RU2803409C1 - Crystal of a high-voltage hyperspeed high-current diode with a schottky barrier and p-n junctions - Google Patents

Abstract

FIELD: semiconductor devices.

SUBSTANCE: crystal of a high-voltage hyperspeed high-current diode with a Schottky barrier and p⁺-n junctions with unipolar conductivity, the cathode part of which comprises a highly doped single-crystal substrate of n⁺-type conductivity with an epitaxial layer of n-type conductivity made on it, and the anode part comprises multicellular p⁺-n transitions in the near-surface volume of the n-type epitaxial layer and the Schottky barrier on the surface of the epitaxial layer of the n-type conductivity, ohmic contacts to the p⁺-regions of the p⁺-n junction and the Schottky barrier. According to the invention, the diode crystal is made on the basis of gallium arsenide and heterostructures based on it with complex unipolar-bipolar conductivity in the direct on state, the cathode part of which comprises a highly doped n⁺-type conductivity gallium arsenide single-crystal substrate, an epitaxial gallium arsenide single-crystal layer of n-type conductivity, and the anode part of the crystal comprises electrical interconnected parallel multicells of a field-effect transistor with a combined gate (TCG) in the form of p⁺-n junctions with an ohmic contact to the p⁺-region, p⁺- type of conductivity of a heterolayer of gallium, arsenic and aluminium atoms, a thin monolayer of gallium arsenide of p⁺-type conductivity, electrically connected through an ohmic contact with p⁺-regions and electrically connected through an ohmic contact to local source regions of the TCG with a Schottky barrier.

EFFECT: invention provides design of hyper-speed high-voltage power diodes with minimal forward voltage drop, ultra-low reverse resistance recovery times, increased operating current density and doubling operating temperature compared to known fast recovery diodes.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности, к высоковольтным гипербыстровосстанавливающимся диодам с удвоенной рабочей температурой эксплуатации по сравнению с гипербыстрыми кремниевыми и карбид-кремниевыми диодами, с комплексным униполярно-биполярным механизмом проводимости с созданием сверхплотной, сверхпроводящей электронно-дырочной плазмы при прямом включении, включая дифференциальное отрицательное сопротивление (ДОС) прямой вольт-амперная характеристика (ВАХ) с явлением лазерного охлаждения кристалла.The invention relates to the field of semiconductor devices, in particular, to high-voltage hyperfast recovery diodes with double the operating operating temperature compared to hyperfast silicon and silicon carbide diodes, with a complex unipolar-bipolar conductivity mechanism with the creation of superdense, superconducting electron-hole plasma when directly switched on, including differential negative resistance (DRO) direct current-voltage characteristic (CVC) with the phenomenon of laser cooling of the crystal.

Диоды нового комплексного униполярно-биполярного типа проводимости в прямовключенном состоянии с временем восстановления в наносекундном диапазоне в разы меньшим чем у SiC SBD (650 В) или SiC JBS (1200 В) и высокой частотой коммутации предназначены для новейшего поколения силовых высоковольтных преобразователей с новой схемотехнической архитектурой в таких важнейших областях энергосберегающих и «зеленых» технологий как солнечная энергетика (solar inverters), ветроэнергетика, радиационно стойкие ВИП для АЭС, электромобилестроение (ВИП, «двигатель – колесо»), бортовое энергообеспечение для авиакосмической техники (удвоенная температура эксплуатации, частота коммутации, радиационная стойкость), что позволяет резко (в разы) снизить массогабаритные размеры систем электропитания с применением силовых скоростных преобразователей напряжения с оптической и лазерной развязкой. Diodes of a new complex unipolar-bipolar conductivity type in the direct-on state with a recovery time in the nanosecond range several times shorter than that of SiC SBD (650 V) or SiC JBS (1200 V) and a high switching frequency are intended for the latest generation of high-voltage power converters with a new circuit architecture in such important areas of energy-saving and “green” technologies as solar energy (solar inverters), wind energy, radiation-resistant VIP for nuclear power plants, electric vehicle manufacturing (VIP, “engine-wheel”), on-board power supply for aerospace equipment (double operating temperature, switching frequency, radiation resistance), which makes it possible to sharply (by several times) reduce the weight and dimensions of power supply systems using high-speed power voltage converters with optical and laser isolation.

