КРИСТАЛЛ СИЛОВОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ДИОДА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ И p-n ПЕРЕХОДАМИ Российский патент 2023 года по МПК H01L27/00 

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, в частности, к ультрабыстровосстанавливающимся температуростойким диодам с униполярно-биполярным механизмом проводимости при прямом включении, включая наличие дифференциального отрицательного сопротивления (ДОС) на прямой вольт-амперной характеристики (ВАХ).

Новое конструктивное решение униполярно-биполярного диода с сверхмалым начальным прямым падением напряжения в проводящем состоянии (до 0,15 В), в то время как у типовых SiC или GaAs SBD начальное прямое падение U_F0 имеет значения 0,7 ÷ 0,8 В, и c пикосекундным быстродействием предназначено для высокочастотной преобразовательной техники в таких областях как ВЧ финишные выпрямители во вторичных источниках питания взамен громоздких синхронных выпрямителей на Si МОП- транзисторах (Si-MOSFET), а также в различных статических преобразователях, IPM электроприводе в паре с комплементарными n-типа SBD, электромобильных преобразователях и других применениях.

В современных мощных силовых преобразователях, в частности, высоковольтных на 600, 1200, 1700 В используются кремниевые биполярные Si UFRED (кремниевые диоды Шоттки Si SBD используются в преобразователях не выше 110 В), а также SiC SBD и SiC JBS с временами восстановления 15, 30 наносекунд.

Кремниевые SBD имеют, как правило, предельные напряжения до 200 ÷ 250 В (на примере ведущей в этой зоне рынка фирмы “Vishay”, США, поскольку при напряжениях пробоя до 600 В прямое падение напряжения в Si SBD достигнет значений алмазных SBD, т.е. 5 ÷ 10 В.

SiC SBD имеют практически фиксированные значения пробивного напряжения - U_R = 600, 650 В, что связано с проблемой создания качественных эпитаксиальных слоев карбида кремния в начальном микронном интервале выращивания эпитаксиального слоя и наличием дефектности в толстых эпитаксиальных слоях SiC (> 6 ÷ 8 мкм), что требует введения защитных встроенных локальных участков с p-n переходами.

Вышеперечисленное дает понимание по ограничению диапазона рабочих напряжений и токов в Si SBD, SiC SBD и JBS. Добавим, что Si SBD фирмы “Vishay” с потолком рабочих напряжений до 250 В имеют значительные времена восстановления до τ_rr = 20 нс.

На мировом рынке также имеются GaAs SBD фирм “IXYS” (США) и TT Electronics - Semelab Ltd. (Semelab) (Великобритания) с максимальным пробивным напряжением 250 ÷ 300 В, но они, в силу проблем с MOCVD эпитаксией, имеют, как мы видим, ограничения по рабочим напряжениям, предельным токам (до 15 А) в прямом направлении и имеют большие (до 1,5 ÷ 2,0 В) прямые падения напряжения и большие барьерные емкости.

Появляющиеся публикации о GaN SBD, начиная с 2016 г., не имеют коммерческого выхода; это связано с тем, что GaN SBD, в отличие от Si SBD, SiC SBD, GaAs SBD, имеют «горизонтальную» конструкцию, т.е. анодная (SB-барьер) и катодная часть (n⁺ - область) выполнены на поверхности сложных гетерослоев Si-SiC-AlN или SiC-AlN нанопленочных структур, которые имеют огромное рассогласование постоянных кристаллических решеток как по тензомеханическим напряжениям, так и по ТКР (тепловому коэффициенту расширения). По этой причине говорить о рынке силовых GaN SBD-пока бессмысленно. Что касается diamond SBD, то пока такие диоды имеют прямые остаточные напряжения - от 5,0 до 8,0 В, хотя появляется «просвет» в виде гетеросистемных алмазно-нитрид-галлиевых SBD с прямыми напряжениями до 2,0 В, но, в силу гигантской разницы ТКР алмаза и GaN, ожидать конкуренции с новыми, предложенными в заявке конструкциями SBD с p-i-n переходами - в текущем десятилетии пока невозможно, тем более с температурой барьерного p-n переходного слоя до + 300°С (T_j ≥ 300°C), хотя алмаз как кристалл сохраняет свои свойства при температуре красного свечения, т.е. при T_кр.> 800°С.

