RU2610388C2 - Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer - Google Patents

Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer Download PDF

Info

Publication number
RU2610388C2
RU2610388C2 RU2015112975A RU2015112975A RU2610388C2 RU 2610388 C2 RU2610388 C2 RU 2610388C2 RU 2015112975 A RU2015112975 A RU 2015112975A RU 2015112975 A RU2015112975 A RU 2015112975A RU 2610388 C2 RU2610388 C2 RU 2610388C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gaas
epitaxial layer
growing
cooling rate
pin structure
Prior art date
Application number
RU2015112975A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015112975A (en
Inventor
Виталий Львович Крюков
Евгений Витальевич Крюков
Леонид Александрович Меерович
Сергей Станиславович Стрельченко
Константин Анатольевич Титивкин
Александр Михайлович Николаенко
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Ме Га Эпитех"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Ме Га Эпитех" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Ме Га Эпитех"
Priority to RU2015112975A priority Critical patent/RU2610388C2/en
Publication of RU2015112975A publication Critical patent/RU2015112975A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2610388C2 publication Critical patent/RU2610388C2/en

Links

Images

Classifications

    • H01L21/208

Landscapes

  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Abstract

FIELD: microelectronics.
SUBSTANCE: invention relates to power microelectronic equipment, more specifically to methods of making semiconductor p-i-n structures of compounds A3B5 by liquid epitaxy methods. In method of simultaneous production of p-i-n structure GaAs. having p, i and n area in one epitaxial layer, during epitaxy when growing high-resistance of the i-area limited on both sides of low-alloyed p-and n-areas proposed to use elaborated mode of cooling letting without additional increase of growth of the gap between substrates to form required carrier concentration profile in the base area of structure.
EFFECT: technical result achieved at implementation of the developed method consists in reduction of direct voltage drop GaAs p-i-n structure with simultaneous reduction of back recovery time value.
1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое.A method for the simultaneous production of a p-i-n GaAs structure having p, i and n regions in one epitaxial layer.

Изобретение относится к области силовой микроэлектронной техники, а более конкретно к способам изготовления полупроводниковых p-i-n структур из соединений А3В5 методами жидкостной эпитаксии.The invention relates to the field of power microelectronic technology, and more particularly to methods for manufacturing semiconductor pin structures from compounds A 3 B 5 by liquid epitaxy methods.

Одной из важнейших задач силовой преобразовательной техники является увеличение удельной мощности изделия и сокращение его массы и габаритов. Для решения этой проблемы требуется переход на более высокие рабочие частоты и большую энергоплотность и соответственно применение новых быстродействующих компонентов. С другой стороны, ужесточение условий эксплуатации приборов современной силовой электроники диктует новые требования к параметрам надежности и устойчивости работы приборов при повышенных температурах. Выполнить эти жесткие условия, используя традиционную электронную компонентную базу (ЭКБ), уже не представляется возможным. Традиционный материал силовой электроники - кремний не в состоянии обеспечить современные требования к приборам в части быстродействия и устойчивости к перегревам. В качестве альтернативного решения используют широкозонные полупроводниковые материалы, такие как SiC, GaN, GaAs. Применение SiC и GaN связано с серьезными технологическими сложностями, что ограничивает получение приборных структур различного типа. В ряду широкозонных полупроводников GaAs (и его твердые растворы с AlAs) занимает существенно более выгодное положение, поскольку технология его получения достаточно проста и во многом сходна с технологией Si. Параметры же приборов (диапазон рабочей температуры, быстродействие, радиационная стойкость), реализуемые на основе системы GaAs-AlGaAs, существенно превосходят кремниевые аналоги при сопоставимой стоимости, которая, в свою очередь, в разы ниже стоимости производства приборов на основе SiC и GaN.One of the most important tasks of power converting equipment is to increase the specific power of the product and reduce its weight and dimensions. To solve this problem, a transition to higher operating frequencies and higher energy density and, accordingly, the use of new high-speed components are required. On the other hand, toughening the operating conditions of devices of modern power electronics dictates new requirements for the parameters of reliability and stability of operation of devices at elevated temperatures. It is no longer possible to fulfill these harsh conditions using a traditional electronic component base (ECB). The traditional material of power electronics - silicon is not able to provide modern requirements for devices in terms of speed and resistance to overheating. As an alternative solution, wide-gap semiconductor materials, such as SiC, GaN, GaAs, are used. The use of SiC and GaN is associated with serious technological difficulties, which limits the preparation of instrument structures of various types. Among the wide-gap semiconductors, GaAs (and its solid solutions with AlAs) occupies a much more favorable position, since the technology for its preparation is quite simple and in many ways similar to Si technology. The parameters of the devices (operating temperature range, speed, radiation resistance), implemented on the basis of the GaAs-AlGaAs system, significantly exceed silicon analogues at a comparable cost, which, in turn, is several times lower than the cost of manufacturing devices based on SiC and GaN.

Преимущества системы GaAs-AlGaAs для задач силовой электроники принципиально могут быть реализованы при использовании многослойных p-i-n-структур с протяженной высокоомной i-областью.The advantages of the GaAs-AlGaAs system for power electronics can in principle be realized using multilayer p-i-n structures with an extended high-resistance i-region.

