ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ Российский патент 2023 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, в частности к силовым биполярным транзисторам для высокочастотной коммутации.

Новое конструктивное решение биполярного со статической индукцией высоковольтного силового переключательного транзистора с малым прямым сопротивлением предназначено для высокочастотной преобразовательной техники в таких областях как IPM электропривод, высокочастотные импульсные источники вторичного электропитания, автоэлектроники, светотехнической электроники и др.

В связи с особенностью конструкции биполярные транзисторы со статической индукцией (БСИТ) имеют коммутационное преимущество перед классическими биполярными транзисторами, что связано с полевым режимом переключения из проводящего состояния в закрытое, а также с исключительно низким прямым падением напряжения в квазинасыщении (меньше 0,5 В), высокой плотностью тока и устойчивостью к энергии вторичного пробоя , а также высокой амбиполярной подвижностью зарядов в электронно-дырочной плазме высокоомной стоковой области. Нельзя не отметить простоту схемотехнического исполнения управляющего генератора запирающих импульсов и его устойчивость к ЭМИ-помехам при коммутации.

Промышленным и рыночным образцом БСИТ является транзистор 2П926 А,Б с напряжением блокирования до 400÷450 В, который и является конструктивным аналогом по данному предполагаемому изобретению.

Кристалл такого транзистора выполнен на кремниевой подложке n⁺-типа проводимости, легированной либо фосфором, либо сурьмой, с выращенным на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости и выполненными методом диффузии бора локальными p⁺-затворами и n⁺-истоками между p-типа затворами, делительными электроупрочняющими кольцами p-типа, пассивирующей пленкой над высокоомной областью и омическими контактами к истоковой, стоковой и затворной областям.

Недостатками данной конструкции являются:

1). Большие уровни токов включения в квазинасыщенном состоянии.

2). Относительно большие времена задержки и фронта нарастания тока включения.

3). Высокие значения времени рассасывания неосновных носителей в затворных областях p-типа проводимости.

4). Просто огромный уровень паразитных обратных токов при запирании в рабочих режимах, например, при U_СИ = ½ U_{CИ max}. Например, при U_DC = 200 В можно потерять до 10 Вт полезной мощности.

5). Относительно низкий коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером в режиме квазинасыщения, что приведет к динамическим потерям при включении и снижению КПД при коммутации.

6). Затягивание фронтов импульсного тока при включении, т.е. скорости образования заряда проводящей ЭДП в исток-стоковом канале, обусловленное слабым влиянием первоначального термоэмиссионного механизма инжекции из n⁺-области истока в область высокоомного канала, с последующим переходом его в механизм мощной эмиссии электронов вследствие впрыскивания мощного заряда неосновных носителей в канал проводимости.

Для удовлетворения значений коммутации на частоте 1,0 МГц, при скважности, допустим, Q =1 необходима длительность импульса (с фронтами включения/выключения), удовлетворяющая наносекунд, на что способны, например, COOLMOSFET.

Также важно исключить паразитный режим резистивного ненасыщенного «стабистора» (ограничителя тока) при отсутствии или наличии слабой инжекции из затвора p⁺-типа неосновных носителей заряда в n-канал и сток - исток, что, естественно, сказывается на КПД преобразователя с данным видом ключа в инверторных или конверторных цепях.

7). Отсутствие насыщения дрейфово-диффузионной скорости амбиполярных носителей заряда, показанных на прямой ВАХ прототипа, влияет на линейность усилительных свойств БСИТ - прототипа.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности.

Технический результат заключается в повышении быстродействия, снижении паразитных емкостей затвора, увеличении удельной плотности тока, резком снижении уровней паразитных обратных токов.

Указанный технический результат достигается в высоковольтном биполярном транзисторе со статической индукцией, содержащем кремниевую монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с последовательно выполненными на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, локальными p⁺-типа проводимости затворными областями в приповерхностном эпитаксиальном слое n-типа проводимости и локальными n⁺-типа истоковыми областями между p⁺-типа областями, омические контакты к n⁺ и p⁺ типа областям транзисторной структуры, а также электроупрочняющие делительные p⁺-типа проводимости кольца или меза-область по периферии активной части кристалла с глубиной травления до n⁺-типа монокристаллической подложки, при этом кристаллическая структура высоковольтного биполярного транзистора со статической индукцией выполнена на основе арсенида галлия (GaAs) с гетероэпитаксиальным (AlGaAs) слоем n⁺-типа проводимости в области истока, образующим с n-типа GaAs эпитаксиальным слоем n⁺-n-типа изотипный переход с электронной инжекцией.

