ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТИРИСТОР С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к конструированию высоковольтных высокотемпературных сильноточных быстродействующих тиристоров с полевым управлением, работающих при повышенных обратных напряжениях, больших плотностях тока, высокой рабочей температуре и высоком быстродействии.

Тиристоры с полевым управлением используются в преобразовательной технике с повышенной частотой переключения и высокими значениями скоростей нарастания обратного напряжения.

Известны конструкции кремниевых тиристоров с полевым выключением, которые описаны в ряде источников информации, они имеют высокое быстродействие - несколько десятков килогерц - частоту коммутации, высокую скорость нарастания напряжения dU/dt, низкие падения напряжения в открытом состоянии.

Такие конструктивные решения показаны в таких работах, как «Field-Controlled Thyristor (ЕСТ) - A New Electronic Component» D.T.Houston, S.Krishna, D.Piccone, R.J.Finke, Y.S.Sun - International Electronic Devices Meeting, Washington, D.C. 1975 (1); «Физика тиристоров» А.Блихер, Ленинград, Энергоиздат, 1981, стр.118 (2), но наиболее близким по эффективности и конструктивному исполнению прототипом является конструкция тиристора в научно-техническом отчете по научно-исследовательской работе (НИР) «Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением в открытом состоянии», выполненном Отделением твердотельной электроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, г.Санкт-Петербург по договору №9/05 от 01.03.2005 г., стр.4 (3).

Приведенный прототип (3)тиристора с полевым управлением имеет большие предельные плотности тока в сотни ампер на квадратный сантиметр при напряжениях обратного пробоя 1200 В и прямую вольтамперную характеристику, практически аналогичную вольтамперной характеристике прямосмещенных кремниевых диодов с типовой отсечкой 0,75÷0,85 В (3).

Конструкция известного прототипа состоит из монокристаллической кремниевой анодной подложки p⁺⁺ типа, высоколегированной акцепторной примесью, например бором, эпитаксиального тонкого буферного слоя противоположного типа проводимости n^--типа, легированного донорной примесью, например фосфором или сурьмой, тонкого высокоомного эпитаксиального слоя n^--типа, слаболегированного донорной примесью, например фосфором, локально выполненных в приповерхностном слое n^--эпитаксиальной области или в приповерхностных канавках данной эпитаксиальной n^--области диффузионных высоколегированных акцепторной примесью (бором) p⁺-областей (затворов), находящихся на конструктивно-расчетном расстоянии друг от друга, но не менее двух-трех дебаевских длин кремниевого p⁺-n^- перехода, локально выполненного тонкого высоколегированного, например фосфором, n⁺-слоя катодной части структуры, расположенного между затворными p⁺-областями. По внешнему периметру локальных p⁺-зон сформированы единая внешняя p⁺-зона с делительными p или p⁺ кольцевыми областями, представляющими конструкцию планарного p-n перехода или вытравленную меза-область с соответствующей защитой планарного или мезапланарного p-n перехода. К анодной, катодной и затворной части выполнены металлические невыпрямляющие контакты. Недостатком такой структуры является недостаточно высокое быстродействие, невысокая, ≤175°С, рабочая температура кристаллической структуры тиристора, сильная зависимость скорости переключения тиристора от рабочей температуры в активных областях структуры, резкое возрастание динамических потерь переключения при регулировке времени жизни неосновных носителей в периферийных областях и центральной базовой области радиационными технологиями, например легирование (облучение) потоками высокоэнергетичных электронов и протонов, особенно последних, с заданными длинами свободного пробега в кристаллической решетке и дозами облучения. При этом резко, в несколько раз, возрастает прямое падение напряжения в открытом состоянии, что снижает динамические свойства тиристорного ключа.

Цель изобретения - резкое, в несколько раз, увеличение быстродействия тиристора с полевым управлением, резкое повышение рабочей температуры кристалла в 1,5÷2 раза, повышение в несколько раз радиационной стойкости, увеличение стойкости к dU/dt и dI/dt скоростям нарастания токов и напряжений в режиме жесткого резонансного переключения.

Принципиально поставленная цель достигается тем, что взамен кремниевого кристалла тиристорной структуры с полевым управлением используются арсенид-галлиевая (GaAs) структура или комбинированная гетероструктура арсенид галлия-алюминий-арсенид галлия (GaAs-AlGaAs).