Для получения p-i-n - структур GaAs-AlGaAs с протяженной высокоомной i-областью и высоким структурным совершенством наилучшим образом подходят эпитаксиальные методы, оптимальным из которых является метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ).To obtain p-i-n GaAs-AlGaAs structures with an extended high-resistance i-region and high structural perfection, epitaxial methods are best suited, the best of which is liquid-phase epitaxy (LPE).

Метод ЖФЭ позволяет получать структуры, обеспечивающие качественно новую совокупность характеристик силового диода, таких как:The LPE method allows one to obtain structures that provide a qualitatively new set of characteristics of a power diode, such as:

- высокие значения пробивного напряжения;- high breakdown voltage;

- исключительно высокое быстродействие (низкие значения времени обратного восстановления);- exceptionally high speed (low values of reverse recovery time);

- низкие значения прямого падения напряжения при рабочих токах;- low values of direct voltage drop at operating currents;

- низкие значения емкости p-i-n перехода в равновесном состоянии;- low capacitance of the p-i-n junction in equilibrium;

- высокая рабочая температура;- high working temperature;

- низкие значения величины тока обратного восстановления;- low values of reverse recovery current;

- низкие значения накопленного заряда;- low values of the accumulated charge;

- независимость времени обратного восстановления, величины тока обратного восстановления, заряда восстановления от температуры.- independence of the reverse recovery time, the magnitude of the reverse recovery current, the recovery charge from temperature.

Первые три характеристики являются ключевыми и во многом определяют основные параметры работы силового диода.The first three characteristics are key and largely determine the main parameters of the power diode.

Как отмечалось выше, высокие значения обратного пробивного напряжения в p-i-n-структурах GaAs-AlGaAs обеспечиваются наличием высокоомной области достаточной протяженности. Для повышения обратного пробивного напряжения толщину этой области необходимо увеличивать. Также важнейшей задачей является достижение оптимального соотношения между прямым напряжением на диоде (основная статическая характеристика) и временем обратного восстановления (основная динамическая характеристика), что всегда является компромиссом.As noted above, high values of the reverse breakdown voltage in the p-i-n structures of GaAs-AlGaAs are ensured by the presence of a high-resistance region of sufficient length. To increase the reverse breakdown voltage, the thickness of this region must be increased. Also, the most important task is to achieve the optimal ratio between the forward voltage on the diode (the main static characteristic) and the reverse recovery time (main dynamic characteristic), which is always a compromise.

Время обратного восстановления диода - основной параметр, характеризующий быстродействие диода. Это общепринятый параметр, известен в спецификациях всех ведущих фирм-производителей силовых диодов. Однако в литературе встречаются разночтения - например, время коммутации, время переключения, быстродействие диода или же максимально полная формулировка - время восстановления обратного тока диода. В материалах заявки использован более общий термин - «время обратного восстановления». Это соотношение не является жестко детерминированным и зависит от технологических особенностей получения p-i-n-структур с протяженной высокоомной i-областью.The reverse recovery time of the diode is the main parameter characterizing the speed of the diode. This is a generally accepted parameter, known in the specifications of all leading manufacturers of power diodes. However, there are discrepancies in the literature - for example, switching time, switching time, diode speed, or the most complete formulation - diode reverse current recovery time. In the application materials, a more general term is used - “reverse recovery time”. This ratio is not rigidly determined and depends on the technological features of obtaining p-i-n-structures with an extended high-resistance i-region.

Было показано (Крюков В.Л. и др. Перспективная технология получения высоковольтных p-i-n структур GaAs-AlGaAs для силовой электроники // «Наукоемкие технологии», т. 15, №2, 2014, http://www.radiotec.ru/catalog.php?cat=jr8&art=14236), что ключевые параметры p-i-n структуры AlGaAs/GaAs (обратное и прямое напряжения, быстродействие) в рамках процесса ЖФЭ во многом определяются особенностями профиля распределения концентрации носителей в базовой области структуры, который можно эффективно регулировать заданием требуемых технологических режимов. Здесь же был предложен способ управления временем обратного восстановления за счет корректировки профиля распределения концентрации носителей и, в частности, изменения толщины р-области.It was shown (VL Kryukov et al. Promising technology for producing high-voltage pin structures of GaAs-AlGaAs for power electronics // High-Tech Technologies, vol. 15, No. 2, 2014, http://www.radiotec.ru/catalog .php? cat = jr8 & art = 14236) that the key parameters of the pin structure of AlGaAs / GaAs (reverse and forward voltage, speed) in the framework of the LPE process are largely determined by the characteristics of the distribution profile of the carrier concentration in the base region of the structure, which can be effectively controlled by setting the required technological modes. Here, a method was proposed for controlling the reverse recovery time by adjusting the distribution profile of the carrier concentration and, in particular, changing the thickness of the p-region.

