Дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H Российский патент 2025 года по МПК H10D8/00 

Изобретение относится к силовой полупроводниковой электронике, а именно к импульсной высоковольтной технике, и может быть использовано в дрейфовых диодах с резким восстановлением обратного сопротивления (далее ДДРВ) в качестве быстродействующих коммутаторов размыкающего типа для генераторов сверхкоротких импульсов напряжения.

Известен кремниевый высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления (Патент RU №1581149, «Высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления», МПК H 01 L 29/04, опубл.15.09.1994г.), содержащий слаболегированный слой n-типа проводимости, расположенный между двумя сильнолегированными слоями разного типа проводимости и два омических контакта с дополнительным слоем p-типа проводимости, расположенным между сильнолегированным слоем p⁺-типа проводимости и слаболегированным слоем n-типа проводимости. Концентрация легирующей примеси в дополнительном слое N₁ и его толщина d₁ удовлетворяют соотношениям N₃ > N₁ ≥N₂; W₀₀₃₁≈d₁≈d₂, где N₂ и d₂ - концентрация и толщина слаболегированного слоя соответственно; W₀₀₃₁ - ширина области объемного заряда в дополнительном слое при напряжении лавинного пробоя; N₃ - концентрация примеси в сильнолегированном слое n-типа проводимости. Такой диод изготавливают на основе кремния путем диффузии доноров и акцепторов в полупроводник n-типа проводимости, так что высокоомный слой n-типа однородно легирован донорами с концентрацией N_d порядка 10¹⁴ см^-3, а слой p-типа неоднородно легирован быстродиффундирующими акцепторами (например, алюминием).

Известен кремниевый дрейфовый диод с резким восстановлением (Amit S. Kesar, Yaakov Sharabani, Inbar Shafir, Shoval Zoran, Ariel Sher «Characterization of a Drift-Step-Recovery Diode Based on All Epi-Si Growth», IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, V. 44, Iss. 10, p: 2424 - 2428), содержащий четырехслойную эпитаксиальную Si структура p⁺-p-n-n⁺. Данный диод состоит из n⁺- Si подложки, легированной As мышьяком, с концентрацией примеси 3⋅10¹⁹ см^-3 и толщиной 200 мкм; n-эпитаксиального слоя, легированного P фосфором, с концентрацией примеси 7.8⋅10¹⁴см^-3 и толщиной 20 мкм; p-эпитаксиального слоя, легированного B бором, с концентрацией примеси 4.63⋅10¹⁵ см^-3 и толщиной 20 мкм; p⁺-эпитаксиального слоя, легированного B бором, с концентрацией примеси 1.6⋅10¹⁹ см^-3 и толщиной 10 мкм и двух омических контактов. Эпитаксиальная Si структура получена методом диффузии. Такая технология получения эпитаксиальных Si слоев, приводит к градиентному распределению концентрации носителей заряда в области p-n перехода. Также этот метод позволяет выращивать слои толщиной (10÷100) мкм в зависимости от требуемого рабочего напряжения и скорости переключения. Данные эпитаксиальные структуры широко применяются при изготовлении Si дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) с рабочими напряжениями порядка нескольких киловольт и наносекундным временем импульса.

Недостатком вышеуказанных диодов является, с одной стороны, относительно невысокое быстродействие, связанное с ограничениями, определяемыми значениями критической напряженности поля лавинного пробоя в кремнии (Е_с =2,5·10⁵ В/см) и скоростью насыщенного дрейфа носителей заряда в этом материале (Vsat = 1,0·10⁷ см/с), с другой – ограничениями по предельной плотности коммутируемого тока через структуру дрейфового диода. Так, для реализации высоковольтного режима работы кремниевого переключателя с напряжением 1500В на одну структуру, уровень донорной примеси N_d в n-слое диода не может превышать 10¹⁴ см⁻³, что на стадии обрыва тока соответствует максимальной плотности тока j = 160 A/см² при дрейфовом выносе носителей из n-слоя с насыщенной скоростью Vsat. = 1·10⁷ см/с. Отмеченные недостатки обусловлены ограничениями, определяемыми электрофизическими свойствами кремния, используемого для создания описанных выше диодов.