Как известно, в высоковольтных мощных силовых преобразователях, в частности, до 1700 В (75% мирового рынка силовой ЭКБ) используются кремниевые ультрабыстрые биполярные высоковольтные диоды (Si UFRED) фирм “Microsemi”, “IXYS” (США) и др., гипербыстрые кремниевые биполярные диоды (например, Si HyperFRED) с рабочими напряжениями до 600 ÷ 650 В (“Power Integrations”, США), ультрабыстрые кремниевые силовые диоды Шоттки до 200 ÷ 250 В (“Vishay”, США), а также SiC SBD до 650 В производства компаний “Cree”, США; “Infineon”, Германия и др. с частотами до нескольких мегагерц и временами восстановления до 15 наносекунд или SiC JBS производства этих же компаний (диоды Шоттки с p⁺ электроупрочняющими локальными областями в барьерной Шоттки – зоне) на 1200 В, 1700 В с временами от 30 наносекунд (1200 В) и более.As is known, in high-voltage high-power power converters, in particular, up to 1700 V (75% of the world market for power electronic components), silicon ultra-fast bipolar high-voltage diodes (Si UFRED) from the companies “Microsemi”, “IXYS” (USA), etc., hyperfast silicon bipolar diodes (for example, Si HyperFRED) with operating voltages up to 600 ÷ 650 V (“Power Integrations”, USA), ultra-fast silicon Schottky power diodes up to 200 ÷ 250 V (“Vishay”, USA), as well as SiC SBD up to 650 V produced by Cree companies, USA; “Infineon”, Germany, etc. with frequencies up to several megahertz and recovery times up to 15 nanoseconds or SiC JBS produced by the same companies (Schottky diodes with p ⁺ electrically strengthening local regions in the Schottky barrier zone) at 1200 V, 1700 V with times from 30 nanoseconds (1200 V) or more.

К недостаткам силовых кремниевых ультрабыстровосстанавливающихся диодов относятся большие прямые падения напряжения из-за обязательного применения радиационных технологий обработки кристалла с целью увеличения быстродействия с значительной потерей при этом удельного токосъема при прямом включении. The disadvantages of power silicon ultra-fast recovery diodes include large forward voltage drops due to the mandatory use of radiation technologies for crystal processing in order to increase performance with a significant loss of specific current collection during direct connection.

Необходимо отметить и давно известный недостаток кремниевых ультра- и гипербыстрых диодов – это резкая зависимость заряда восстановления от роста рабочей температуры; так, к примеру, при T_case = 25°C и T_case = 100°C объемный заряд Q_rr и, соответственно, время восстановления увеличиваются в 2,5 раза, т.е. это приводит к пропорциональному падению частоты преобразования.It should be noted that the long-known disadvantage of silicon ultra- and hyperfast diodes is the sharp dependence of the recovery charge on the increase in operating temperature; so, for example, at T _case = 25°C and T _case = 100°C, the space charge Q _rr and, accordingly, the recovery time increase by 2.5 times, i.e. this leads to a proportional drop in the conversion frequency.

Силовые Si SBD имеют конструктивно-технологическое исполнение в лучшем случае до 200 ÷ 250 В, например, производства компании Vishay Intertechnology Inc. (Vishay), США (фактически с Белорусскими интеллектуальными истоками), они также ограничены по рабочей температуре кристалла (T_j ≤ 150 ÷ 175°C) и имеют времена восстановления обратного сопротивления до τ_rr ~ 20 наносек. (25°С), а при напряжениях свыше 300 В они не конкурентоспособны не только по прямому падению напряжения (основное преимущество диодов Шоттки/SBD), но и по быстродействию. Так, например, Si SBD на 1200 В будет иметь прямое падение напряжения, сопоставимое с алмазными SBD (U_F ~ 8 ÷ 10 В), что неприемлемо для силовых преобразователей.Power Si SBDs have a design and technological design in the best case up to 200 ÷ 250 V, for example, manufactured by Vishay Intertechnology Inc. (Vishay), USA (in fact, with Belarusian intellectual origins), they are also limited by the operating temperature of the crystal (T _j ≤ 150 ÷ 175°C) and have reverse resistance recovery times of up to τ _rr ~ 20 nanoseconds. (25°C), and at voltages above 300 V they are not competitive not only in terms of forward voltage drop (the main advantage of Schottky/SBD diodes), but also in terms of speed. For example, a 1200 V Si SBD will have a forward voltage drop comparable to diamond SBDs ( _UF ~ 8 ÷ 10 V), which is unacceptable for power converters.