Известен (RU, патент 2031477, опубл. 20.03.1995) способ изготовления полупроводниковых структур на основе соединений AIIIBV методом жидкофазной эпитаксии, включающий отжиг раствора-расплава, введение в него легирующей примеси, создание пересыщения и выращивание эпитаксиального слоя, причем в качестве легирующей примеси используют соединения типа AIIBV 2 или AI 3 IBV 2 для выращивания слоев р-типа проводимости и AI 2 IIBV 3 I для выращивания слоя n-типа проводимости, при этом состав жидкой фазы формируют с предварительным учетом массы легирующих элементов и элементов AIII и BV, входящих в соединения AIIBV 2, AI 3 IBV 2 и AI 2 IIBV 2 I.There is a known (RU, patent 2031477, publ. 20.03.1995) method for manufacturing semiconductor structures based on compounds A III B V by liquid phase epitaxy, which includes annealing a solution-melt, introducing a dopant into it, creating a supersaturation and growing an epitaxial layer, moreover, as compounds of type A II B V 2 or A I 3 I B V 2 for growing p-type conductivity layers and A I 2 II B V 3 I for growing n-type conductivity layer, the composition of the liquid phase is formed with preliminary taking into account the mass of alloying elements and elements A III B V, included in the compound A II B V 2, A I 3 I B V 2 and 2 A I II B V 2 I.

Известный способ не пригоден для изготовления полупроводниковой p-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs.The known method is not suitable for the manufacture of a semiconductor p-i-n structure based on GaAs-GaAlAs compounds.

Известен также (RU, патент 2297690 опубл. 20.04.2007) способ изготовления полупроводниковой гетероструктуры на основе соединений А3В5 методом жидкофазной эпитаксии путем выращивания эпитаксиального слоя заданной толщины h0, рассогласованного по параметру решетки с материалом, на котором осуществляют выращивание упомянутого слоя. При реализации способа предварительно для данной ростовой системы строят экспериментальную градуировочную кривую зависимости максимальной толщины слоя hmax, при которой еще происходит его эпитаксиальный рост, от величины относительного рассогласования решеток f, а также строят расчетную градуировочную кривую зависимости минимальной толщины слоя hmin от величины относительного рассогласования решеток f и при заданной толщине h0 выращиваемого слоя выбирают такое относительное рассогласование решеток сопрягаемых материалов f, при котором h0 удовлетворяет выражению hmin<h0<hmax, мкм.There is also known (RU, patent 2297690 publ. 04/20/2007) a method of manufacturing a semiconductor heterostructure based on compounds A 3 B 5 by the method of liquid phase epitaxy by growing an epitaxial layer of a given thickness h 0 mismatched in the lattice parameter with the material on which the said layer is grown. When implementing the method, an experimental calibration curve is constructed for a given growth system, depending on the maximum layer thickness h max , at which its epitaxial growth also occurs, on the relative lattice mismatch f, and a calculated calibration curve is constructed for the minimum layer thickness h min on the relative mismatch lattices f and for a given thickness h 0 of the grown layer choose a relative mismatch of the lattices of the mating materials f, at which Ohm h 0 satisfies the expression h min <h 0 <h max , microns.

Известный способ не пригоден для изготовления полупроводниковой p-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs c высокими значениями обратного пробивного напряжения (более 600 В).The known method is not suitable for the manufacture of a semiconductor p-i-n structure based on GaAs-GaAlAs compounds with high values of reverse breakdown voltage (more than 600 V).

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является (RU, патент 2488911, опубл. 27.07.2013) способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, включающий нагрев исходной шихты до образования насыщенного раствора-расплава ее компонентов, взаимодействие раствора-расплава с компонентами для получения заданного состава раствора-расплава, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, имеющего p-i-n структуру, удаление подложки, покрытой слоем GaAs, имеющим p-i-n структуру, из-под расплава, причем компонентные составы растворов-расплавов для выращивания GaAs p-i-n структуры формируют в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах как минимум двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния SiO2 и оксид галлия (III), с последующим нагревом этой многокомпонентной шихты до температуры начала эпитаксии и выдержкой при этой температуре заранее установленное время.Closest to the claimed technical solution is (RU, patent 2488911, publ. 07.27.2013) a method for the simultaneous production of a pin GaAs structure having p, i and n regions in one epitaxial layer, including heating the initial charge to form a saturated solution-melt of its components , the interaction of the solution-melt with components to obtain a given composition of the solution-melt, the contact of the substrate with the resulting solution-melt, subsequent forced cooling to grow an epitaxial layer of GaAs, having o pin structure, removal of the substrate coated with a GaAs layer having a pin structure from the melt, and component compositions of solutions-melts for growing GaAs pin structures are formed in a dehydrated atmosphere by first introducing at least two additional solid components into the initial charge in certain amounts representing silicon dioxide SiO 2 and gallium (III) oxide, followed by heating this multicomponent charge to the temperature of the onset of epitaxy and holding at this temperature a predetermined time me

Недостатком известного способа можно признать высокое прямое падение напряжения получаемой GaAs p-i-n структуры при одновременном значительном времени обратного восстановления.The disadvantage of this method can be recognized as a high forward voltage drop of the resulting GaAs p-i-n structure with a significant reverse recovery time.