Известен ДДРВ на основе карбида кремния (И.В.Грехов, П.А.Иванов, А.О. Константинов и др. «О возможности создания диода со сверхрезким восстановлением запирающих свойств на основе карбида кремния». Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып.13, С.24-28), содержащий два сильнолегированных слоя с электронным и дырочным типом проводимости и концентрациями легирующих примесей азота и алюминия 10¹⁹-10²⁰ см^-3, два омических контакта к сильнольнолегированным слоям и слаболегированный слой дырочного типа проводимости между сильнолегированными слоями, при этом толщина слаболегированного p₀-слоя, являющегося базовой областью, составляет 12 мкм, а концентрация легирующей примеси алюминия 8⋅10¹⁴ см^-3. В режиме переключения диода фронт плазменной волны движется от p⁺p⁰ - перехода к p⁰n⁺- переходу. При достижении фронтом p⁰n⁺- перехода происходит обрыв тока из-за быстрого вывода основных носителей заряда - дырок за время пролета р⁰- базовой области.

Известен ДДРВ на основе карбида кремния (патент на полезную модель RU №172077, «Дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния», МПК H01 L21/861, опубл. 28.06.2017), который содержит сильнолегированную подложку n⁺-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены слаболегированный слой n₀-типа проводимости толщиной 20 мкм с концентрацией доноров 5⋅10¹⁵ см^-3, слой р-типа проводимости толщиной 3 мкм с концентрацией акцепторов 4⋅10¹⁶ см^-3 и сильнолегированный слой р⁺-типа проводимости 2 мкм с концентрацией акцепторов 2⋅10¹⁹ см^-3. На слое р⁺-типа проводимости сформирован анодный омический контакт, а на нижней стороне пластины из 4H-SiC n⁺-типа проводимости сформирован катодный омический контакт. В слое n_o-типа проводимости, слое р-типа проводимости и слое р⁺-типа проводимости вне контура анодного омического контакта сформирована полуизолирующая область.

В таких ДДРВ с однородным легированием эпитаксиальных слоев увеличение рабочего напряжения возможно только при увеличении толщин p и n-слоев. При этом увеличение толщин однородно легированных слоев приводит к увеличению времени пролета носителей заряда, а, следовательно, к уменьшению быстродействия.

Наиболее близким к заявляемому является дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H (A.V. Afanasyev, B.V. Ivanov, V.A. Ilyin, A.F. Kardo-Sysoev, V.V. Luchinin, S.A. Reshanov, A. Schöner, A.A. Smirnov “Temperature dependence of minority carrier lifetime in epitaxially grown p⁺-p^--n⁺ 4H-SiC drift step recovery diodes” (Materials Science Forum, 2015, V. 821-823, p. 632-635), содержащий однородно легированную подложку n⁺-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены однородно легированный слой n⁺-типа проводимости, градиентно легированный слой p^- - типа проводимости и однородно легированный слой p⁺-типа проводимости, а на верхней стороне слоя p⁺-типа проводимости и нижней стороне подложки сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты. Слой p^- - типа проводимости имеет на протяжении слоя различное легирование, частично с постоянным градиентом концентрации (3мкм, с уменьшением концентрации в сторону n+-слоя) и частично с постоянной концентрацией примеси (6 мкм).

Этот диод характеризуется недостаточным быстродействием, что вызвано наличием непротяженной градиентно-легированной области в p^- -слое, прилегающей к p^- - n⁺ переходу. Такая структура p^- - области не позволяет обеспечить эффективный вынос неосновных носителей заряда (электронов) из p^- - слоя при переключении диода в запирающее состояние, что приводит к увеличению времени восстановления обратного сопротивления.

Задачей заявляемого изобретения является создание дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в повышении его быстродействия.

Сущность изобретения состоит в том, что в дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H, включающий однородно легированную подложку n⁺-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены градиентно легированный слой p^- - типа проводимости и однородно легированный слой p⁺-типа проводимости, а на наружной стороне слоя p⁺ -типа проводимости и наружной стороне подложки сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты, дополнительно введен слой с однородным легированием n^- -типа проводимости, расположенный между подложкой n⁺-типа проводимости и градиентно легированным слоем p^- - типа проводимости. При этом слой p- - типа проводимости выполнен градиентно-легированным акцепторами (алюминий) с ростом концентрации легирующей примеси (алюминия) по направлению к p+ - слою и с постоянным градиентом концентрации на всем протяжении слоя. А соотношение толщин слоев n^- -типа проводимости и p^- - типа проводимости составляет 1:7.