Конструктивное решение данной задачи заключается в том, что, в отличие от известного решения [3] тиристорной структуры с полевым управлением, содержащего монокристаллическую подложку p⁺-типа проводимости 1, легированную акцепторной примесью с концентрацией атомов не менее чем 10¹⁹ см^-3, буферный эпитаксиальный слой n-типа 2 со значительно большей концентрацией донорной примеси, чем в последующем базовом высокоомном эпитаксиальном слое n^--типа 3, слаболегированным примесью донорного типа, например 10¹⁴ см^-3, мелкозалегающие области n⁺-типа проводимости 5, выполненные между локальными p⁺-областями 4, с концентрацией легирующей донорной примеси не менее чем 10¹⁸ см^-3, выполнено следующее:

1. На подложке p⁺-типа проводимости выращивается предварительный эпитаксиальный слой с доминирующей примесью акцепторного типа и состоящий из трех взаимосвязанных p⁺-р-р^- типа проводимости областей с резким (на три порядка), плавным (в несколько раз, но не более, чем полтора порядка) и снова резким (три-четыре порядка) ступенчатым снижением разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от уровня концентрации акцепторов и доноров в подложке (не менее чем 10¹⁹см^-3) до уровня разностной концентрации акцепторной и донорной примеси не более 10¹¹см^-3 и толщиной не менее 20 мкм.

2. На поверхности эпитаксиального слоя p⁺-р-р^- типа проводимости выращивается дополнительный предварительный i-слой - область 7 разностной концентрацией акцепторной и донорной примеси не более 10¹¹ см^-3толщиной от 5 до 50 мкм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, где показаны р⁺-подложка 1, p⁺-р-р^- эпитаксиальный слой 6, эпитаксиальная i-область 7, эпитаксиальный буферный n-типа слой 2, эпитаксиальный n^--типа слой 3, локальные области p⁺-типа проводимости 4, локальные n⁺-типа области 5. Профили легирования в структуре на фиг.1 по осям сечений А и В приведены на фиг.2, 3. В приведенной на фиг.1 структуре максимальные рабочие обратные напряжения обеспечиваются конструктивным исполнением p⁺-n перехода в катодной части тиристорной структуры с полевым управлением образованными областями 3, 4, электрофизическими параметрами слоев 7, 2, 3, расстоянием между р⁺-областями 4, глубиной залегания области n⁺-типа 5 и рядом других факторов. При правильном подборе глубины залегания р-n перехода p⁺-затвора, расстояний между p⁺-затворами с учетом дебаевской длины рассчитывается эффективность канала.

Область i или p-i-n область позволяет регулировать величину концентрации и толщину буферного слоя, а при оптимальном соотношении концентраций легирующей примеси, времен жизни, диффузионной длины неосновных носителей может сравняться по электрофизическим свойствам с n^- высокоомным слоем и быть его составной частью без существенного снижения значений максимальных напряжений блокирования на тиристоре с полевым управлением (на фиг.2, 3 пунктиром приведено такое распределение концентрации примеси в зоне 2).

Как видно из фиг.1, в прямовключенном состоянии при нулевом смещении на затворе p⁺ такая структура эквивалентна прямовключенному p⁺-p⁺-р-р^--n-n^--n⁺ GaAs диоду, в котором плотность электронно-дырочных пар эквивалентна распределению таких пар в кремниевых р⁺-n-n^--n⁺ диодов.

Отсечка прямой характеристики у GaAs диодов начинается с 1,1÷1,12 В с резким нарастанием тока при увеличении прямого смещения на p-n переходе. Наклон (или угол роста тока) такой вольтамперной характеристики определяется коэффициентом инжекции дырок прямосмещенного p-n перехода, толщиной, омностью, τ_р и L_p барьерного n-слоя и высокоомного слоя базы n^--типа проводимости и резким влиянием сопротивления прикатодного n^--n⁺ канала, образованного между затворными областями.

