МУЛЬТИЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛА ДВУХИНЖЕКЦИОННОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГИПЕРБЫСТРОВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ ДИОДА НА ОСНОВЕ ГАЛЛИЯ И МЫШЬЯКА

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к конструированию сильноточных ультрабыстровосстанавливающихся (Ultrafast Recovery diodes - UFRED) и гипербыстровосстанавливающихся (Hyperfast Recovery diodes - Hyper-FRED) высоковольтных диодов с низкими прямыми падениями напряжения, высокой рабочей температурой, низкими временами восстановления тока обратного переключения. В высокочастотных корректорах коэффициента мощности высокочастотных источников вторичного электропитания, в частотнорегулируемом электроприводе, в ВЧ выпрямителях и других устройствах применяются быстровосстанавливающиеся диоды на основе арсенида галлия (GaAs) с конструктивным исполнением по типу диодов Шоттки или биполярных диодов, выполненные на эпитаксиальном GaAs материале с биполярным диффузионным или диффузионно-дрейфовым механизмом переноса носителей заряда. Диоды Шоттки на основе арсенида галлия (GaAs) выпускаются фирмой IXYS (США) (www.ixys.com) и фирмой ТТ Electronics Semelab (www.semelab.com). Данные диоды имеют значительные ограничения максимально допустимых токов (≤50 А/чип), напряжений (до 250÷300 В) из-за структурных несовершенств применяемых MOCVD эпитаксиальных структур GaAs и, как следствие, невысокой надежности перехода барьер Шоттки - полупроводник; другим серьезным ограничением является достаточно высокая барьерная емкость Шоттки-перехода, ограничивающая частотный потолок коммутации данных диодов и, следовательно, ограничение применяемости в высокочастотных преобразователях.

Наиболее близким техническим решением является структура кристалла силового диода на основе соединения арсенида галлия, изложенная в патенте United States Patent №5,733,815, Mar. 31, 1998, авторы Г.А. Ашкинази и др. [1]. Кристалл силового диода, приведенного в вышеуказанном авторском свидетельстве, (анодная часть), содержит монокристаллическую подложку из арсенида галлия р⁺-типа проводимости, однородно легированную цинком с концентрацией свыше 5×10¹⁸ см^-3. На указанную монокристаллическую подложку методом жидкостной эпитаксии наносятся слои p- и n-типов из арсенида галлия, при этом p-типа проводимости эпитаксиальный слой имеет толщину не менее 10 мкм, а n-типа эпитаксиальный слой (катодная часть) - толщину не менее 15 мкм. Между эпитаксиальными слоями p- и n-типов проводимости находится область с разностной концентрацией акцепторных и донорных примесей менее чем 10¹² см^-3, разностная концентрация акцепторной и донорной примесей в эпитаксиальном слое p-типа проводимости, в данном случае цинка, плавно уменьшается от значения 5·10¹⁸ см^-3, на границе раздела монокристаллическая подложка - эпитаксиальный слой до значения разностных концентраций акцепторных и донорных примесей менее чем 10¹² см^-3. Далее располагается эпитаксиальная i-область толщиной 3÷70 мкм с разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси менее чем 10¹² см^-3, и на эту область создается в едином технологическом процессе эпитаксиальный слой (катодной части) n-типа толщиной не менее 15 мкм, с плавным увеличением разностной концентрации от 10¹² см^-3 до значений 1,0·10¹⁶ см^-3. Ограничение разностной концентрации донорной и акцепторной примеси значением 10¹⁶ см^-3 связано, по мнению авторов [1], с резким увеличением плотности дислокаций кристаллической решетки GaAs эпитаксиального, приводящих к значительному уменьшению обратного напряжения.

Внутри i-области находится металлургический p-n переход с разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси менее чем 10¹² см^-3. Ширина указанной области составляет в конкретном случае [1] при максимальных обратных напряжениях 200÷700 В - 3÷15 мкм, 700÷1500 В - 30÷50 мкм, 1500÷2000 В - 40÷60 мкм.