Доминирующими на рынке высоковольтных диодов Шоттки являются SiC SBD и SiC JBS, но необходимо отметить, что они не закрывают диапазон рабочих напряжений от 250 В до 500 ÷ 550 В, а также от 650 В до 1150 В.

То есть речь идет о создании диодов Шоттки с однофазной цепью с напряжением U_AC = 110 В, а также в значительной степени с U_AC = 220 В для преобразователей спецназначения (до 800 В).

Важнейшее значение имеет минимизация значений прямого падения напряжения, эквивалентного или меньшего чем значения прямого падения напряжения в синхронных выпрямителях в инверторах/конверторах с высокочастотным ШИМ преобразованием и с последующим переходом на АЧМ - ВЧ преобразование. В предлагаемой конструкции диода Шоттки с встроенными в барьерную SB область p-n переходами данная проблема успешно решается.

Исходя из анализа зарубежных и отечественных источников информации, в качестве прототипа выбрана конструкция кристалла диода Шоттки с p-n переходами (в зарубежных средствах информации имеет классическое обозначение SiC JBS) на основе 4H-SiC монокристаллов, которые выпускаются рядом крупнейших мировых производителей, таких как “Wolfspeed” (ранее “Cree”), “IXYS”, “Microsemi” (США), “Infineon” (Германия), “STMicroelectronics” (Франция - Италия) и др.

В качестве конструктивного аналога выбраны кристаллы SiC JBS диодов серии C4D02 ÷ 4012D и С3D10 ÷ 50120H (“Wolfspeed”/”Cree”).

Кристалл SiC JBS содержит микрокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости, 10 ÷ 20 мкм эпитаксиальный слой, выращенный на ней хлоридным или металлоорганическим способом, барьерный слой, как правило, из системы Ti/Al или других с низкой работой выхода электрона в вакуум (вблизи 4 эВ) - первого контактного слоя, мультиячеистые p⁺ - области на поверхности n-слоя, а также электроупрочняющие конструктивные элементы в виде экранных или делительных колец p-типа проводимости или расширенного электрода по периметру активной области SiC JBS кристалла.

Недостатками такой конструкции являются:

1). Большие емкости барьерного перехода, достигающие в сильноточных кристаллах уровня нанофарады.

2). Сильная зависимость прямой ВАХ от температуры кристалла, когда по существу после температуры кристалла T_j = 150 ÷ 175°C это не диод, а терморезистор.

3). При превышении прямого падения напряжения (на прямовключенной ВАХ) выше чем 2,8 ÷ 2,9 вольт, т.е. собственного потенциала ϕ_Т p⁺ - n перехода, в диоде появляется дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией из p⁺ - области параллельного барьеру Шоттки p-i-n перехода, что приведет к резкому, на порядок и более, росту накопленного заряда в катодной n-области. Это означает, что при ВЧ коммутации накопленный заряд будет опасно остаточным и приведет к разрушению (выгоранию) SiC JBS. Накопление заряда будет обусловлено сверхмалой подвижностью дырок μ_p в рабочей n-типа эпитаксиальной области кристалла.

4). Даже на малых частотах коммутации (до 30 кГц), например, в IPM инверторах электропривода при инжекции дырок из p-n перехода в n-области возникают опасные явления перестройки кристаллической гексагональной решетки 4H-SiC в другой политип вследствие так называемого разрушительного “SF” - эффекта, приводящего к катастрофическим отказам. По этой причине практически нет биполярных высоковольтных ключей на 4H-SiC кристаллах (GTO, IGBT, BiT, p-i-n диодов и др.).

Основными целями предполагаемого изобретения являются: создание новой, практически недоступной на мировом рынке, надежной конструкции скоростных высоковольтных диодов Шоттки с рекордно сверхмалыми прямыми падениями напряжения до уровней 0,1÷0,3 вольта, увеличенной (в разы) удельной плотностью тока в максимальных режимах в прямовключенном состоянии, с удвоенной рабочей температурой эксплуатации.