Существенное отличие состоит в том, что базовая область заявляемого диода (фиг.1) состоит из двух функциональных слоев: слоя n^--типа проводимости с постоянным легированием донорами (азот) и градиентно-легированного акцепторами (алюминий) слоя p^- - типа проводимости по всей его протяженности с ростом концентрации легирующей примеси (алюминия) по направлению к p⁺ - слою. При этом соотношение толщин слоев n^- -типа проводимости и p^- - типа проводимости составляет 1:7. Это позволяет достигать технический результат, заключающийся в повышении быстродействия дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H.

Введение дополнительного n^- -слоя обеспечивает эффективный вывод неосновных носителей заряда (дырок) из n⁺ и n- слоев к p-n переходу, исключая образование «плазменных пробок» в n⁺ -слое, наличие которых снижает быстродействие дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H.

Градиентно-легированный акцепторами (алюминий) по всей протяженности слой p^- - типа проводимости, в отличие от прототипа, формирует встроенное градиентное электрическое поле, которое ускоряет вывод неосновных носителей заряда (электронов) из p⁺ и p- слоев к p-n переходу.

Поскольку в 4H-SiC подвижность электронов - µ_n в 7 раз больше подвижности дырок - µ_p , то толщины p^- -cлоя (D_p-) и n^- -cлоя (D_n-) должны соотноситься как D_n-/D_p- = µ_p/ µ_n = 1/7. Выполнение этого условия обеспечивает исчезновение электронно-дырочной плазмы непосредственно на границе p-n слоев 2,3. Это позволяет реализовать быстрое восстановление обратного сопротивления ДДРВ за время пролета базовой области основными носителями – дырками в p^- - слое, электронами в n^- - слое, со скоростями близкими к насыщенным дрейфовым скоростям электронов и дырок.

Изобретение иллюстрируют следующие графические материалы:

Фиг.1- Поперечное сечение заявляемого дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H.

Дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H содержит (фиг.1): однородно легированную подложку n⁺-типа проводимости 1, на которой эпитаксиально выращены однородно легированный слой n^- -типа проводимости 2, градиентно легированным слоем p^- - типа проводимости с постоянным градиентом концентрации на всем протяжении слоя 3 и однородно легированный слой p⁺-типа проводимости 4, а на наружной стороне слоя p⁺-типа проводимости 4 и наружной стороне подложки 1 сформированы соответственно анодный омический контакт 6 и катодный омический контакт 5.

При протекании импульса прямого тока базовая область диода (слои 2,3) заполняется электронно-дырочной плазмой. При подаче на диод импульса обратного напряжения плазма выводится из базовой области таким образом, что неравновесные носители заряда движутся к плоскости pn- перехода (граница раздела слоев 2, 3). Время пролета неравновесных носителей заряда определяется их диффузией и дрейфом. Поскольку в карбиде кремния политипа 4H подвижность электронов - µ_n в 7 раз больше подвижности дырок - µ_p , то более быстрая волна, определяемая диффузией и дрейфом электронов, идет от р⁺- слоя 4 к pn- переходу (граница раздела слоев 2, 3). Более медленная волна, определяемая диффузией и дрейфом дырок, идет от n⁺- подложки 1 к pn- переходу 2, 3. Отношение толщин слоев 2,3 (D_n^- и D_p^-) в ДДРВ подобраны в соотношении D_n^-/ D_p^- = µ_p/ µ_n = 1/7. Выполнение этого условия обеспечивает исчезновение электронно-дырочной плазмы непосредственно на границе p-n слоев 2,3. Поэтому в момент достижения волнами pn- перехода в базовой области не останется неосновных носителей и происходит быстрое восстановление обратного сопротивления диода за время пролета базовой области основными носителями со скоростью 10⁷ см/c.