Указанное техническое решение [1] имеет ряд противоречивых требований и недостатков:

1). «…максимальное значение разностной концентрации в эпитаксиальном слое n-типа, которое имеет место на поверхности диода, не должно превышать величину 10¹⁶ см^-3, в противном случае за счет повышения плотности дислокаций обратное напряжение уменьшается». [1]

Но известно, что при поверхностной концентрации на эпитаксиальных или монокристаллических подложках GaAs n-типа меньше чем 10¹⁸ см^-3 создать хороший омический контакт или невыпрямляющий контакт с низким значением паразитного сопротивления чрезвычайно сложно, скорее невозможно, а это противоречит формуле и конструкции известного решения [1], направленного на увеличение максимальных токов на единицу площади GaAs диода.

2). Наличие плавно спадающей концентрации акцепторной примеси в решении [1], в данном случае цинка, в эпитаксиальном слое p-типа от значений 5·10¹⁹ см^-3 до 10¹² см^-3 от границы раздела до области с разностной концентрацией 10¹² см^-3 не является гарантией резкого снижения плотности дислокаций в слое p-типа проводимости, что влияет на уровень дислокаций в области между p и n эпитаксиальными слоями с разностной концентрацией в 10¹² см^-3, а это влияет на максимально допустимые обратные напряжения. Чем выше содержание акцепторной примеси (Zn) в p⁺-подложке, тем выше уровень дефектности подложки.

3). Указанное в известном решении [1] ограничение объемной разностной концентрации донорной и акцепторных примесей в эпитаксиальном слое n-типа значением 1,5·10¹⁵ см^-3÷1,0·10¹⁶ см^-3 и, следовательно, необходимой толщины высокоомного эпитаксиального слоя n-типа проводимости, из-за значительных величин ширины области пространственного заряда, приводит к резкому снижению возможности создания высокоэффективных быстродействующих, с гипермалыми временами восстановления обратного тока GaAs диодов (<50 наносек), в частности, в диапазоне рабочих напряжений 600÷800 В для создания однофазных ультрабыстрых и гипербыстрых диодных мостов и полумостов для высокочастотных преобразователей с частотой коммутации до 2,0 МГц, а также однофазных инверторов, построенных на основе комбинированных высокоскоростных ключей в GaAs диодами.

4). Наличие толстого высокоомного и эпитаксиального слоя n-типа в указанном известном решении [1] является исключительно важным фактором, ограничивающим быстродействие данной p-i-n GaAs структуры и снижением эффективности инжекции носителей заряда p-i-n GaAs структуры.

Техническим результатом данного изобретения является:

- снижение прямого падения напряжения вольт-амперной характеристики;

- резкое повышение плотности тока прямого включения;

- повышение быстродействия до уровня нескольких десятков наносекунд.

Технический результат достигается тем, что в известном решении [1] исключается высокомный n-типа эпитаксиальный слой, примыкающий к i-области, а взамен его вводятся эпитаксиальные высоколегированные n⁺-типа проводимости слои из соединений GaAs или комбинаций GaAs и AlGaAs (соединений алюминия, галлия и мышьяка), легированные такими примесными атомами, образующими донорные уровни, как кремний (Si), теллур (Те), олово (Sn), с уровнем легирования на несколько порядков выше, чем в примыкающей к ним i-области.

Решение данной задачи заключается в том, что, в отличие от известного решения силового GaAs диода [1], содержащего высоколегированную монокристаллическую GaAs подложку 1 p⁺-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей ≥5·10¹⁸ см^-3, на которой последовательно выполнены: эпитаксиальный GaAs слой p-типа проводимости 2 с изменяющейся разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей от 5·10¹⁸ см^-3 до разностной концентрации не более чем 10¹² см^-3 и толщиной не менее 10 мкм; p-n - переходный эпитаксиальный GaAs i-слой 3 толщиной 3÷70 мкм с областью пространственного заряда и внутренним мультиэпитаксиальным металлургическим p-n переходом с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не более чем 10¹² см^-3; высокоомный эпитаксиальный GaAs слой n-типа проводимости 4 с изменяющейся разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей от уровня на границе раздела с p-n переходным i-слоем до уровня 10¹⁶ см^-3 и толщиной не менее 15 мкм, выполнено следующее:

- высоколегированная монокристаллическая GaAs подложка 1 p⁺-типа проводимости имеет разностную концентрацию акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·10¹⁸ см^-3 и толщину не менее чем 200 мкм;

- эпитаксиальный слой 2 p-типа проводимости имеет толщину не менее 5,0 мкм и содержит изменяющуюся разностную концентрацию акцепторной и донорной легирующих примесей от значений концентрации легирующих примесей в монокристаллической p⁺-типа проводимости GaAs подложке до значений не более чем (*3начение корня квадратного от количества атомов в 1,0 см³ арсенида галлия);

- p-n переходный по типу проводимости эпитаксиальный GaAs i-слой 3, имеющий толщину 5,0÷100 мкм, содержащий область пространственного заряда и внутрирасположенную мультиэпитаксиальную металлургическую переходную зону с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в мультиэпитаксиальной металлургической переходной зоне меньше либо равной ;

- из конструкции известного решения [1] p-i-n GaAs диода исключается высокоомный эпитаксиальный GaAs слой 4 n-типа проводимости, выполненный на i-эпитаксиальном слое 3 с изменяющейся разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей от концентрации примесей на границе раздела с i-переходным слоем 3 до 10¹⁶ см^-3 и толщиной не менее 10 мкм;

- взамен высокоомного эпитаксиального GaAs слоя 4 n-типа проводимости вводится одно из двух последующих конструктивно-технологических решений:

1) высоколегированный эпитаксиальный GaAs слой 5 n⁺-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в приповерхностном слое не менее чем 10¹⁷ см^-3 и толщиной не менее 0,1 мкм;

2) или - два последовательных высоколегированных n⁺-типа проводимости эпитаксиальных слоя: GaAs буферного эпитаксиального слоя 5 с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 10¹⁷ см^-3 и толщиной не менее 0,1 мкм и AlGaAs слоя 6 с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·10¹⁷ см^-3 и толщиной не менее 0,1 мкм;

На Фиг.1 показано известное решение прототипа [1], где приводятся профили распределения легирующих акцепторной и донорной примесей в GaAs p-i-n структуре, где показаны:

- монокристаллическая сильнолегированная GaAs подложка 1 p⁺-типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси 5·10¹⁹ см^-3 толщиной не менее 300 мкм;

- GaAs эпитаксиальный p-типа проводимости слой 2 с меняющейся концентрацией акцепторной примеси от 5·10¹⁹ см^-3 до 10¹² см^-3 и менее и имеющий толщину не менее 10 мкм;

- p-n-переходный эпитаксиальный GaAs i-слой 3 толщиной 3÷70 мкм, содержащий металлургический переход, с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не более чем 10¹² см^-3;

- высокоомный GaAs эпитаксиальный слой 4 n-типа проводимости с изменяющейся концентрацией донорной и акцепторной легирующих примесей от концентрации на границе раздела с i-слоем 3 до 10¹⁶ см^-3 и толщиной не менее 15 мкм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на Фиг.2, 3, где приводятся распределения легирующих акцепторных и донорных примесей в p-i-n GaAs и p-i-n AlGaAs/GaAs структурах. На Фиг.2, 3 показано следующее:

- высоколегированная монокристаллическая GaAs подложка 1 с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·10¹⁸ см^-3;

- эпитаксиальный GaAs слой 2 с изменяющейся разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей от концентрации в высоколегированной подложке до значений меньше либо равных и толщиной не менее 5 мкм;

- p-n переходный по типу проводимости эпитаксиальный GaAs i-слой 3, имеющий толщину 5÷100 мкм с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в мультиэпитаксиальной металлургической переходной зоне меньше либо равной ;

- высоколегированный эпитаксиальный GaAs слой n⁺-типа 5 с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в приповерхностном слое не менее чем 10¹⁷ см^-3 и толщиной не менее 0,1 мкм;

- высоколегированный гетероэпитаксиальный AlGaAs слой 6 n⁺-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·10¹⁷ см^-3 и толщиной не менее 0,1 мкм.