Техническая задача, решаемая путем реализации разработанного способа, состоит в оптимизации потребительских характеристик изготавливаемых полупроводниковых p-i-n структур на основе соединений GaAs-GaAlAs.The technical problem solved by implementing the developed method is to optimize the consumer characteristics of manufactured semiconductor p-i-n structures based on GaAs-GaAlAs compounds.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в снижении прямого падения напряжения GaAs p-i-n структуры при одновременном уменьшении величины времени обратного восстановления.The technical result achieved by the implementation of the developed method consists in reducing the direct voltage drop of the GaAs p-i-n structure while reducing the value of the reverse recovery time.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, включающий нагрев исходной шихты, формирование компонентных составов растворов-расплавов для выращивания GaAs p-i-n структуры в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах как минимум двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния и оксид галлия (III), осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, имеющего p-i-n структуру, удаление подложки, покрытой слоем GaAs, имеющим p-i-n структуру, из-под расплава, причем в ходе процесса эпитаксии при выращивании высокоомной i-области, ограниченную с двух сторон слаболегированными р-- и n--областями, применяют режим принудительного охлаждения, включающий в себя как минимум два этапа с различной скоростью охлаждения: первый - с более быстрой скоростью охлаждения в диапазоне Vохл=1.0-2.0°С/мин и второй - с медленной скоростью охлаждения Vохл=0.1-0.5°С/мин, а изменение скорости охлаждения производят при температуре инверсии типа проводимости.To achieve the indicated technical result, it is proposed to use the developed method for the simultaneous production of a GaAs pin structure having p, i and n regions in one epitaxial layer, including heating the initial charge, forming component compositions of solution-melts for growing a GaAs pin structure in a dehydrated atmosphere by first introducing it into the initial charge in certain quantities of at least two additional solid components, which are silicon dioxide and gallium oxide (III), implementation contact of the substrate with the obtained melt solution, subsequent forced cooling to grow a GaAs epitaxial layer having a pin structure, removing the substrate coated with a GaAs layer having a pin structure from the melt, and during the epitaxy process when growing a high-resistance i-region, it is limited on both sides weakly doped p - - and n - -domains, apply forced cooling mode, comprising at least two steps with different cooling rates: the first - with faster cooling rate RANGES OHL V e = 1.0-2.0 ° C / min, and the second - a slow cooling rate V OHL = 0.1-0.5 ° C / min, and the change rate of cooling is performed at a temperature conductivity type inversion.

Новизна разработанного технического решения состоит в том, что в известном способе единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, в ходе процесса эпитаксии при выращивании высокоомной i-области, ограниченной с двух сторон слаболегированными р-- и n--областями, предложено использовать разработанный режим охлаждения, позволяющий без дополнительного увеличения ростового зазора между подложками сформировать необходимый профиль распределения концентрации носителей в базовой области структуры, отличающийся более толстой i-областью и, одновременно, более тонкими р-- и n--областями, при этом режим охлаждения включает в себя как минимум два этапа с различной скоростью охлаждения: первый - с более быстрой скоростью охлаждения в диапазоне Vохл=1.0-2.0°С/мин и второй - с медленной скоростью охлаждения Vохл=0.1-0.5°С/мин, а изменение скорости охлаждения производится при температуре инверсии типа проводимости (изменения типа проводимости с р-на n-тип).Novelty developed technical solutions consists in the fact that in the known method of simultaneous receiving pin structure of GaAs, having a p, i and n region in a single epitaxial layer during the epitaxial process for growing a high-resistance i-region bounded on two sides weakly doped p - - and n - -domains proposed to use developed refrigeration, allowing no further increase the growth of the gap between the substrates to form a desired distribution profile of the carrier concentration in the base region strukt ry, wherein a thicker i-region and, simultaneously, a thin p - - and n - -domains, wherein the cooling mode includes at least two steps with different cooling rates: the first - with faster cooling rate in the range of V OHL = 1.0-2.0 ° C / min, and the second - a slow cooling rate V OHL = 0.1-0.5 ° C / min, and the change rate of cooling is performed at a temperature conductivity type inversion (change in conductivity type to the p-n-type).

Высокоомная инверсионная i-область с концентрацией носителей менее 1⋅1014 см-3 играет определяющую роль в достижении высоких значений обратного пробивного напряжения в высоковольтных GaAs p-i-n структурах, и увеличение толщины этого слоя приводит к повышению значений обратного пробивного напряжения.The high-resistance inversion i-region with a carrier concentration of less than 1 × 10 14 cm -3 plays a decisive role in achieving high values of reverse breakdown voltage in high-voltage GaAs pin structures, and an increase in the thickness of this layer leads to an increase in the values of reverse breakdown voltage.

Значительное уменьшение толщин слаболегированных р- и n-областей с концентрацией носителей 1⋅1014-3⋅1015 см-3 обеспечивает снижение прямого падения напряжения вследствие уменьшения последовательного сопротивления этих слоев. Также значительно повышается быстродействие структуры, поскольку в толстых слаболегированных р- и n-областях аккумулируется большой заряд накопления во время протекания прямого тока за счет большой плотности неосновных носителей заряда, а это увеличивает время обратного восстановления и, следовательно, ухудшает динамику диода.A significant decrease in the thickness of lightly doped p- and n-regions with a carrier concentration of 1⋅10 14 -3⋅10 15 cm -3 provides a decrease in the direct voltage drop due to a decrease in the series resistance of these layers. The performance of the structure is also significantly increased, since a large accumulation charge is accumulated in thick lightly doped p- and n-regions during the forward current flow due to the high density of minority charge carriers, and this increases the reverse recovery time and, therefore, worsens the dynamics of the diode.

