Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p-n переходами Российский патент 2023 года по МПК H01L29/872 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности, к высоковольтным гипербыстровосстанавливающимся диодам с удвоенной рабочей температурой эксплуатации по сравнению с гипербыстрыми кремниевыми и карбид-кремниевыми диодами, с комплексным униполярно-биполярным механизмом проводимости с созданием сверхплотной, сверхпроводящей электронно-дырочной плазмы при прямом включении, включая дифференциальное отрицательное сопротивление (ДОС) прямой вольт-амперная характеристика (ВАХ) с явлением лазерного охлаждения кристалла.

Диоды нового комплексного униполярно-биполярного типа проводимости в прямовключенном состоянии с временем восстановления в наносекундном диапазоне в разы меньшим чем у SiC SBD (650 В) или SiC JBS (1200 В) и высокой частотой коммутации предназначены для новейшего поколения силовых высоковольтных преобразователей с новой схемотехнической архитектурой в таких важнейших областях энергосберегающих и «зеленых» технологий как солнечная энергетика (solar inverters), ветроэнергетика, радиационно стойкие ВИП для АЭС, электромобилестроение (ВИП, «двигатель – колесо»), бортовое энергообеспечение для авиакосмической техники (удвоенная температура эксплуатации, частота коммутации, радиационная стойкость), что позволяет резко (в разы) снизить массогабаритные размеры систем электропитания с применением силовых скоростных преобразователей напряжения с оптической и лазерной развязкой.

Как известно, в высоковольтных мощных силовых преобразователях, в частности, до 1700 В (75% мирового рынка силовой ЭКБ) используются кремниевые ультрабыстрые биполярные высоковольтные диоды (Si UFRED) фирм “Microsemi”, “IXYS” (США) и др., гипербыстрые кремниевые биполярные диоды (например, Si HyperFRED) с рабочими напряжениями до 600 ÷ 650 В (“Power Integrations”, США), ультрабыстрые кремниевые силовые диоды Шоттки до 200 ÷ 250 В (“Vishay”, США), а также SiC SBD до 650 В производства компаний “Cree”, США; “Infineon”, Германия и др. с частотами до нескольких мегагерц и временами восстановления до 15 наносекунд или SiC JBS производства этих же компаний (диоды Шоттки с p⁺ электроупрочняющими локальными областями в барьерной Шоттки – зоне) на 1200 В, 1700 В с временами от 30 наносекунд (1200 В) и более.

К недостаткам силовых кремниевых ультрабыстровосстанавливающихся диодов относятся большие прямые падения напряжения из-за обязательного применения радиационных технологий обработки кристалла с целью увеличения быстродействия с значительной потерей при этом удельного токосъема при прямом включении.

Необходимо отметить и давно известный недостаток кремниевых ультра- и гипербыстрых диодов – это резкая зависимость заряда восстановления от роста рабочей температуры; так, к примеру, при T_case = 25°C и T_case = 100°C объемный заряд Q_rr и, соответственно, время восстановления увеличиваются в 2,5 раза, т.е. это приводит к пропорциональному падению частоты преобразования.

Силовые Si SBD имеют конструктивно-технологическое исполнение в лучшем случае до 200 ÷ 250 В, например, производства компании Vishay Intertechnology Inc. (Vishay), США (фактически с Белорусскими интеллектуальными истоками), они также ограничены по рабочей температуре кристалла (T_j ≤ 150 ÷ 175°C) и имеют времена восстановления обратного сопротивления до τ_rr ~ 20 наносек. (25°С), а при напряжениях свыше 300 В они не конкурентоспособны не только по прямому падению напряжения (основное преимущество диодов Шоттки/SBD), но и по быстродействию. Так, например, Si SBD на 1200 В будет иметь прямое падение напряжения, сопоставимое с алмазными SBD (U_F ~ 8 ÷ 10 В), что неприемлемо для силовых преобразователей.

SiC SBD на рабочие напряжения U_RRM = 650 В хороши для преобразования на частотах вплоть до нескольких мегагерц, но есть очевидные недостатки, а именно – сверхбольшая емкость в равновесном состоянии и, из-за малой подвижности электронов, - невысокая проводимость σ = qnμ_n, вследствие этого достаточно малое значение τ_rr ≤ 15 наносек. теряет значимость, поскольку чаще всего на частоту коммутации влияет RC – цепь, где R – сопротивление/проводимость диода при прямом включении, С – емкость барьерного перехода в равновесном состоянии.

Кроме всего прочего, у SiC SBD есть и другой существенный недостаток, а именно: либо они имеют обратные рабочие напряжения U_RRM = 600 или 650 вольт, либо это уже не SBD, а, к примеру, SiC JBS. По этой причине невозможно реализовать на SiC монокристаллах диоды Шоттки, допустим, на 100 ÷ 500 В или 700 ÷ 1000 В, в результате чего на рынке силовой ЭКБ они занимают в лучшем случае определенную коммерческую нишу.