Концентрация легирующей акцепторной примеси атомов Zn в монокристаллической подложке оказывает определяющее влияние на плотность дефектов на поверхности исходной GaAs подложки p⁺-типа, чем выше концентрация легирующей примеси, тем выше плотность дефектов, тем выше вероятность перенести данные дефекты в процессе эпитаксиального роста в эпитаксиальную p-i-n GaAs, AlGaAs структуры, поэтому в подложке необходимо снижать уровень легирования акцепторной примеси до до уровня намного ниже чем 5·10¹⁹ см^-3. Это благоприятно сказывается при выращивании слоя p-типа проводимости, концентрацию примесей в котором легче регулировать, управлять процессом подавления дефектов в p-слое.

Определяющую роль в p-i-n GaAs, AlGaAs/GaAs структурах выполняет p-n переходный i-слой (физический p-n переход), содержащий область пространственного заряда и внутренний мультиметаллургический переход разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей меньше либо равной . Данный слой получается за счет сложных технологических приемов во время жидкостной эпитаксии с использованием амфотерных свойств легирующих атомов кремния (Si).

Уникальность i-слоя в следующем:

- через него достаточно эффективно выполняется инжекция носителей;

- он имеет высокую электропрочность, превышающую 3·10⁵ В/см (~30 В/мкм);

- вследствие обеспечения большой по значению ширины физического p-n перехода резко, в 20÷30 раз, снижается емкость по сравнению с кремниевыми, карбид-кремниевыми p-n или барьерными переходами;

- увеличивает частотные и динамические свойства.

Исключение GaAs n-типа проводимости высокоомного слоя направлено на повышение быстродействия и увеличение плотности токов создаваемой p⁺-i-n⁺ структуры, поскольку в высокоомном слое n-типа (базе) аккумулируются большие значения заряда накопления во время протекания прямого тока за счет большой плотности неосновных носителей тока, в данном случае - дырок, а это увеличивает время восстановления обратного тока и, следовательно, ухудшает динамику диода.

Таким образом, в предлагаемом изобретении конструкция диода приобретает вид p⁺-i-n⁺ структуры без использования традиционной высокоомной базовой области диодных структур, в частности кремниевых. Вследствие этого p⁺- и n⁺-области новой конструкции диода способны инжектировать в i-переходную область дырки и электроны соответственно, т.е. носители заряда. В i-зоне одновременно оказываются инжектированные с анодной и катодной областей дырки и электроны с неравновесной концентрацией носителей, образующих токопроводящую электронно-дырочную плазму высокой плотности и высокой проводимости, вследствие этого возрастает плотность прямосмещенного тока и нет составляющей роста прямого падения напряжения за счет высокоомной n-типа базы.

Такой двухинжекционный диод является новым решением или модификацией известной модели Шокли p-n перехода, фактически это p⁺-n⁺ высоковольтный диод, содержащий физический p-n переход в виде i-области, с отсутствием в конструкции диодной структуры общепринятой (классической) высокоомной базы.

Инжекция электронов со стороны катодной области диода осуществляется либо из n⁺-GaAs слоя, либо из n⁺-AlGaAs слоя, либо комбинации буферного GaAs слоя (т.е. слоя, предохраняющего переходную гетерообласть от электрического поля при больших напряжениях, но позволяющего производить эффективную инжекцию из гетерослоя) и n⁺-AlGaAs слоя, который за счет большей ширины запрещенной зоны обеспечивает более эффективную инжекцию электронов через буферный слой или напрямую в i-область, или возможна комбинация n⁺-типа GaAs, AlGaAs и GaAs последовательных слоев с целью снижения механических напряжений, обеспечения высокой гетероэффективной инжекции электронов в i-область и выполнения надежного омического контакта к приповерхностному GaAs n⁺-эпитаксиальному слою.