В основу предлагаемого способа положен эффект изменения уровня легирования примесью в зависимости от скорости принудительного охлаждения в условиях процесса эпитаксиального наращивания слоев арсенида галлия методом ЖФЭ. Арсенид галлия является двухкомпонентным соединением и имеет две кристаллические подрешетки - галлия и мышьяка. Легирующие примеси могут находиться в разных подрешетках и обеспечивать разный тип проводимости в зависимости от типа примеси. Особенностью процесса ЖФЭ арсенида галлия является локальный недостаток, вследствие диффузионных ограничений в жидкой фазе, одного из кристаллообразующих компонентов - мышьяка на границе роста при избытке второго кристаллообразующего компонента - галлия, который в данном процессе является растворителем. В результате в эпитаксиальных слоях арсенида галлия, выращенных методом ЖФЭ, всегда наблюдается избыток вакансий мышьяка по отношению к вакансиям галлия. Диффузионные ограничения по мышьяку нарастают с понижением температуры эпитаксиального наращивания, и указанный дисбаланс усиливается. Поэтому концентрация примесей, входящих в подрешетку мышьяка, с понижением температуры эпитаксии растет и, наоборот, концентрация примесей, входящих в подрешетку галлия, снижается. Наиболее ярко это явление проявляется для амфотерных примесей IV группы, которые могут одновременно находиться в обеих подрешетках. Так, примесь кремния при высоких температурах эпитаксии предпочтительно входит в подрешетку галлия и дает n-тип проводимости, а при более низких температурах преобладает вхождение этой примеси в подрешетку мышьяка, что обеспечивает р-тип проводимости. Инверсия проводимости наступает в интервале температур эпитаксии 850-900°С.The basis of the proposed method is the effect of changing the level of doping with an impurity depending on the forced cooling rate under the conditions of the epitaxial build-up of gallium arsenide layers by the HPE method. Gallium arsenide is a two-component compound and has two crystalline sublattices - gallium and arsenic. Alloying impurities can be in different sublattices and provide different types of conductivity depending on the type of impurity. A feature of the LPE process of gallium arsenide is a local disadvantage, due to diffusion restrictions in the liquid phase, of one of the crystal-forming components - arsenic at the growth boundary with an excess of the second crystal-forming component - gallium, which in this process is a solvent. As a result, an excess of arsenic vacancies with respect to gallium vacancies is always observed in the epitaxial layers of gallium arsenide grown by LPE. Arsenic diffusion limits increase with decreasing epitaxial build-up temperature, and this imbalance increases. Therefore, the concentration of impurities entering the arsenic sublattice increases with decreasing epitaxy temperature, and, conversely, the concentration of impurities entering the gallium sublattice decreases. This phenomenon is most pronounced for amphoteric impurities of group IV, which can simultaneously be in both sublattices. Thus, an admixture of silicon at high epitaxy temperatures preferably enters the gallium sublattice and gives n-type conductivity, and at lower temperatures, the entry of this impurity into the arsenic sublattice predominates, which ensures p-type conductivity. Conductivity inversion occurs in the epitaxy temperature range of 850-900 ° C.

В предлагаемом способе основными легирующими примесями являются цинк, кремний и кислород. Цинк присутствует в растворе-расплаве вследствие травления сильнолегированной цинком подложки, а также в результате переноса через газовую фазу из подложки в раствор-расплав. Кремний и кислород намеренно вводятся в раствор-расплав в виде окислов. Кремний присутствует в растворе-расплаве в незначительных количествах, т.к. основное его количество связано с кислородом. Оставшийся кремний входит в эпитаксиальные слои в области своей самокомпенсации, что связано с проведением эпитаксиальных процессов в температурном интервале инверсии кремния. Таким образом, кремний оказывает незначительное влияние на процесс формирования различных областей проводимости в p-i-n структуре GaAs, а определяющую роль в этих процессах играют примеси цинка и кислорода. Цинк входит в подрешетку галлия и создает р-тип проводимости и формирует начальную р-область p-i-n структуры GaAs, в то время как кислород дает n-тип при вхождении в подрешетку мышьяка и обеспечивает формирование конечной n-области. Высокоомная i-область образуется при компенсации примеси цинка глубокой примесью кислорода.In the proposed method, the main alloying impurities are zinc, silicon and oxygen. Zinc is present in the melt solution due to etching of the zinc-doped substrate, and also as a result of transfer through the gas phase from the substrate to the melt solution. Silicon and oxygen are intentionally introduced into the molten solution in the form of oxides. Silicon is present in the solution-melt in insignificant quantities, because its main amount is associated with oxygen. The remaining silicon enters the epitaxial layers in the region of its self-compensation, which is associated with the implementation of epitaxial processes in the temperature range of the inversion of silicon. Thus, silicon has a negligible effect on the formation of various conduction regions in the p-i-n structure of GaAs, and zinc and oxygen impurities play a decisive role in these processes. Zinc enters the gallium sublattice and creates the p-type of conductivity and forms the initial p-region p-i-n of the GaAs structure, while oxygen gives the n-type when arsenic enters the sublattice and ensures the formation of the final n-region. The high-resistance i-region is formed upon compensation of zinc impurity by a deep admixture of oxygen.