Говорить о GaN UFRED или HyperFRED – пока беспочвенно в силу того, что разработки Китая, США, Японии и других стран начиная с 2016 г. не имеют коммерческого выхода. Что касается «борного» алмазного SBD, то выше уже сказано, что такие диоды с U_F = 8 ÷ 10 В нет смысла применять в преобразователях (сверхнизкие КПД), кроме того, они «текут» при обратных напряжениях при температуре чипа свыше T_j ≥ 300°C. Надежды, связанные с созданием снижающих U_F нитрид-галлиевых слоев под барьером Шоттки на алмазе решают частично задачу на мелких слаботочных кристаллах (при рабочих температурах из-за ТКР возникают огромные тензонапряжения между слоями алмаза и нитрида галлия, которые отличаются на порядок).

В результате анализа зарубежных и отечественных научно-технических источников информации в качестве ближайшего прототипа выбрана конструкция кристалла высоковольтного силового карбид-кремниевого диода Шоттки с p-n локальными переходами, по западной классификации – SiC JBS диод, например, серии C3D10÷50120H. Данная конструкция диода является основополагающей для выпуска SiC JBS диодов в объеме сотни тысяч штук в месяц в крупнейших мировых фирмах – производителях силовой электроники, таких как “Cree”, “Microsemi”, “IXYS” (все - США), “Infineon” (Германия) и др.

Кристалл SiC JBS содержит монокристаллическую SiC подложку n⁺ - типа проводимости, выращенный на ней 10 ÷ 20 мкм n-слой монокристалла SiC, барьер Шоттки с мультивключениями p⁺ локальных областей на поверхности n-слоя, шунтирующих барьер Шоттки. p⁺-слои конструктивно предназначены для повышения пробивных напряжений SiC JBS. Но у SiC JBS диодов кроме вышеперечисленных проблем, которые присутствуют у 600 ÷ 650 вольтовых SiC SBD, добавляется проблема срабатывания мультиячеистого p⁺ - n перехода при напряжениях U_F ≥ 2,8 ÷ 2,9 В (что продиктовано собственным потенциалом на p-n переходе $$$$$${\phi }_T=\frac{kT}{q}\ln \frac{N_A}{N_D}$$,

где N_A – концентрация акцепторной примеси в p⁺ - локальных областях, а N_D – концентрация донорной примеси в эпитаксиальном n – слое SBD.

При включении p-i-n структуры SiC JBS – выходят из строя («горят как спички») из-за сверхнизкой подвижности дырок в n-области SiC кристалла, а это практически неизбежно при бесконтрольном росте рабочей температуры (при рабочих температурах кристалла
T_j > 175°C SiC JBS превращаются по сути дела в терморезистор), уровня токов за пределами области безопасной работы (прямая ОБР) или с ростом частоты коммутации (> 1,0 МГц), когда резко возрастает высокочастотное значение прямого падения напряжения
(U_{F ВЧ} > 2,9 В).

Техническая проблема заявленного изобретения заключается в создании универсальной конструкции гиперскоростных высоковольтных силовых диодов с минимальными значениями прямого падения напряжения, сверхнизкими временами восстановления обратного сопротивления, увеличением удельной плотности рабочих токов и удвоением рабочей температуры эксплуатации.

Технический результат заключается в решении указанной технической проблемы.

Технический результат достигается тем, что в известной конструкции кристалла высоковольтного сильноточного диода с барьером Шоттки и p-n переходами с униполярной проводимостью, катодная часть которого содержит высоколегированную кремниевую или карбид-кремниевую монокристаллическую подложку 1 n⁺- типа проводимости с выполненным на ней эпитаксиальным слоем 2 n-типа проводимости, а анодная часть содержит мультиячеистые p-n переходы 3 в приповерхностном объеме n-типа эпитаксиального слоя и барьер Шоттки 4 на поверхности эпитаксиального слоя n-типа проводимости с электрическим контактом к p-областям p-n перехода, с электроупрочняющими концентрическими расширенным электродом 5 или меза-канавками, или охранным p-типа кольцом, или делительными p-типа кольцами по периферии активной анодной области кристалла 6, омические контакты 7, выполнено следующее:

1. Катодная часть кристалла, содержащая монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальные слои – монослой 2 или гетерослои 9, выполненные из арсенида галлия или атомов галлия, мышьяка и алюминия, обеспечивающих комплексную униполярно-биполярную проводимость в прямовключенном состоянии.