Дополнительная особенность заключается в том, что на поверхности n⁺-типа проводимости гетероэпитаксиального слоя создается эпитаксиальный GaAs слой n⁺-типа проводимости. Транспорт электронов из n⁺ - GaAs слоя осуществляется туннельно-полевым эффектом при прямом смещении на изотипном n⁺ - n⁺ переходе.

В качестве защитного слоя p-n переходов используется ALD - технология пассивации на основе соединений Al₂O₃ или AlN с оптимальными толщинами 2 ÷ 15 нанометров. Данные ALD технологии были отработаны в Институте физики и химии при МГУ им. Н.П.Огарева, г. Саранск, на установке “Beneq” (Финляндия) и в Инженерном институте СКФУ, г. Ставрополь, на установке “Picosun” (Финляндия).

Критерием качества служил уровень обратных токов, показанных на экспериментальной обратной ВАХ p-i-n GaAs диода на Фиг. 1 (Вольт-амперные характеристики p-i-n GaAs диода при прямом смещении с ALD нанотолщинным покрытием соединениями Al₂O₃ (г. Саранск) и AlN (г.Ставрополь), экспериментальные результаты).

Сущность предполагаемого решения поясняется на Фиг. 2 (планарно-эпитаксиальная структура высоковольтного биполярного транзистора со статической индукцией), Фиг 3 (меза-планарная эпитаксиальная структура высоковольтного биполярного транзистора со статической индукцией), где приводится структура высоковольтного GaAs биполярного транзистора со статической индукцией, содержащего GaAs монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости 1, эпитаксиальный GaAs n-типа проводимости слой 2, p⁺-типа проводимости затворную область 3, n⁺-типа проводимости гетероэпитаксильную AlGaAs область 4, n⁺-GaAs область 5, омические контакты 6 (Фиг. 3), p⁺-типа проводимости концентрические делительные кольца 7, меза-область 8 (Фиг.3) диэлектрическое пассивирующее ALD покрытие 9, исток 10, затвор 11, сток 12.

На Фиг. 4 (Зонная энергетическая диаграмма системы n⁺-Si-n-Si-p⁺-Si истоковой области кремниевого БСИТ) и Фиг. 5 (Зонная энергетическая диаграмма системы n⁺-GaAs - n⁺-AlGaAs - n-GaAs - p⁺-GaAs истоковой области GaAs БСИТ) показаны зонные энергетические диаграммы активной истоковой области кремниевого и арсенид-галлиевого с гетероистоком биполярных транзисторов со статической индукцией. Принципы работы обеих конструкций одинаковы, а именно: при подаче положительных потенциалов относительно истока на стоковую и затворную активные области происходит инжекция дырочных носителей заряда в зону канала исток-сток с одновременной термоэмиссионной (на начальной стадии) и инжекционной поставкой электронов в канал исток-сток для создания нейтральной проводящей электронно-дырочной плазмы (ЭДП) в n-канале, вследствие чего его проводимость возрастет на порядки. Но имеются и существенные отличия, а именно:

1). На зонной диаграмме видно, что из-за наличия гетеропереходного n⁺ - эпитаксиального слоя резко снижается барьерный потенциал ϕ_p-n затвор - исток, а это означает резкое снижение динамических потерь при подаче импульсного тока прямого смещения через затвор - канал, что повысит КПД коммутации на БСИТ транзисторном ключе.

2). Исток выполнен в виде изотипного гетероперехода n⁺-GaAs - n⁺-AlGaAs-n-GaAs, который представляет собой униполярно-инжекционный диодный переход, т.е. n-канальная область, в принципе, даже при отсутствии инжекции на p⁺-n-переходе затвор канал, может модулироваться достаточно плотной инжекцией электронов из гетерослоя с уровнем энергии от 1,6 до 1,8 эВ, с диффузионной длиной электронов L_n до 30÷60 мкм, что на 0,17÷0,37 выше чем в n-канальной области и к тому же с большой глубиной модуляции проводимости в канале σ=qnμ_n, где q-заряд электрона, n-концентрация инжектированных носителей заряда, μ_n - подвижность электронов.