Увеличение скорости охлаждения на начальном этапе эпитаксиального выращивания p-i-n структуры GaAs приводит к уменьшению легирования цинком начальной р-области и сокращению ее размеров, а дальнейшее снижение скорости охлаждения в ходе процесса приводит, наоборот, к уменьшению легирования кислородом конечной n-области и также к сокращению ее размеров. Одновременно растет высокоомная i-область вследствие повышения степени компенсации. Фактически реализуется новая форма профиля распределения носителей заряда в p-i-n структуре GaAs - V-образный профиль распределения трансформируется в U-образный (см. чертеж). На чертеже приведен профиль концентрации носителей в p-i-n структуре GaAs в зависимости от режима охлаждения, где указанная зависимость при ступенчатой скорости охлаждения показана сплошной линией, а полученная зависимость при постоянной скорости охлаждения показана пунктирной линией.An increase in the cooling rate at the initial stage of the epitaxial growth of the GaAs pin structure leads to a decrease in zinc doping of the initial p-region and a decrease in its size, while a further decrease in the cooling rate during the process leads, on the contrary, to a decrease in the oxygen doping of the final n-region and also to a reduction sizes. At the same time, the high-resistance i-region grows due to an increase in the degree of compensation. In fact, a new form of the carrier distribution profile is realized in the p-i-n GaAs structure - the V-shaped distribution profile is transformed into a U-shaped (see drawing). The drawing shows the concentration profile of carriers in the p-i-n structure of GaAs depending on the cooling mode, where the indicated dependence at a stepwise cooling rate is shown by a solid line, and the obtained dependence at a constant cooling rate is shown by a dashed line.

Таким образом достигается искомый эффект повышения толщины высокоомной i-области при одновременном снижении толщин р- и n-областей.Thus, the desired effect is achieved by increasing the thickness of the high-resistance i-region while reducing the thickness of the p- and n-regions.

Пример 1. Предложенный способ был опробован для получения высоковольтных p-i-n структур GaAs с обратным напряжением пробоя более 1000 В.Example 1. The proposed method was tested to obtain high-voltage p-i-n GaAs structures with a reverse breakdown voltage of more than 1000 V.

Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты. Проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs р+-типа проводимости в графитовую кассету прокачного типа с вертикальным расположением подложек. Зазор между подложками был выбран 2.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°С выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 90 минут при температуре 940°С и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 910°С, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs р+-типа проводимости и начинали последовательную кристаллизацию слоев эпитаксиальной структуры путем принудительного охлаждения ростовой системы с заданной скоростью.The components of the initial charge were pre-weighed. Gallium, charge components, and GaAs p + -type substrates were loaded into a graphite pumping cassette with a vertical arrangement of substrates. The gap between the substrates was chosen 2.5 mm. In a quartz reactor in a hydrogen atmosphere with a dew point of about -80 ° C, preliminary annealing of gallium melts with additional impurities (homogenization) was performed to dissolve all charge components in the melts and form solution-melts of the required composition for 90 minutes at a temperature of 940 ° C and flow hydrogen through a reactor of 3 l / min, after which the system was cooled to a temperature of 910 ° C, at which the first melt solution is brought into contact with the substrates GaAs p + -type conduction and crystallization began sequential layers epithio -axial structure by the forced cooling of the growth system at a predetermined rate.

Выращивание буферного эпитаксиального слоя р-типа проводимости проводили в интервале температур 910-900°С со скоростью охлаждения Vохл=0.7°С/мин. Затем при температуре 900°С производили смену растворов-расплавов, при этом одновременно повышали скорость охлаждения до значений Vохл=1.5°С/мин. На этой скорости охлаждения из второго раствора-расплава начинали выращивание основного p-i-n слоя вплоть до температуры инверсии - в данном случае 880°С, где скорость охлаждения вновь изменяли - резко уменьшали до значений Vохл=0.2°С/мин. и далее уже на этой скорости охлаждения продолжали выращивание основного р-i-n слоя. При температуре 840°С производили смену растворов-расплавов, а скорость охлаждения возвращали к начальному значению Vохл=0.7°С/мин. Далее в интервале температур 840-835°С из третьего раствора-расплава выращивали контактный n+-слой толщиной 3.5-4.5 мкм с концентрацией носителей (1.5-2.0)⋅1018 см-3. После этого очередной сменой раствора-расплава эпитаксию прекращали, систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии. Growing epitaxial buffer layer of p-type conductivity was carried out in the temperature range 910-900 ° C at a cooling rate V OHL = 0.7 ° C / min. Then at a temperature of 900 ° C changes the hotmelt solutions, at the same time cooling rate was increased to values V OHL = 1.5 ° C / min. At this cooling rate, from the second melt solution, the main pin layer was grown up to the inversion temperature — in this case, 880 ° С, where the cooling rate was changed again — it was sharply reduced to V cool = 0.2 ° С / min. and further, at this cooling rate, the main p-in layer continued to grow. At a temperature of 840 ° С, melt solutions were changed, and the cooling rate was returned to the initial value of V cool = 0.7 ° С / min. Then, in the temperature range of 840–835 ° С, a contact n + layer 3.5–4.5 μm thick with a carrier concentration of (1.5–2.0) × 10 18 cm –3 was grown from the third melt solution. After this, by another change of the melt solution, the epitaxy was stopped, the system was cooled to room temperature. The graphite cartridge was unloaded, the resulting structures were chemically washed from the remnants of the melt solution using standard technology.