Решение этой задачи достигается тем, что в известной конструкции кристалла силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами, содержащей высоколегированную кремниевую или карбид-кремниевую монокристаллическую подложку n⁺ - типа проводимости с выполненными на ней рабочим эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, на поверхности которого выполнены контактно связанные барьерный металлический слой и мультиячеистые p-n переходы с электроупрочняющими концентрическими расширенным электродом или охранными кольцами p-типа, или делительными кольцами p-типа по периферии анодной области кристалла, омические контакты выполнено следующее (Фиг. 1):

1. Базовой подложкой 1 является высоколегированный p⁺-типа монокристалл арсенида галлия с концентрацией примеси не менее чем 5⋅10¹⁸ см^-3.

2. На поверхности подложки 1 выполнен буферный p-типа проводимости эпитаксиальный слой 2 с резким перепадом концентрации легирующей примеси от уровня концентрации в подложке 1 до концентрации 10¹⁵÷ 10¹⁶ см^-3 и толщинами не менее 5,0 мкм.

3. На поверхности буферного слоя 2 p-типа проводимости выполнен второй рабочий эпитаксиальный слой 3 p-типа проводимости с концентрацией примеси от 10¹⁴ до 10¹⁶ см^-3.

4. На поверхности рабочего слоя 3 выполняется третий эпитаксиальный слой 4 p-типа проводимости с концентрацией примеси до 10¹⁷см^-3 и толщиной 10÷100 нанометров.

5. На поверхности нанослоя 4 выполняются мультиячеистые p-n переходы с n⁺ - катодной областью 5 и локальные Шоттки барьерные слои 6.

6. На поверхности катодной области с барьерами Шоттки 6 и n⁺ - областями 5, а также на поверхности p⁺ - подложки 1 в анодной части выполнены омические контакты 7.

7. По периферии активной катодной области выполнена глубокая меза-область 8 с защитным ALD покрытием 9 на основе широкозонных диэлектриков Al₂O₃, AlN толщиной 2 ÷ 15 нанометров.

Приведенная на Фиг. 1 структура кристалла силового диода с барьером Шоттки и p-n переходами показывает возможность создания диодных структур на основе p-типа GaAs с барьером Шоттки и встроенными в барьерную область p-n переходами, т.е. диодов с комбинированной униполярно-биполярной проводимостью, что позволяет, создание диодов с ДОС прямой ВАХ и в конечном приближении возможно, при больших уровнях биполярной двухсторонней инжекции, достижение прямых падений напряжения до уровней U_F→ 0 В.

Ранее мы показали, что достижение таких свойств на высоковольтных SiC JBS невозможно (среднее значение U_F в SiC JBS при значениях прямых рабочих токов составляет 1,3÷1,5 В, в нашем случае значения U_F будут как минимум на полпорядка меньше).

Предшествующие экспериментальные результаты измерений барьерного потенциала на примере барьера Бардина (Au-n-GaAs; Au-p-GaAs; Au-n-GaP; Au-p-GaP) показали разницу в величинах барьерного потенциала в системах барьер Шоттки - n-типа A_IIIB_V (AlN) и p-типа A_IIIB_V (AlN) в 1,7 раза в пользу уменьшения барьерного потенциала ϕ_SBp или ϕ_SBn/ϕ_SBp≈ 1,7; т.е., к примеру, среднее значение барьерного потенциала в системе барьер Шоттки - n-GaAs при концентрациях 10¹⁵см^-3 составляет около 0,7 ÷ 0,75 В (многое зависит от плотности поверхностных зарядовых состояний на границе раздела барьер Шоттки/полупроводник), то при той же концентрации U_Fp составит ≈ 0,4 ÷ 0,45 В, а, допустим, при концентрации N_А = 10¹⁶cм^-3 значения U_F снизятся в два раза, что исключительно важно для создания конверторов и инверторов с ВЧ преобразованием.

Исключительно важное значение имеет подбор барьерного металла исходя из величин работы выхода электронов в вакуум, в частности, наибольшую работу выхода А (эВ) из наиболее технологически удобных металлов имеет платина Pt, где A_Pt = 5,3 эВ; A_Au = 4,7 эВ; A_Ni = 4,5 эВ; A_Al = 4,25 эВ; A_Ti = 4,0 эВ. Необходимо отметить также и сплавы, такие как эвтектика Au-Ge, имеющая работу выхода около 3,8 эВ.

Другими словами, наиболее приемлемыми барьерными металлами для p-типа GaAs являются Ni, Ti и Au-Ge.