2. Анодная часть кристалла содержит электрические взаимосвязанные параллельные мультиячейки полевого транзистора 8 с объединенным затвором (ТОЗ) в виде p⁺-n переходов с омическим контактом к p⁺-области, p⁺-типа проводимости гетерослоя 10 из атомов галлия, мышьяка и алюминия, тонкого монослоя арсенида галлия 11 p⁺-типа проводимости, электрически связанные через омический контакт 7 с p⁺-областями 3 и электрически через омический контакт соединенные с локальными истоковыми областями ТОЗ с барьером Шоттки 4.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, где приводятся:

- Сильнолегированная арсенид-галлиевая подложка 1, эпитаксиальный арсенид-галлиевый монослой n-типа проводимости 2, взаимосвязанные p⁺-области p-n переходов 3, ячеистые барьеры Шоттки 4, расширенный электрод 5, периферийная n-приповерхностная область 6, омические контакты 7, ячейка полевого транзистора с объединенным затвором в виде p⁺-n перехода 8, гетероэпитаксиальные слои AlGaAs:

n⁺-типа 9, p⁺-типа 10, тонкий моноэпитаксиальный слой n⁺-типа проводимости 11.

Приведенная на Фиг. 1 структура высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода впервые в мировой практике показывает возможность реализации двухстадийной комплексной униполярно-биполярной проводимости в диодной структуре при обратных напряжениях до 1200 вольт и выше.

В силу специфики электрофизических параметров, таких как важнейшие характеристики – подвижность электронов (μ_n), реализовать уникальные свойства униполярно-биполярного диода с рабочими напряжениями свыше 300 В на таких промышленных материалах как кремний или карбид кремния – невозможно. В первом случае – из-за сверхбольших напряжений в открытом состоянии (U_F), во втором – из-за сверхнизкой подвижности дырок и “SF” – эффекта, приводящего к разрушению гексагональной 4H-SiC или 6H-SiC кристаллических структур карбида кремния.

Что касается нитрида галлия, то в силу специфики сэндвич-структур на материнских подложках SiC/AlN или (еще хуже) Si-SiC-AlN, реализация вертикальной структуры GaN UFRED или HyperFRED пока невозможна, хотя появляется фундаментальная тринитридная технология создания вертикальных материнских структур GaN и AlGaN/GaN с последующим использованием высоколегированных монокристаллических подложек GaN n⁺- типа для силовой ЭКБ. Но эти работы еще не завершены. Уделять внимание высоковольтным GaN SBD или GaN p-i-n диодам горизонтального исполнения пока не следует, поскольку, несмотря на ряд публикаций по созданию подобных структур в США, Японии, Китае, на мировом рынке к 2022 году не было ни одного высоковольтного GaN SBD или p-i-n диода.

В итоге, главное достижение предполагаемого изобретения – это интеграция в одном кристалле моно- и гетерокристаллов арсенида галлия двух диодных структур – диода Шоттки и p-i-n диода с уникальным достижением одновременно гиперскоростей переключения и исключительно низких значений (а в случае гетероэпитаксиального исполнения даже ниже чем у интегрированного диода Шоттки) прямых падений напряжений U_F, стремящихся к значениям меньше чем 0,7 ÷ 0,8 В, типовых для GaAs или SiC диодов Шоттки, сверхнизкий уровень прямых напряжений, в частности, при ДОС на прямой ВАХ.

Принцип работы заключается в следующем:

Исходя из подбора ширины истоковой области (расстояние между p⁺ - затворами), определяемое как $$L\ge 2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_D}}$$, где εε₀ – диэлектрическая постоянная арсенида галлия,

U – приложенное обратное напряжение, q – заряд электрона, а N_D – концентрация доноров при прямом смещении от 0,7 ÷ 0,8 вольт на интегральной Шоттки и p-n диодной структуре, появляется термоэмиссионный ток от катода к аноду, в данном случае электронов, с увеличением прямого напряжения свыше 1,0 В включается p-i-n диод вследствие инжекции дырок в n-области катода. При этом создаются условия резкого снижения сопротивления в n-слое комплексной диодной структуры.

При создании гетерослоя n⁺-типа в катодной области реализуется изотипный n⁺-n типа диодный гетеропереход, и в этом случае механизм переноса электронов в барьер Шоттки в пределах 0,7 ÷ 1,0 В носит инжекционный характер и плотность тока диода Шоттки возрастает в разы, а при создании гетероструктуры p⁺-типа в анодной области происходит одновременная инжекция электронов и дырок из гетерообластей при резком падении напряжения на диодной структуре в целом из-за разности подвижности электронов и дырок в n-слое GaAs практически на порядок. Вследствие этого накопленный заряд электронов в области транзистора с объединенным затвором (ТОЗ) структуры экранирует и снижает потенциал катодной области, приводя к эффекту дифференциального отрицательного сопротивления (ДОС).