SiC SBD на рабочие напряжения U_RRM = 650 В хороши для преобразования на частотах вплоть до нескольких мегагерц, но есть очевидные недостатки, а именно – сверхбольшая емкость в равновесном состоянии и, из-за малой подвижности электронов, - невысокая проводимость σ = qnμ_n, вследствие этого достаточно малое значение τ_rr ≤ 15 наносек. теряет значимость, поскольку чаще всего на частоту коммутации влияет RC – цепь, где R – сопротивление/проводимость диода при прямом включении, С – емкость барьерного перехода в равновесном состоянии.SiC SBD for operating voltages U _RRM = 650 V are good for conversion at frequencies up to several megahertz, but there are obvious disadvantages, namely, an ultra-high capacitance in the equilibrium state and, due to low electron mobility, low conductivity σ = qnμ _n , As a result, the value of τ _rr ≤ 15 nanoseconds is quite small. loses significance, since most often the switching frequency is affected by the RC circuit, where R is the resistance/conductivity of the diode when connected directly, C is the capacitance of the barrier junction in the equilibrium state.

Кроме всего прочего, у SiC SBD есть и другой существенный недостаток, а именно: либо они имеют обратные рабочие напряжения U_RRM = 600 или 650 вольт, либо это уже не SBD, а, к примеру, SiC JBS. По этой причине невозможно реализовать на SiC монокристаллах диоды Шоттки, допустим, на 100 ÷ 500 В или 700 ÷ 1000 В, в результате чего на рынке силовой ЭКБ они занимают в лучшем случае определенную коммерческую нишу. Among other things, SiC SBDs have another significant drawback, namely: either they have reverse operating voltages U _RRM = 600 or 650 volts, or they are no longer SBDs, but, for example, SiC JBSs. For this reason, it is impossible to implement Schottky diodes on SiC single crystals, for example, at 100 ÷ 500 V or 700 ÷ 1000 V, as a result of which they occupy, at best, a certain commercial niche in the power electronic components market.

Говорить о GaN UFRED или HyperFRED – пока беспочвенно в силу того, что разработки Китая, США, Японии и других стран начиная с 2016 г. не имеют коммерческого выхода. Что касается «борного» алмазного SBD, то выше уже сказано, что такие диоды с U_F = 8 ÷ 10 В нет смысла применять в преобразователях (сверхнизкие КПД), кроме того, они «текут» при обратных напряжениях при температуре чипа свыше T_j ≥ 300°C. Надежды, связанные с созданием снижающих U_F нитрид-галлиевых слоев под барьером Шоттки на алмазе решают частично задачу на мелких слаботочных кристаллах (при рабочих температурах из-за ТКР возникают огромные тензонапряжения между слоями алмаза и нитрида галлия, которые отличаются на порядок).Talking about GaN UFRED or HyperFRED is still groundless due to the fact that developments in China, the USA, Japan and other countries have not had commercial release since 2016. As for the “boron” diamond SBD, it has already been said above that there is no point in using such diodes with U _F = 8 ÷ 10 V in converters (ultra-low efficiency), in addition, they “flow” at reverse voltages at a chip temperature above T _j ≥ 300°C. Hopes associated with the creation of _UF -reducing gallium nitride layers under the Schottky barrier on diamond partially solve the problem on small, low-current crystals (at operating temperatures, due to TCR, huge tensile stresses arise between the layers of diamond and gallium nitride, which differ by an order of magnitude).

