрацией 10¹¹см^-3, содержащий три эпитаксиальные области - первую слаболегированную область второго типа проводимости толщиной не менее 10 мкм, с резким ростом разностной концентрации донорной и акцепторной примесей от значений менее чем10¹¹см^-3 до значений, близких к 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 см^-3 до (5 ÷ 10)⋅10¹⁵см^-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 10¹⁸см^-3, что показано на Фиг. 1.

А также кристалл GaAs ультрабыстрого диода с целью повышения быстродействия в некоторых случаях легируется радиационными энергетическими, рекомбинационными центрами с помощью потоков высокоэнергетичных электронов и протонов больших энергий.

Недостатками данного решения являются:

1) Отсутствие критериев по толщине, способу создания эпитаксиальной области с разностной концентрацией легирующей примеси не более 10¹¹см^-3, выполняющей ключевую роль при инжекции из высоколегированной области носителей заряда, в данном случае p⁺ - легированной цинком не менее 10¹⁹см^-3.

2) Как известно, чем выше концентрация легирующей примеси, в данном случае - цинка от 10¹⁹см^-3, тем ниже качество эпитаксиальных слоев, выращенных на высоколегированной подложке, в этой связи необходимы сбалансированные решения между сопротивлением подложки, величиной омического сопротивления контакта металл - высоколегированная подложка и уровнем дислокации и кластерных дефектов в подложке.

3) Резкий перепад концентрации донорной примеси во второй зоне n-типа коллекторной области кристалла от 5⋅10¹⁵см^-3 на почти три порядка - до 10¹⁸см^-3 приводит к созданию благоприятной области накопления заряда неосновных носителей перед высоколегированным слоем из-за встроенного тормозящего поля на донорных центрах на границе n⁺ - n^- перехода, которое препятствует экстракции дырок в высоколегированную n⁺-зону и, таким образом, необходимы решения по снижению паразитного фактора тормозящего поля n⁺ -n^- перехода для переноса дырок в рекомбинационную n⁺ - зону, что приведет к увеличению времени восстановления обратного сопротивления, снижению «мягкости» формы тока обратного восстановления и к снижению устойчивости к di/dt и dU/dt.

4) Нет установленной зависимости времени восстановления от такого фактора как разностная концентрация легирующей примеси в эпитаксиальной области с концентрацией примеси < 10¹¹см^-3.

5) Создание высоких пробивных напряжений в диодной GaAs структуре обязательно связано с меза-травлением по периферии активной области, содержащей омические контакты и методом защиты сверхактивной энергетической поверхности GaAs в области меза-перехода.

Техническая проблема заявленного изобретения заключается в решении указанных выше недостатков аналогов.

Технические результаты заявленного изобретения заключаются в:

- Снижении плотности дислокаций в активных эпитаксиальных слоях, что приведет к увеличению пробивных напряжений и повышению устойчивости к di/dt и dU/dt при жестком резонансном переключении диода из-за исключения микроплазм, повышению рабочей температуры GaAs кристалла.

- Применении новых конструктивных, технологических и физических решений по снижению уровня заряда накопления в примыкающей к n⁺ - высоколегированной высокоомной n-области.

- Концентрационном управлении быстродействием диодного кристалла уровнем легирующей примеси в области с концентрацией примеси < 10¹¹см^-3.

- Введении эффективного технологического способа защиты фаски меза-перехода широкозонными диэлектрическими нанослоями.

- Введении специального профиля меза-области кристалла.

Данные технические результаты достигаются тем, что в известном решении конструкции кристалла силового GaAs диода (патент РФ №2472249), содержащего высоколегированную подложку 1 p⁺-типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси 10¹⁹см^-3, примыкающие к ней три последовательных эпитаксиальных слоя 2, 3, 4 с резким изменением концентрации примеси в слое 2 от уровня концентрации примеси в слое 2 от уровня концентрации в p⁺ -подложке до уровня 2⋅10¹⁵ ÷ 10¹⁶см^-3 и толщиной не менее 10 мкм, плавным изменением концентрации акцепторной примеси от 2⋅10¹⁵ ÷ 10¹⁶см^-3 до уровня 10¹⁴ ÷ 10¹⁵ см^-3 в слое 3 толщиной не менее 10 мкм и с резким уменьшением концентрации в слое 4 с 10¹⁴ ÷ 10¹⁵ см^-3 до значений не более 10¹¹см^-3, эпитаксиальный высокоомный слой 5 с разностной концентрацией не более 10¹¹см^-3 с толщиной до 100 мкм и более, эпитаксиальный слой 6 n-типа проводимости с концентрацией донорной примеси не более чем 10¹¹см^-3 до значений, близких к 10¹⁵см^-3, эпитаксиальный слой 7 толщиной не менее 10 мкм с концентрацией донорной примеси в пределах 10¹⁵ ÷ 5⋅10¹⁵ см^-3 и третий n⁺ - типа эпитаксиальный высоколегированный слой 8 толщиной не менее 0,3 мкм с концентрацией донорной примеси не менее 10¹⁸ см^-3, а также выполненные p⁺- локальные, в периодическом порядке области 9, профильную 2-ступенчатую меза-область с ALD защитой 10 и омические контакты 11, а также барьерные Шоттки - контакты 12 на поверхности эпитаксиального слоя 7.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется на Фиг. 2, Фиг. 3, где приводится структура кристалла GaAs p-i-n диода, выполненная на высоколегированной p⁺- типа проводимости монокристаллической подложке GaAs, p⁺ - p - p^- - типа проводимости последовательные эпитаксиальные слои 2, 3, 4 с резким, плавным, резким изменением концентрации акцепторной примеси от концентрации в p⁺ - подложке до уровня менее чем 10¹¹см^-3, высокоомную эпитаксиальную область с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей менее чем 10¹¹см^-3, эпитаксиальную область из трех слоев 6, 7, 8 n^- - n - n⁺ типа проводимости с резким, плавным и резким увеличением концентрации донорной примеси, а также выполненные в n⁺ - области ячеистые p⁺ - области 9, 2-х профильную меза-область 10 с ALD защитой, омические контакты 11 и Шоттки-барьерный слой 12.