При обратном смещении срабатывает формула $$L=2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_D}}$$, вследствие чего истоковая область перекрывается областью пространственного заряда (ОПЗ), что приводит к усилению пробивных напряжений в зоне барьер Шоттки – катодная область. Это имеет огромное значение и с позиции быстродействия, поскольку значение емкости диодной структуры уменьшается практически на порядок при снижении прямого сопротивления диода в несколько раз.

Конкретный пример изготовления GaAs кристалла по предполагаемому изобретению состоит в следующем:

- На монокристаллической n⁺-GaAs толстой подложке диаметром 76 мм (три дюйма) выращивается LPE методом n-типа эпитаксиальный слой толщиной от 10 до 50 мкм в зависимости от значений пробивного напряжения (от 300 до 1200 В) с уровнем легирующей донорной примеси от 10¹⁴см^-3 до 10¹⁵см^-3.

- На поверхности n-GaAs слоя выращиваются или моно-GaAs p⁺-слои (локальным осаждением в вытравленные ПХТ методом канавки или методом диффузии атомов Zn через маску нитрида кремния с последующей ХДП полировкой на установке Logitech, Шотландия) до уровня n-слоя с удалением фоновой примеси цинка и созданием затворных p⁺-областей ТОЗ и одновременно анодной инжекционной области. Барьер Шоттки в виде системы Ni-GaAs или Ti-GaAs (Ni и Ti обладают наименьшей работой выхода, немного больше чем 4,0 эВ, при создании барьера Шоттки).

- Омические контакты создаются на основе системы Au-Ge/Ni/Au в процессе напыления, «взрывной» фотолитографии и гальванического осаждения Au толщиной до 4.0 мкм.

- В качестве защиты используется ALD нанослоевой Al₂O₃ с последующим нанесением фотоимида.

- Гетерослой n⁺-типа проводимости создается LPE методом.

- p⁺-типа гетеро- и монослой создается MOCVD способом путем осаждения в локальные щелевые области.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p⁺-n переходами с униполярной проводимостью, катодная часть которого содержит высоколегированную монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с выполненным на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, а анодная часть содержит мультиячеистые p⁺-n переходы в приповерхностном объеме n-типа эпитаксиального слоя и барьер Шоттки на поверхности эпитаксиального слоя n-типа проводимости, омические контакты к p⁺-областям p⁺-n перехода и барьеру Шоттки. Согласно изобретению кристалл диода выполнен на основе арсенида галлия и гетероструктур на его основе с комплексной униполярно-биполярной проводимостью в прямовключенном состоянии, катодная часть которого содержит высоколегированную n⁺-типа проводимости арсенид-галлиевую монокристаллическую подложку, выполненный на ней эпитаксиальный арсенид-галлиевый монокристаллический слой n-типа проводимости, а анодная часть кристалла содержит электрические взаимосвязанные параллельные мультиячейки полевого транзистора с объединенным затвором (ТОЗ) в виде p⁺-n переходов с омическим контактом к p⁺-области, p⁺-типа проводимости гетерослоя из атомов галлия, мышьяка и алюминия, тонкого монослоя арсенида галлия p⁺-типа проводимости, электрически связанные через омический контакт с p⁺-областями и электрически через омический контакт соединенные с локальными истоковыми областями ТОЗ с барьером Шоттки. Изобретение обеспечивает создания конструкции гиперскоростных высоковольтных силовых диодов с минимальными значениями прямого падения напряжения, сверхнизкими временами восстановления обратного сопротивления, увеличением удельной плотности рабочих токов и удвоением рабочей температуры эксплуатации по сравнению с известными быстро восстанавливающимися диодами. 3 ил.

Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p⁺-n переходами с униполярной проводимостью, катодная часть которого содержит высоколегированную монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с выполненным на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, а анодная часть содержит мультиячеистые p⁺-n переходы в приповерхностном объеме n-типа эпитаксиального слоя и барьер Шоттки на поверхности эпитаксиального слоя n-типа проводимости, омические контакты к p⁺-областям p⁺-n перехода и барьеру Шоттки, отличающийся тем, что кристалл диода выполнен на основе арсенида галлия и гетероструктур на его основе с комплексной униполярно-биполярной проводимостью в прямовключенном состоянии, катодная часть которого содержит высоколегированную n⁺-типа проводимости арсенид-галлиевую монокристаллическую подложку, выполненный на ней эпитаксиальный арсенид-галлиевый монокристаллический слой n-типа проводимости, а анодная часть кристалла содержит электрические взаимосвязанные параллельные мультиячейки полевого транзистора с объединенным затвором (ТОЗ) в виде p⁺-n переходов с омическим контактом к p⁺-области, p⁺-типа проводимости гетерослоя из атомов галлия, мышьяка и алюминия, тонкого монослоя арсенида галлия p⁺-типа проводимости, электрически связанные через омический контакт с p⁺-областями и электрически через омический контакт соединенные с локальными истоковыми областями ТОЗ с барьером Шоттки.