Пример 2. Для сравнения с p-i-n структурами, получаемыми по предложенному способу (пример 1), изготавливали p-i-n структуры в аналогичном эпитаксиальном процессе, отличающимся только применением постоянной скорости принудительного охлаждения (0.7°С/мин) в ходе всего технологического цикла, как в ближайшем аналоге.Example 2. For comparison with pin structures obtained by the proposed method (example 1), pin structures were made in a similar epitaxial process, differing only in the use of a constant forced cooling rate (0.7 ° C / min) during the entire technological cycle, as in the closest analogue .

Из полученных эпитаксиальных структур GaAs были изготовлены диоды с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Измерения характеристик приборов проводили в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре (20°С). Сравнительный анализ базовых параметров диодов на основе GaAs р-i-n структур, полученных в условиях примера 1 и 2, приведен ниже в таблице.Diodes were fabricated from the obtained GaAs epitaxial structures using standard methods of photolithography, etching, sputtering, and contact burning. The characteristics of the devices were measured in continuous and pulsed modes at room temperature (20 ° С). A comparative analysis of the basic parameters of diodes based on GaAs p-i-n structures obtained under the conditions of examples 1 and 2 is shown in the table below.

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

UR - обратное пробивное напряжение (reversebias);U R - reverse breakdown voltage (reversebias);

UF - напряжения прямого смещения (forwardbias) при рабочем токе;U F - forward bias voltage at operating current;

trr - время обратного восстановления диода (reverserecoverytime).t rr is the reverse recovery time of the diode (reverserecoverytime).

Как следует из примеров, предложенный метод позволяет значительно улучшить, по сравнению с ближайшим аналогом, основные технические параметры GaAs p-i-n структур.As follows from the examples, the proposed method can significantly improve, in comparison with the closest analogue, the main technical parameters of GaAs p-i-n structures.

Claims (1)

Способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, включающий нагрев исходной шихты, формирование компонентных составов растворов-расплавов для выращивания GaAs p-i-n структуры в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах как минимум двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния и оксид галлия (III), осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, имеющего p-i-n структуру, удаление подложки, покрытой слоем GaAs, имеющим p-i-n структуру, из-под расплава, отличающийся тем, что в ходе процесса эпитаксии при выращивании высокоомной i-области, ограниченной с двух сторон слаболегированными р-- и n--областями, применяют режим принудительного охлаждения, включающий в себя как минимум два этапа с различной скоростью охлаждения: первый - с более быстрой скоростью охлаждения в диапазоне Vохл=1.0-2.0°С/мин и второй - с медленной скоростью охлаждения Vохл=0.1-0.5°С/мин, а изменение скорости охлаждения производят при температуре инверсии типа проводимости.A method for the simultaneous production of a GaAs pin structure having p, i and n regions in one epitaxial layer, comprising heating the initial charge, forming component compositions of solution-melts for growing the GaAs pin structure in a dehydrated atmosphere by first introducing at least two specific quantities into the initial charge additional solid components, which are silicon dioxide and gallium (III) oxide, contacting the substrate with the obtained melt solution, followed by forced cooling for growing the epitaxial layer GaAs, having a pin structure, the substrate removal, the coated layer of GaAs, having a pin structure from the melt, characterized in that, during the epitaxy process for growing a high-resistance i-region bounded on two sides weakly doped p - - and n - -domains, apply forced cooling mode, comprising at least two stages of cooling at different speeds: the first - with faster cooling rate in the range of V OHL = 1.0-2.0 ° C / min, and the second - a slow cooling rate V OHL = 0.1-0.5 ° C / min , and a change in the cooling rate is performed at an inversion temperature of the conductivity type.
RU2015112975A 2015-04-09 2015-04-09 Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer RU2610388C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015112975A RU2610388C2 (en) 2015-04-09 2015-04-09 Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015112975A RU2610388C2 (en) 2015-04-09 2015-04-09 Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015112975A RU2015112975A (en) 2016-10-27
RU2610388C2 true RU2610388C2 (en) 2017-02-09

Family

ID=57216133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015112975A RU2610388C2 (en) 2015-04-09 2015-04-09 Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2610388C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744350C1 (en) * 2020-06-22 2021-03-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук METHOD FOR MANUFACTURING THE SEMICONDUCTOR P-I-N STRUCTURE BASED ON GAAS-AlGAAS COMPOUNDS BY LIQUID-PHASE EPITAXY
RU2749501C1 (en) * 2020-10-06 2021-06-11 Общество с ограниченной ответственностью "ЭПИКОМ" Method for obtaining p-i-n structure based on gaas-gaalas compounds by liquid-phase epitaxy