Применение Au-Ge возможно только при наличии областей экранирующего пространственного заряда с ограничением токов утечки, снижения плотности состояний на границе раздела Au-Ge-GaAs, что возможно только при смещении экстремальной напряженности электрического поля вглубь полупроводника, что и предусмотрено встраиванием в конструкцию барьера Шоттки мультиячеистых p-n переходов (точнее, n⁺-p переходов) с созданием структуры, идентичной ТОЗ, т.е. полевого JFET транзистора с объединенным затвором. В таком случае, варьируя концентрацию акцепторной примеси в рабочем слое и глубину p-n перехода, мы сможем задавать максимально допустимые напряжения пробоя (блокирования) на диоде Шоттки.

Как известно, исходя из удельного сопротивления (σ_p = qpμ_p), значения удельного сопротивления при одном и том же уровне концентраций (вплоть до 10¹⁷см^-3) различаются в 4 ÷ 10 раз (различие на порядок при N_D = N_A = 10¹⁵cм^-3), но необходимо учесть, что энергия лавинной ионизации в p-GaAs превосходит энергию лавинизации в n-GaAs приблизительно в два раза (соотношение ≈ 2,7/1,4 эВ). Т.е. естественно, что разумно создание «p-канальных» униполярно-биполярных диодов Шоттки для ВЧ выпрямления в пределах концентраций N_A = 10¹⁵÷ 10¹⁷см^-3, т.е. с напряжениями от 50÷100 В до 800 В.

Явление ДОС прямой ВАХ будет наблюдаться в нормально включенном состоянии Шоттки диодной структуры, на которой будет наблюдаться снижение барьерного перехода ϕ_SBp, т.е. улучшение условий для туннелирования дырок через барьер ϕ_SBp. Рост тока приведет к общему росту прямого напряжения на барьерном переходе. При достижении U_F ≥ 1,0÷1,05 В включится инжекционный n⁺-p переход. В этом случае электроны «зальют» потенциальную энергетическую яму ϕ_SBp под барьером Шоттки и с включением встречной инжекции со стороны p⁺-p перехода в рабочем канале возникнет сверхплотная ЭДП - плазма (электронно-дырочная плазма).

В этих условиях высота ϕ_SBp может быть нивелирована и может достигнуть сверхмалых значений порядка 0,1÷0,2 В при огромных плотностях токов.

При коммутации или переключении диода с открытого состояния на обратное накопленный заряд электронов будет вытекать через катодные области Шоттки-барьера и p-n переходов, а дырочный заряд беспрепятственно за ≈ 10^-12 сек релаксирует в анодную область структуры, поскольку дырки являются основными носителями в эпитаксиальный слоях p-GaAs.

Известно, что рабочие температуры p-i-n GaAs диодов, полученных методом ЖФЭ, достигают уровня Т_j = 300°C, в нашем случае очевидно, что температура «p-канального» диода Шоттки с уровнем лавинизации ≈ 2,7 эВ будет не меньшей.

При обратном смещении под катодной областью возникнет область пространственного заряда (ОПЗ), ширина которой $$L=\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_A}}$$, где

ε - диэлектрическая проницаемость GaAs (~ 12);

ε₀ - абсолютная диэлектрическая постоянная;

q - заряд электрона;

N_A - концентрация акцепторной примеси.

Следовательно, для экранирования от пробоя барьера Шоттки необходимо соблюдать условие, чтобы ОПЗ не ограничивала термоэмиссионный в комбинации с туннелированием прямой ток через барьер Шоттки и в то же время экранировала рост электрического поля на барьерном переходе при обратном смещении.

Условие смыкания ОПЗ в ТОЗ вытекает из условия L - ширины канала под барьером Шоттки между n⁺ - областями, где $$$$L>$$2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_0{\phi }_T}{q{N}_A}}$$,

где ϕ_T -собственный потенциал n⁺ - p перехода и рассчитывается по формуле:

$${\phi }_T=\frac{kT}{q}\ln \frac{N_D}{N_A}(эВ)$$ , где:

k - постоянная Больцмана;

T - температура по Кельвину;

N_D - концентрация донорной примеси в n⁺ - слое;

N_A - концентрация акцепторной примеси в рабочем канале.

Таким образом экранируется пробой в барьерной области.