3). В связи с тем, что соотношение μ_nGaAs/μ_nSi≈ 6,6, а в кремниевом канале (без инжекции дырок из затвора) при полевом воздействии сток - исток доминирует термоэмиссионный механизм, который хорошо раскрыт в монографиях по диодам Шоттки, или, иными словами, протекание тока в кремниевом n⁺-n-n⁺ канале будет представлять собой не что иное как перенос тока в слаботочном стабисторе с насыщением тока вследствие насыщения подвижности электронов. В отличие от кремниевого n⁺-n типа истока в нашем случае из истока n⁺-GaAs - n⁺-AlGaAs/n-GaAs будет наблюдаться мощная инжекция электронов изотипного перехода в n-типа канал. Образуется высокоплотная электронная плазма (при отсутствии прямого смещения на затворе).

4). При прямом смещении на затворе, т.е. при инжекции дырок в истоковую область, под изотипным переходом образуется сверхплотная высокопроводящая электронно-дырочная плазма.

Электронно-дырочная плазма в GaAs канале очень подвижна из-за высокой амбиполярной подвижности электронно-дырочных носителей заряда. Отметим особенность амбиполярной диффузии ЭДП, что связано с ее истощением вблизи гетеропереходного слоя (из-за вытекания дырочных носителей заряда) и вытекание электронов около стокового n⁺-n переходного слояэпитаксиальный слой - подложка из-за переходного механизма диффузионного переноса электронов в канале в дрейфовый механизм в n⁺ - подложке с релаксационным временем пролета ~ 10^-12 сек. (при толщине n⁺ - подложки ≈ 300 мкм).

При подаче запирающего напряжения (U_з< 0 В) на p⁺затвор будет происходить процесс релаксации ЭДП - заряда с дифференцированным вытеканием дырок в затворную область, электронов - в стоковую область, а также с процессами рекомбинации носителей заряда (зона/зона); зона - рекомбинационные центры в запрещенной энергетической зоне. Например, на атомах кремния, являющегося катализатором LPE (Liquid-Phase Epitaxy) -жидкофазного эпитаксиального процесса.

При запорном (отрицательном) напряжении на затворе после релаксации ЭДП в истоковой области между затворами p⁺-типа возникает область пространственного заряда, блокирующая протекание тока в канале между гетероистоком n⁺-GaAs - n⁺-AlGaAs/n-GaAs и GaAs n⁺-стоком.

Конкретный пример исполнения AlGaAs/GaAs БСИТ состоит в следующем:

На n⁺-GaAs монокристаллической подложке после химико-динамической полировки (ХДП) пластины, в частности, на установке Logitech в реакторе кварцевой трубы с заданным градиентом температуры в пределах 750÷900°С из расплава GaAs (источник атомов As) и Ga выращивается эпитаксиальный слой GaAs n-типа проводимости.

Концентрация доноров N_D контролируется уровнем лигатуры атомов Si, Te или Sn.

В частности, как правило, N_D регулируется в пределах 10¹⁴÷ 10¹⁵ см^-3, с толщинами эпитаксиального слоя от 10 до 50 мкм, что соответствует диапазону электропрочности p-n переход (затвор-сток) в пределах максимальный напряжений пробоя U_{проб. СИ} = 200÷800 В.

Затворная p⁺-область создается методом диффузии атомов Zn (из насыщенного цинком графита) в среде водорода через маску из пленок Si₃N₄ толщиной от 0,3 мкм (нитрида кремния с усилением в некоторых случаях дополнительным оксидным слоем кремния SiO₂, осажденного газофазным методом, толщиной от 0,5 мкм).

Расстояние L_n (ширина канала под истоком) между p⁺-затворными областями при проектировании полосковой топологии истока и затвора транзистора выбирается из условия:

,

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

,

где k - постоянная Больцмана; T - температура по Кельвину; N_D - концентрация донорной примеси в n-типа канале; N_A - концентрация акцепторной примеси в p⁺ - типа затворе.

(Справочно: при T = 25°C значение = 0,026 эВ).