В результате анализа зарубежных и отечественных научно-технических источников информации в качестве ближайшего прототипа выбрана конструкция кристалла высоковольтного силового карбид-кремниевого диода Шоттки с p-n локальными переходами, по западной классификации – SiC JBS диод, например, серии C3D10÷50120H. Данная конструкция диода является основополагающей для выпуска SiC JBS диодов в объеме сотни тысяч штук в месяц в крупнейших мировых фирмах – производителях силовой электроники, таких как “Cree”, “Microsemi”, “IXYS” (все - США), “Infineon” (Германия) и др.As a result of the analysis of foreign and domestic scientific and technical sources of information, the design of a crystal of a high-voltage power silicon carbide Schottky diode with p-n local junctions, according to the Western classification - SiC JBS diode, for example, the C3D10÷50120H series, was chosen as the closest prototype. This diode design is fundamental for the production of SiC JBS diodes in the amount of hundreds of thousands of pieces per month in the world's largest power electronics manufacturers, such as Cree, Microsemi, IXYS (all USA), Infineon (Germany) ) and etc.

Кристалл SiC JBS содержит монокристаллическую SiC подложку n⁺ - типа проводимости, выращенный на ней 10 ÷ 20 мкм n-слой монокристалла SiC, барьер Шоттки с мультивключениями p⁺ локальных областей на поверхности n-слоя, шунтирующих барьер Шоттки. p⁺-слои конструктивно предназначены для повышения пробивных напряжений SiC JBS. Но у SiC JBS диодов кроме вышеперечисленных проблем, которые присутствуют у 600 ÷ 650 вольтовых SiC SBD, добавляется проблема срабатывания мультиячеистого p⁺ - n перехода при напряжениях U_F ≥ 2,8 ÷ 2,9 В (что продиктовано собственным потенциалом на p-n переходе $$$$ $${\phi }_T=\frac{kT}{q}\ln \frac{N_A}{N_D}$$ , The SiC JBS crystal contains a single-crystal SiC substrate of n ⁺ - conductivity type, a 10 ÷ 20 μm n-layer of SiC single crystal grown on it, a Schottky barrier with multi-inclusions of p ⁺ local regions on the surface of the n-layer, shunting the Schottky barrier. p ⁺ layers are structurally designed to increase the breakdown voltage of SiC JBS. But for SiC JBS diodes, in addition to the above problems that are present in 600 ÷ 650 volt SiC SBDs, there is the added problem of triggering a multi-cell p ⁺ - n junction at voltages U _F ≥ 2.8 ÷ 2.9 V (which is dictated by the self-potential at the pn junction $$$$ $${\phi }_T=\frac{kT}{q}\ln \frac{N_A}{N_D}$$ ,

где N_A – концентрация акцепторной примеси в p⁺ - локальных областях, а N_D – концентрация донорной примеси в эпитаксиальном n – слое SBD.where N _A is the concentration of acceptor impurity in p ⁺ - local regions, and N _D is the concentration of donor impurity in the epitaxial n – layer of SBD.

При включении p-i-n структуры SiC JBS – выходят из строя («горят как спички») из-за сверхнизкой подвижности дырок в n-области SiC кристалла, а это практически неизбежно при бесконтрольном росте рабочей температуры (при рабочих температурах кристалла
T_j > 175°C SiC JBS превращаются по сути дела в терморезистор), уровня токов за пределами области безопасной работы (прямая ОБР) или с ростом частоты коммутации (> 1,0 МГц), когда резко возрастает высокочастотное значение прямого падения напряжения
(U_{F ВЧ} > 2,9 В).When the pin is turned on, SiC JBS structures fail (“burn like matches”) due to the ultra-low mobility of holes in the n-region of the SiC crystal, and this is almost inevitable with an uncontrolled increase in operating temperature (at operating temperatures of the crystal
T _j > 175°C SiC JBS essentially turn into a thermistor), current levels outside the safe operating range (direct OBR) or with increasing switching frequency (> 1.0 MHz), when the high-frequency value of the forward voltage drop sharply increases
(U _{F HF} > 2.9 V).