С учетом того факта, что GaAs - единственный полупроводник, где эпитаксиальный слой - лучше подложки, конкретный пример изготовления GaAs кристалла по предполагаемому изобретению состоит в следующем:

На исходной p⁺ - GaAs подложке, легированной цинком с уровнем концентрации не менее 5⋅10¹⁸ см^-3 (из условий σ_p = qpμ_p) выращиваются методом жидкофазной эпитаксии в градиентном интервале температур 550÷850 °С в кварцевом реакторе в среде H₂ из расплава Ga и GaAs слои:

p⁺ - буферный слой;

p - слой для создания рабочего слоя

с перепадом концентраций от 5⋅10¹⁸÷10¹⁹ см^-3 до (1÷2)⋅10¹⁵ см^-3, на поверхности которых создается новый эпитаксиальный однородный слой в пределах 2⋅10¹⁵÷10¹⁷см^-3 (в зависимости от уровня рабочих напряжений).

Высоколегированный слой создается в виде МЭШ структурной сетки (классической топологии для кремниевых СВЧ транзисторов) с гексаугольными или квадратными областями внутри МЭШ - ячеистых областей. Высоколегированный слой выполняется диффузией кремния из газовой фазы мышьяка при T = 900 ÷ 1100°C.

В качестве контакта Шоттки выбран Ti, в качестве омических контактов на катодной области и анодной области - система Au-Ge-Ni-Au.

Для увеличения пробивного напряжения используются либо охранные, делительные кольца, расширенный электрод в случае планарного исполнения кристалла, либо меза-область; в любом случае используется ALD - защита (Atomic Laye Deposition) из нанослоев Al₂O₃ + AlN с последующим слоем фотоимида ф. Fuji (Япония).

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, в частности, к ультрабыстровосстанавливающимся температуростойким диодам с униполярно-биполярным механизмом проводимости при прямом включении, включая наличие дифференциального отрицательного сопротивления (ДОС) на прямой вольт-амперной характеристики (ВАХ). Техническим результатом является создание новой надежной конструкции скоростных высоковольтных диодов Шоттки с рекордно сверхмалыми прямыми падениями напряжения до уровней 0,1÷0,3 вольта. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кристалл силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами, содержащий высоколегированную кремниевую или карбид-кремниевую базовую монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с выполненным на ней рабочим эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, на поверхности которого выполнены контактно-связанные барьерный металлический слой и мультиячеистые p-n переходы, с электроупрочняющими концентрическими расширенным электродом или охранным кольцом p-типа, или делительными кольцами p-типа по периферии анодной области кристалла, омические контакты, отличающийся тем, что базовой подложкой является высоколегированный p⁺-типа монокристалл арсенида галлия с концентрацией примеси не менее чем 5⋅10¹⁸ см^-3, с выполненными на ней буферным p-типа проводимости эпитаксиальным слоем с резким перепадом концентрации легирующей примеси от уровня концентрации в подложке до концентрации 10¹⁵÷10¹⁶ см^-3 и толщинами свыше 5,0 мкм, с последовательным рабочим эпитаксиальным слоем p-типа проводимости с концентрацией примеси от 10¹⁴ до 10¹⁶ см^-3, с содержанием на поверхности третьего эпитаксиального слоя p-типа проводимости толщиной 10÷100 нанометров с концентрацией примеси до 10¹⁷ см^-3, а также содержащим в приповерхностном слое электрически связанные локальные мультиячеистые барьерные слои Шоттки и p-n переходы, с n⁺-катодной областью, омическими контактами к анодной p⁺-типа и катодной n⁺-типа областям и к барьеру Шоттки диодной структуры с расположенными на поверхности рабочего p-слоя электроупрочняющими конструктивными элементами n-типа проводимости.

2. Кристалл силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами по п.1, отличающийся тем, что n⁺- область мультиячеистых p-n переходов в катодной области кристалла выполнена из гетерослоя AlGaAs n⁺- типа проводимости.

3. Кристалл силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами по п.1, отличающийся тем, что на периферии активной катодной области кристалла с барьером Шоттки и мультиячеистыми p-n переходами в объеме p-слоев выполняется вытравленная меза-область с глубиной залегания до базовой p⁺- подложки и защитными нанослоями из широкозонных диэлектриков Al₂O₃, AlN и др., полученных методом атомно-слоевого осаждения.