Сопротивление прикатодного канала будет зависеть от расстояния между p⁺-затворами, которое диктуется электрическими параметрами цепей управления, т.е. напряжение отсечки прикатодного канала n⁺-n не должно превышать разумных значений, к примеру при каскодном управлении тиристора полевым транзистором с изолированным затвором данная величина не должна превышать 30 В. Исходя из этого, ширина n⁺-n канала будет равна нескольким длинам Дебая (ширина ОПЗ при собственном потенциале φ_T на p⁺-n^- переходе), но ни в коем случае не меньше

Для уменьшения сопротивления канала может быть введена вторая буферная n^'-зона 8, которая легирована на 2-3 порядка и более слабее, чем n⁺-область катода 5, при этом глубина залегания n^'-зоны 8 значительно меньше глубины залегания р⁺-n перехода затвора СИТ тиристора.

Указанная на фиг.1 структура при каскадновключенном полевом транзисторе с полевым МОП-затвором и правильном подборе электрических цепей в затворной части может позволить создать ключ, эквивалентный IGBT кремниевому транзисторному ключу, но при этом практически на той же площади чипов (плотность тока через СИТ структуру тиристора из-за глубины и эффективности модуляции n^- базового слоя в 2÷3 раза выше, чем у IGBT транзистора) можно создавать быстродействующие ключи с частотой преобразования в 5÷10 раз выше, чем у IGBT, при этом не проигрывая по падению напряжения в открытом состоянии. Т.е. возможно создание эффективного конкурента кремниевого MOSFET транзистора (меньшая емкость управления, в 25 и более раз меньше сопротивление в открытом состоянии, одинаковое быстродействие), при этом указанная структура принципиально отличается от последнего. Это отличие состоит в том, что при рабочей температуре около 100÷150°С частота коммутации GaAs тиристора с полевым управлением остается практически неизменной, в то время как частота переключения MOSFET падает на 30÷50%, а при 175°С - это уже не ключ.

Частотные и динамические свойства при переключении указанной структуры улучшаются при облучении:

- высокоэнергетичными электронами с энергией 1÷7 МэВ и плотностью потока 10¹⁵÷10¹²см^-2;

- высокоэнергетичными протонами с энергией от 0,8 МэВ до 3 МэВ и плотностью потока от 10¹⁵÷10¹²см^-2,

- высокоэнергетичными альфа-частицами с энергией от 0,5 МэВ до 2 МэВ, при плотности потока от 10¹⁰ до 10¹² см^-2.

При этом было установлено, что при облучении электронами до 1 МэВ и плотностью до 10¹⁵÷10¹²см^-2 в высокоомной области формировались мелкозалегающие ловушечные центры.

При более высоких энергетических потоках образовывались рекомбинационные центры на большой глубине залегания (ближе к середине запрещенной зоны).

При облучении протонами с энергией от 5 МэВ и альфа-частицами от 3 МэВ с плотностью потока 10¹² см^-2 высокоомная n-область GaAs меняла свои свойства, при этом возрастало объемное сопротивление, а на поверхности n-области GaAs образовывался полуизолирующий слой (область).

Создание данного приповерхностного полуизолирующего слоя позволяло снизить напряженность электрического поля на поверхности р-n перехода. При высокоэнергетичных облучениях тяжелыми частицами - протонами и альфа-частицами в кристаллической решетке арсенида галлия происходят ядерные реакции, следствием чего является небходимость выдержки образцов в течение длительного времени для устранения индуцированной радиоактивности. Структуры отжигались после облучения при Т=250÷350°С.

Исследования обработки GaAs структур высокоэнергетичными пучками электронов, протонов и α-частицами (легирование потоками водорода и гелия) показало существенную разницу в значениях прямого падения напряжения на анодном р-i-n переходе; если у кремния оно возрастает в несколько раз, то у GaAs в 1,15÷1,5 раза, т.е. при правильном подборе технологических параметров радиационной обработки комбинированными электронно-протонными потоками или электронами - α-частицами можно добиться исключительных динамических свойств СИТ. При правильном подборе профилей распределения радиационно-имплантированных атомов водорода и гелия в кристаллическую решетку GaAs СИТ-тиристора в наиболее критических зонах распределения неосновных носителей, в таких как прикатодная (затворная) область, областях n^--i и i-р^--р СИТ тиристорной GaAs структуры.