Исходя из вышеприведенных формул, n-типа канал под гетерофазным истоком при

U_ЗИ > 0 В - открыт и является проводящей областью; при U_ЗИ << 0 область канала под гетероистоком становится не проводящей для потока электронов, а изотипной n⁺-GaAs - n⁺-AlGaAs/n-GaAs переход будет закрыт для инжекции электронов.

Эпитаксиальные n⁺-GaAs и n⁺-AlGaAs слои толщиной 1÷3 мкм, каждый из которых выращивается либо LPE, либо MOCVD методом, легируются атомами теллура или олова с уровнем концентрации примеси выше, чем 10¹⁸см^-3.

Омические контакты выполняются на основе системы AuGe (80 нм)/Ni (100 нм/Au> 2000 нм (последовательно - электронно-лучевым методом и гальваникой золота).

Травление меза-области проводится в две стадии (в магнитомешалке):

1) Глубокое травление в серно-перекисном водном растворе в соотношении: 1:1:1;

2) Полирующее травление в серно-перекисном водном растворе с более слабой концентрацией серной кислоты в соотношении: 1:3:1.

На финишной стадии поверхность эпитаксиального слоя n-типа проводимости пассивируется ALD покрытием, в нашем случае нанопленкой Al₂O₃или AlN толщиной 2÷15 нм с последующим нанесением на нее фотоимида, например, производства “Fuji” (Япония) толщиной до 15 мкм с ультрафиолетовой полимеризацией после фотогравировки (фотолитографии).

Контроль параметров кристалла производится на зондовой установке с подогревом кристалла на контактном столике до +250÷300°С.

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, в частности к силовым биполярным транзисторам для высокочастотной коммутации. Сущность: высоковольтный биполярный транзистор со статической индукцией содержит монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с последовательно выполненными на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, локальными p⁺-типа проводимости затворными областями в приповерхностном эпитаксиальном слое n-типа проводимости и локальными n⁺-типа истоковыми областями между p⁺-типа областями, омические контакты к n⁺- и p⁺-типа областям транзисторной структуры, а также электроупрочняющие делительные p⁺-типа проводимости кольца или меза-область по периферии активной части кристалла с глубиной травления до n⁺-типа монокристаллической подложки, при этом кристаллическая структура высоковольтного биполярного транзистора выполнена на основе арсенида галлия GaAs монокристаллической подложки n⁺-типа проводимости с выращенным на ней GaAs эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, выполненными на нем локальными истоковыми гетерослоями AlGaAs n⁺-типа проводимости и GaAs n⁺-типа проводимости на поверхности n⁺-AlGaAs гетерослоя и GaAs p⁺-типа проводимости затворными областями, примыкающими к истоковым n⁺-GaAs/n⁺-AlGaAs локальным областям. Технический результат заключается в повышении быстродействия, снижении паразитных емкостей затвора, увеличении удельной плотности тока, резком снижении уровней паразитных обратных токов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Высоковольтный биполярный транзистор со статической индукцией, содержащий монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с последовательно выполненными на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, локальными p⁺-типа проводимости затворными областями в приповерхностном эпитаксиальном слое n-типа проводимости и локальными n⁺-типа истоковыми областями между p+-типа областями, омические контакты к n⁺- и p⁺-типа областям транзисторной структуры, а также электроупрочняющие делительные p⁺-типа проводимости кольца или меза-область по периферии активной части кристалла с глубиной травления до n⁺-типа монокристаллической подложки, отличающийся тем, что кристаллическая структура высоковольтного биполярного транзистора выполнена на основе арсенида галлия GaAs монокристаллической подложки n⁺-типа проводимости с выращенным на ней GaAs эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, выполненными на нем локальными истоковыми гетерослоями AlGaAs n⁺-типа проводимости и GaAs n⁺-типа проводимости на поверхности n⁺-AlGaAs гетерослоя и GaAs p⁺-типа проводимости затворными областями, примыкающими к истоковым n⁺-GaAs/n⁺-AlGaAs локальным областям.

2. Высоковольтный биполярный транзистор со статической индукцией по п. 1, отличающийся тем, что защитный слой p-n-переходов формируется методом атомно-слоевого осаждения - технология пассивации на основе соединений Al₂O₃ или Al.