Концентрации легирующих примесей в катодных n⁺-областях в каждом случае подбираются экспериментально.

В процессе переключения тока в p⁺-i-n⁺ приведенной структуре с прямого на обратный (приложение обратного напряжения), в отличие от традиционной диодной структуры с высокоомной базой, механизм переключения и рассасывания накопленного заряда в i-области (электронно-дырочной плазмы) становится преимущественно дрейфово-диффузионным, а не диффузионно-дрейфовым, как, к примеру, в обычных кремниевых высоковольтных быстровосстанавливающихся диодах, т.е. происходит экстракция носителей приложенным электрическим полем - дырок в анод (p-зону), электронов - в катод (n-зону), с одновременной рекомбинацией на глубоких уровнях. Данный механизм рассасывания накопленного заряда в электронно-дырочной плазме оказывает определяющее влияние на частотные свойства и динамику предложенной новой конструкции диодов («безбазовой» конструкции диодного кристалла).

По вышеуказанной конструкции были получены экспериментальные образцы:

1). p⁺-i-n⁺ GaAs диодов с n⁺ GaAs катодом толщиной до 3,0 мкм и концентрацией донорной примеси 1·10¹⁸ см^-3, с прямым напряжением U_F≤1,2 В при прямом токе I_F=3 А, с обратными пробивными напряжениями U_RRM≥920 В (при толщине i-слоя около 50 мкм) и временем восстановления при переключении из открытого в закрытое (непроводящее) состояние τ_rr<30 нсек. При di/dt=200 А/мкс U_RRM=200 В;

2). Экспериментальные образцы p⁺-i-n⁺/n⁺ AlGaAs/GaAs диодов с катодом n⁺-n⁺ типа, выполненного на основе последовательных эпитаксиальных слоев n⁺-GaAs и n⁺-AlGaAs, на которых получены прямые падения напряжения ниже на 0,15÷0,2 В, чем в диодной конструкции p⁺-i-n⁺ на моноэпитаксиальном GaAs.

Конкретный пример выполнения p⁺-i-n⁺ диодных структур следующий:

На исходную GaAs монокристаллическую подложку толщиной 300 мкм, ⌀ 50,6 мм, легированную Zn до концентрации 1·10¹⁹ см^-3, в едином технологическом процессе жидкофазной эпитаксии в кварцевом реакторе из раствора GaAs в Ga из промежутка между двумя р⁺ GaAs подложками, легированными Zn (с N_A>10¹⁹ см^-3) в потоке Н₂ с принудительным охлаждением, выращивались последовательно p-слой 2, i-переходный слой 3, n-высоковольтная область 4, высоколегированная n⁺ GaAs область 5. Полученная эпитаксиальная p-i-n структура имеет металлургические переходы внутри i-эпитаксиальной области 3. Процессы жидкостной эпитаксии проводились при относительно низкой температуре ~950°C. Измерение диффузионной длины электронов L_n проводилось на тестовых р⁺-р-n⁺ структурах с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей в пределах от 10¹⁴ до 10¹⁷ см^-3. Профиль распределения донорной и акцепторной примесей определялся C-V методом характеристик р-n перехода, а также на установках косого шлифа.

Время жизни неравновесных носителей - дырок определялось по фотоотклику. Были установлены значения L_p и τ_p в зависимости от разностной концентрации донорной и акцепторной примесей, а также зависимость τ_p и L_p от уровня инжекции и плотности внесенного заряда.

В случае создания гетероструктуры AlGaAs использовался тот же метод жидкостной эпитаксии с наращиванием эпитаксиального слоя из расплава мышьяка в галлии с добавкой алюминия с использованием легирующих примесей теллура (Те) или олова (Sn) при температурах на 120÷150°C ниже, чем при процессе создания эпитаксиальной p-i-n структуры.

С учетом коэффициента сегрегации примесей вышеуказанных легирующих добавок задается трехступенчатый температурный градиент рекристаллизации эпитаксиального слоя из жидкого раствора Al_xGa_1-xAs для обеспечения высокого преобладания донорной примеси над акцепторной.