Предварительные исследования показали, что имеются дополнительные технологические конструктивные решения, сильно влияющие на динамику тиристорного ключа с полевым управлением, в частности, это связано с использованием взамен n⁺-GaAs катодной области 5 структуры на основе n или n⁺ типа проводимости гетероструктуры на основе AlGaAs. Такая структура вследствие большой ширины запрещенной зоны на 0,2÷0,4 В, чем у n^--GaAs, будет иметь повышенную способность инжекции электронов из приповерхностной n или n⁺-катодной зоны в n^--канал, связывающий катодную область с n^--базой, с инжекцией более горячих и более быстрых электронов из гетероперехода. Эффективная масса инжектированных из гетеропереходов электронов выше (в 1,2÷1,3 раза), чем у электронов в n^--базе GaAs и, следовательно, они слабее рассеиваются на ловушечных центрах кристаллической решетки в n^--базе, тем самым способствуя более эффективному и быстрому созданию электронно-дырочной плазмы в n^--базе и более глубокой модуляции проводимости базового выпрямительного n^--слоя СИТ-тиристора.

При сшивании зонных диаграмм n(n⁺) AlGaAs и n^- GaAs очевидно, что в зоне проводимости на границе гетероперехода возникает потенциальный барьер в 0,2÷0,4 В, а в валентной зоне разрыв ничтожно мал - несколько кТ. Это показывает, что в прилегающей зоне гетероперехода (т.е. в канале) образуется повышенная концентрация электронов, перемещенных из n(n⁺) зоны AlGaAs с большой энергией в n^--зону GaAs с меньшей энергетической зоной, эти электроны выполняют роль модулятора высокоомного канала прикатодной области. Еще одно очень необходимое качество вносится гетероструктурой AlGaAs n(n⁺)-типа, оно заключается в том, что величина прямого падения напряжения на открытом тиристоре снижается на величину потенциального барьера в области гетероперехода, т.е. на величину около 0,3 В, а это очень значительно, т.е. приводит к улучшению динамических свойств СИТ структуры при переключении.

Структура кристалла создается следующим образом (конкретный пример).

Методом LPE технологии на подложке р⁺-типа GaAs, легированной цинком (концентрация акцепторной примеси около 3·10⁹см^-3) диаметром 2÷3 дюйма выращиваются эпитаксиальные GaAs слои - p⁺-слой с уменьшением концентрации на три порядка и более от подложки с толщиной порядка 7÷10 мкм, затем р-слой со средней концентрацией акцепторной примеси до 10¹¹ и менее. Затем выращивается толстая эпитаксиальная зона, так называемая i-область с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей не более 10¹¹ см^-3. На ней выращивается тонкий буферный эпитаксиальный n-слой, на поверхности которого выполняется тонкий n⁺-слой с концентрацией не менее чем 10¹⁸ см^-3.

Данные эпитаксиальные слои легируются теллуром, оловом или др. Методом имплантации атомов цинка и термической диффузии в локальные участки на поверхности эпитаксиального слоя катода, создаются р⁺-зоны, а также кольцевые области планарного перехода (или планарный переход). В случае наращивания гетероструктуры AlGaAs на поверхности n^--слоя концентрация доноров увеличивается незначительно или остается равной в объеме. При необходимости не периферии планарного p⁺-n^- перехода создается меза-область с глубиной выравнивания до p⁺-зоны анода и пассивируется фотоимидом или другими защитными покрытиями для стабилизации высоковольтных областей верхнего и нижнего р-n переходов (затвор-база и база-анод). В этом еще одно преимущество данной структуры перед кремниевыми IGBT, т.е. она способна выдерживать обратные броски напряжения на СИТ-тиристоре, т.е. при включении, например, на индуктивную нагрузку в анодной цепи, когда запасенная энергия Е=LI²/2 создает условия для обратной полярности на аноде.

Контакты к анодной, катодной и затворной областям структуры создаются на основе систем следующих атомных соединений: Si, Au, Ge, Ti, Ni, Ag и др. с толщиной от сотен нанометров до нескольких тысяч.

Технико-экономическое преимущество данных тиристорных структур с полевым управлением заключается в том, что они могут полностью вытеснить функциональные аналоги - электронные ключи на основе кремниевых IGBT и MOSFET и создать условия для разработки значительно более эффективных преобразователей в диапазоне токов до 1,0 кА, напряжений до 1200 В и частот коммутации 0,3÷1,0 МГц.