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2031477C1 (en) * 1992-07-09 1995-03-20 Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН Process of manufacture of semiconductor structures based on compounds aiii bv by method of liquid-phase epitaxy
US5733815A (en) * 1992-05-22 1998-03-31 Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. Process for fabricating intrinsic layer and applications
US7049181B2 (en) * 2002-05-03 2006-05-23 M/A-Com Method of making heterojunction P-I-N diode
RU2297690C1 (en) * 2005-10-24 2007-04-20 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Method for manufacturing superconductor heterostructure around a3b5 compounds by way of liquid-phase epitaxy
US7217324B2 (en) * 2001-01-31 2007-05-15 Universite Pierre Et Marie Curie Method and device for producing an electronic GaAs detector for x-ray detection for imaging

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5733815A (en) * 1992-05-22 1998-03-31 Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. Process for fabricating intrinsic layer and applications
RU2031477C1 (en) * 1992-07-09 1995-03-20 Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН Process of manufacture of semiconductor structures based on compounds aiii bv by method of liquid-phase epitaxy
US7217324B2 (en) * 2001-01-31 2007-05-15 Universite Pierre Et Marie Curie Method and device for producing an electronic GaAs detector for x-ray detection for imaging
US7049181B2 (en) * 2002-05-03 2006-05-23 M/A-Com Method of making heterojunction P-I-N diode
RU2297690C1 (en) * 2005-10-24 2007-04-20 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Method for manufacturing superconductor heterostructure around a3b5 compounds by way of liquid-phase epitaxy

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RU 248S911 Cl, 27.07.2013. *
RU 248S911 Cl, 27.07.2013. RU 2297690 Cl, 20.04.2007. RU 2031477 Cl, 20.03.1995. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744350C1 (en) * 2020-06-22 2021-03-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук METHOD FOR MANUFACTURING THE SEMICONDUCTOR P-I-N STRUCTURE BASED ON GAAS-AlGAAS COMPOUNDS BY LIQUID-PHASE EPITAXY
RU2749501C1 (en) * 2020-10-06 2021-06-11 Общество с ограниченной ответственностью "ЭПИКОМ" Method for obtaining p-i-n structure based on gaas-gaalas compounds by liquid-phase epitaxy

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015112975A (en) 2016-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3650727B2 (en) Silicon carbide manufacturing method
JP3127342B2 (en) Synthetic semiconductors and their controlled doping
JP5081373B2 (en) Method for producing low impurity silicon carbide wafer
US8263484B2 (en) High resistivity silicon wafer and method for manufacturing the same
CN108987256B (en) Growth method of p-type AlGaN semiconductor material
WO2008140763A1 (en) Low etch pit density (epd) semi-insulating iii-v wafers
JPH0383332A (en) Manufacture of silicon carbide semiconductor device
US8202788B2 (en) Method for fabricating GaNAsSb semiconductor
Chandrashekhar et al. High purity semi-insulating 4H-SiC epitaxial layers by defect-competition epitaxy: controlling Si vacancies
RU2610388C2 (en) Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer
WO2018179567A1 (en) Compound semiconductor and method for producing single crystal of compound semiconductor
RU2668661C2 (en) METHOD OF PRODUCING MULTILAYER EPITAXIAL P-I-N STRUCTURE BASED ON GaAs-GaAlAs COMPOUNDS BY METHOD OF LIQUID-PHASE EPITAXY
WO2003003431A1 (en) Relaxed sige films by surfactant mediation
RU2297690C1 (en) Method for manufacturing superconductor heterostructure around a3b5 compounds by way of liquid-phase epitaxy
CN102560673A (en) Method for prolonging service life of current carrier of silicon carbide material
US3676228A (en) Method of making a p-n junction device
RU2639263C1 (en) METHOD OF PRODUCING MULTILAYER HETEROEPITAXIAL STRUCTURES IN AlGaAs SYSTEM BY LIQUID-PHASE EPITAXY METHOD
RU2647209C1 (en) METHOD FOR OBTAINING A MULTI-LAYER HETEROEPITAXIAL P-I-N STRUCTURE IN THE AlGaAs SYSTEM BY THE LIQUID PHASE EPITAXY METHOD
JP2004343133A (en) Manufacturing method of silicon carbide, silicon carbide, and semiconductor device
RU2744350C1 (en) METHOD FOR MANUFACTURING THE SEMICONDUCTOR P-I-N STRUCTURE BASED ON GAAS-AlGAAS COMPOUNDS BY LIQUID-PHASE EPITAXY
US3619304A (en) Method of manufacturing gallium phosphide electro luminescent diodes
RU2727124C1 (en) Method of producing low-alloy layer of gaas by liquid-phase epitaxy
KR102429972B1 (en) High resistivity wafer manufacturing method
RU2638575C1 (en) Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers
RU2749501C1 (en) Method for obtaining p-i-n structure based on gaas-gaalas compounds by liquid-phase epitaxy

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170410

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20171115

RH4A Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation

Effective date: 20180201

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210410