Пример. При изготовлении дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H на сильнолегированной n⁺ - 4Н-SiC подложке 1 (5⋅10¹⁸…10¹⁹ см^-3) последовательно наращивают эпитаксиальные слои:

- n^--слой 2 толщиной 2 мкм с постоянным легированием легированием азотом с концентрацией 4⋅10¹⁵ см^-3;

- р^--слой 3 толщиной 14 мкм с градиентным легированием алюминием по всей протяженности;

- сильнолегированный p⁺-слой 4 толщиной 5 мкм с концентрацией 5⋅10¹⁹.

Предпочтительная толщина p⁺ - слоя 4 составляет 5 - 7 мкм. Минимальная толщина обеспечивает необходимую эффективность эмиттера, а максимальная определяется технологической и экономической целесообразностями.

С использованием масок, обеспечивающих требуемый топологический рисунок, со стороны p⁺ -слоя 4 проводят реактивное ионноплазменное травление карбидокремниевой эпитаксиальной структуры до n⁺ - подложки 1. При этом высота сформированных SiC структур должна быть на 1…3 мкм больше суммарной толщины n^- , p^- и p⁺ эпитаксиальных слоев.

Анодный омический контакт 6 и катодный омический контакт 5 формируют на противоположных сторонах эпитаксиальной структуры к n⁺ подложке 1 и p⁺ - слою 4 соответственно методами вакуумного напыления металлов с последующей высокотемпературной обработкой в вакууме.

Структура дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H оптимизирована в программе Sentaurus пакета TCAD Synopsys на рабочее напряжение 1700В. Рассчитанное напряжение пробоя при однородном легировании базы составило 1950 В. Рассчитанное время переключения напряжения составило 400 псек.

По приведенной технологии была изготовлена партия диодов, соответствующих заявляемому техническому решению.

Критерием адекватности моделирования структуры являются экспериментальные результаты измерений импульсных характеристик диода. В таблице приведены результаты измерений параметров экспериментальных образцов выборки диодов из 7 штук.

Таблица. Достигнутые количественные характеристики параметров диодов.

№ образца диода Амплитуда напряжения, В Длительность фронта, пс 1 1750 430 2 1780 430 3 1810 440 4 1830 450 5 1820 450 6 1790 430 7 1800 430

Таким образом, заявляемый дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении его быстродействия.

Изобретение относится к силовой полупроводниковой электронике, а именно к импульсной высоковольтной технике, и может быть использовано в дрейфовых диодах с резким восстановлением обратного сопротивления (далее ДДРВ) в качестве быстродействующих коммутаторов размыкающего типа для генераторов сверхкоротких импульсов напряжения. Дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H включает однородно легированную подложку n⁺-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены градиентно-легированный слой p^--типа проводимости и однородно легированный слой p⁺-типа проводимости, а на наружной стороне слоя p⁺-типа проводимости и наружной стороне подложки сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты, дополнительно введен слой с однородным легированием n^--типа проводимости, расположенный между подложкой n⁺-типа проводимости и градиентно-легированным слоем p^--типа проводимости. При этом слой p^--типа проводимости выполнен градиентно-легированным акцепторами - алюминий с ростом концентрации легирующей примеси - алюминия по направлению к p⁺-слою с постоянным градиентом концентрации на всем протяжении слоя. А соотношение толщин слоев n^--типа проводимости и p^--типа проводимости составляет 1:7. Технический результат изобретения заключается в повышении быстродействия. 1 ил., 1 табл.

Дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H, включающий однородно легированную подложку n⁺-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены градиентно-легированный слой p^--типа проводимости и однородно легированный слой p⁺-типа проводимости, а на наружной стороне слоя p⁺-типа проводимости и наружной стороне подложки сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты, отличающийся тем, что дополнительно введен слой с однородным легированием n^--типа проводимости, расположенный между подложкой n⁺-типа проводимости и градиентно-легированным слоем p^--типа проводимости, причем слой p^--типа проводимости выполнен градиентно-легированным акцепторами - алюминий с ростом концентрации легирующей примеси - алюминия по направлению к p⁺-слою с постоянным градиентом концентрации на всем протяжении слоя, при этом соотношение толщин слоев n^--типа проводимости и p^--типа проводимости составляет 1:7.