Приведенная на Фиг. 2, Фиг. 3 структура силового высоковольтного диодного GaAs кристалла из-за введения более низколегированной p⁺ - подложки обеспечивает резкое снижение плотности дислокаций, дефектов нанокластерного типа и при оптимизации режимов по созданию i-области можно свести к минимуму плотность дефектов в i- слое, практически, плотность дислокаций можно свести до уровня 10¹ ÷ 10² см^-2, что сказывается на достижении практически максимальных значений подвижности электронов до уровня 7800 ÷ 8000 см²/В⋅сек. при достижении исключительно благоприятных значений диффузионных длин дырок L_p до 40 мкм и электронов L_n до 60 мкм, а также, вследствие совершенства структуры слоев максимальная температура кристалла p-i-n GaAs диода достигает рекордных величин до T_j = 300°C, что неосуществимо в мировой практике на всех известных решениях GaAs диодных кристаллов.

Практические результаты получения 15-амперных 600÷800 вольтовых чипов подтверждают, что изменение концентрации амфотерной примеси кремния от значений N_Si = 2⋅10¹⁵см^-3 до уровня 5⋅10¹⁵см^-3 снижает время восстановления с 65 наносекунд при Т_корп.= 150°С до 23÷25 наносекунд.

Введение p⁺ локальных ячеистых областей в n⁺ области позволяет создать экстрагирующие центры неосновных носителей заряда с целью снижения общего объемного заряда в n⁺- и прилегающей к ней n-области.

Шоттки-барьеры - это практически энергетические шунты n⁺-n переходного слоя, где из-за перераспределения концентрации носителей создается тормозящее для дырок поле через изотипный переход n⁺-n типа («+» заряд на ионизированных диодных центрах в n⁺ - области и «-» заряд от избытка электронов под n⁺ - областью в приграничной n - области).

Для устранения паразитной роли встроенного тормозящего для дырок слоя перехода n⁺-n типа вводится мультиячеистая область с локальными барьерными Шоттки - слоями, которые экстрагируют дырки на принципах дрейфа в области пространственного заряда барьера Шоттки (зоны изогнуты вверх), чем резко снижается накапливаемый вблизи n⁺ - области заряд p-типа носителей.

Двухступенчатое травление выполняется последовательно с применением 2-х фотолитографических процессов, с использованием кислотоустойчивых фоторезистов типа ФП-25 и других, выдерживающих растворы травителей на основе серной кислоты (H₂SO₄), перекиси водорода (H₂O₂) и воды (H₂O) для глубокого и полирующего травления меза-профильной фаски в специальной оснастке с применением магнитомешалок.

В процессе экспериментов на ALD установках типа “Beneq” и “Picosun” (производства Финляндии) были получены очень хорошие результаты по защитным свойствам нанослоев Al₂O₃/AlN и других соединений.

Исключительно важное значение имеет контактное сопротивление омического контакт на основе AuGe - Ni - Au с ρ = 10^-5 ÷ 10^-6 Ом⋅см, получаемое электронно-лучевым способом.

В качестве Шоттки-барьерного слоя использовалась ALD-платина (Pt) с максимальной работой выхода около 5,2 эВ, что усиливало экстрагирующие свойства по отношению к неосновным носителям заряда.

600÷800 - вольтовые p-i-n GaAs кристаллы, обработанные пучками высокоэнергетичных электронов, протонов, показали впечатляющий результат по времени восстановления обратного сопротивления на уровне 10÷12 наносекунд, что ниже декларируемых времен восстановления у SiC диодов Шоттки (15 наносекунд) при подавляющем преимуществе по значениям емкости перехода в 20÷30 раз в пользу p-i-n GaAs диода и, следовательно, предельных частот коммутации, что позволяет говорить об уходе от устаревшей ШИМ-модуляции в сторону резонансно-контурной.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к высоковольтным силовым диодам с малым временем восстановления обратного сопротивления и удвоенной рабочей температурой эксплуатации. Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного p-i-n арсенид-галлиевого диода содержит высоколегированную монокристаллическую подложку первого типа проводимости, выполненные на ней эпитаксиальный слой первого типа проводимости, содержащий три последовательные области при этом эпитаксиальные слои выполнены на подложке первого типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей не менее 10¹⁸ см^-3, между эпитаксиальными слоями первого и второго типа проводимости толстая, до 100 мкм, с минимизированным количеством дефектов переходная i-область с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей менее чем 10¹¹ см^-3, вторая область второго типа проводимости выполнена с плавным увеличением разностной концентрации донорной и акцепторной легирующей примеси от 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁷ см^-3 и толщиной до 100 мкм, с содержанием в высоколегированном третьем эпитаксиальном слое второго типа проводимости локальных системных ячеистых высоколегированных областей первого типа проводимости с толщиной области первого типа проводимости, меньшей, чем толщина высоколегированного эпитаксиального слоя второго типа проводимости, с содержанием вокруг активной катодной зоны кристалла профильной двухступенчатой меза-области с глубиной залегания от поверхности высоколегированного эпитаксиального слоя первого профиля меза-фаски, меньшей, чем общая суммарная толщина эпитаксиальных слоев второго типа проводимости и i-слоя, при этом глубина травления второй меза-фаски достигает высоколегированной подложки первого типа проводимости, с атомно-слоевой защитой поверхности профильной меза-области диэлектриками Al₂O₃, или AlN. Изобретение обеспечивает снижение плотности дислокаций в активных эпитаксиальных слоях и повышению устойчивости при жестком резонансном переключении диода, а также повышение рабочей температуры. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного p-i-n арсенид-галлиевого диода, содержащий высоколегированную монокристаллическую подложку первого типа проводимости с разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси, выполненные на ней эпитаксиальный слой первого типа проводимости, содержащий три последовательные области, вторую область второго типа проводимости, с плавным увеличением разностной концентрации и третью высоколегированную область второго типа проводимости, имеющую омические контакты к высоколегированным областям первого и второго типа проводимости, отличающийся тем, что эпитаксиальные слои выполнены на подложке первого типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей не менее 10¹⁸ см^-3, между эпитаксиальными слоями первого и второго типа проводимости толстая, до 100 мкм, с минимизированным количеством дефектов переходная i-область с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей менее чем 10¹¹ см^-3, вторая область второго типа проводимости выполнена с плавным увеличением разностной концентрации донорной и акцепторной легирующей примеси от 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁷ см^-3 и толщиной до 100 мкм, с содержанием в высоколегированном третьем эпитаксиальном слое второго типа проводимости локальных системных ячеистых высоколегированных областей первого типа проводимости с толщиной области первого типа проводимости, меньшей, чем толщина высоколегированного эпитаксиального слоя второго типа проводимости, а также с содержанием вокруг активной катодной зоны кристалла профильной двухступенчатой меза-области с глубиной залегания от поверхности высоколегированного эпитаксиального слоя первого профиля меза-фаски, меньшей, чем общая суммарная толщина эпитаксиальных слоев второго типа проводимости и i-слоя, при этом глубина травления второй меза-фаски достигает высоколегированной подложки первого типа проводимости, с атомно-слоевой защитой (ALD) поверхности профильной меза-области диэлектриками Al₂O₃, или AlN.

2. Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного p-i-n арсенид-галлиевого диода по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легирующей, одновременно донорной или акцепторной примеси используются либо атомы кремния, либо атомы германия, при этом диапазон используемых концентраций атомов кремния или атомов германия находится в пределах от концентрации менее чем 10¹¹ см^-3 до концентрации 3⋅10¹⁷ см^-3.

3. Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного p-i-n арсенид-галлиевого диода по п. 1, отличающийся тем, что высоколегированная эпитаксиальная область второго типа проводимости содержит внутри себя открытые участки ячеистого типа эпитаксиального слоя второго типа проводимости с концентрацией на поверхности до 10¹⁷ см^-3, на которых выполнены локальные барьерные переходы Шоттки, в том числе без наличия высоколегированных локальных областей первого типа проводимости.

4. Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного p-i-n арсенид-галлиевого диода по п. 1, отличающийся тем, что активная область кристалла из эпитаксиальных слоев второго типа проводимости содержит радиационно-активные центры, полученные легированием потоками частиц больших энергий, таких как α-частицы, протоны или электроны.