Техническая проблема заявленного изобретения заключается в создании универсальной конструкции гиперскоростных высоковольтных силовых диодов с минимальными значениями прямого падения напряжения, сверхнизкими временами восстановления обратного сопротивления, увеличением удельной плотности рабочих токов и удвоением рабочей температуры эксплуатации.The technical problem of the claimed invention is to create a universal design of hyper-speed high-voltage power diodes with minimal values of forward voltage drop, ultra-low recovery times of reverse resistance, an increase in the specific density of operating currents and doubling of the operating operating temperature.

Технический результат заключается в решении указанной технической проблемы.The technical result consists in solving the specified technical problem.

Технический результат достигается тем, что в известной конструкции кристалла высоковольтного сильноточного диода с барьером Шоттки и p-n переходами с униполярной проводимостью, катодная часть которого содержит высоколегированную кремниевую или карбид-кремниевую монокристаллическую подложку 1 n⁺- типа проводимости с выполненным на ней эпитаксиальным слоем 2 n-типа проводимости, а анодная часть содержит мультиячеистые p-n переходы 3 в приповерхностном объеме n-типа эпитаксиального слоя и барьер Шоттки 4 на поверхности эпитаксиального слоя n-типа проводимости с электрическим контактом к p-областям p-n перехода, с электроупрочняющими концентрическими расширенным электродом 5 или меза-канавками, или охранным p-типа кольцом, или делительными p-типа кольцами по периферии активной анодной области кристалла 6, омические контакты 7, выполнено следующее:The technical result is achieved by the fact that in the known design of a crystal of a high-voltage high-current diode with a Schottky barrier and pn junctions with unipolar conductivity, the cathode part of which contains a highly doped silicon or silicon carbide monocrystalline substrate of 1 n ⁺ - type conductivity with an epitaxial layer of 2 n- made on it type of conductivity, and the anode part contains multicellular pn junctions 3 in the near-surface volume of the n-type epitaxial layer and a Schottky barrier 4 on the surface of the epitaxial layer of n-type conductivity with electrical contact to the p-regions of the pn junction, with electrically strengthening concentric expanded electrodes 5 or mesa- grooves, or a p-type guard ring, or p-type dividing rings along the periphery of the active anode region of the crystal 6, ohmic contacts 7, the following is done:

1. Катодная часть кристалла, содержащая монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальные слои – монослой 2 или гетерослои 9, выполненные из арсенида галлия или атомов галлия, мышьяка и алюминия, обеспечивающих комплексную униполярно-биполярную проводимость в прямовключенном состоянии.1. The cathode part of the crystal, containing a single-crystal substrate 1, epitaxial layers - monolayer 2 or heterolayers 9, made of gallium arsenide or gallium, arsenic and aluminum atoms, providing complex unipolar-bipolar conductivity in the directly switched state.

2. Анодная часть кристалла содержит электрические взаимосвязанные параллельные мультиячейки полевого транзистора 8 с объединенным затвором (ТОЗ) в виде p⁺-n переходов с омическим контактом к p⁺-области, p⁺-типа проводимости гетерослоя 10 из атомов галлия, мышьяка и алюминия, тонкого монослоя арсенида галлия 11 p⁺-типа проводимости, электрически связанные через омический контакт 7 с p⁺-областями 3 и электрически через омический контакт соединенные с локальными истоковыми областями ТОЗ с барьером Шоттки 4.2. The anode part of the crystal contains electrically interconnected parallel multicells of a field-effect transistor 8 with an integrated gate (TOG) in the form of p ⁺ -n junctions with an ohmic contact to the p ⁺ -region, p ⁺ -type conductivity of the heterolayer 10 of gallium, arsenic and aluminum atoms, a thin monolayer of gallium arsenide 11 p ⁺ -type conductivity, electrically connected through an ohmic contact 7 with p ⁺ -regions 3 and electrically connected through an ohmic contact to the local source regions of the TOZ with a Schottky barrier 4.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, где приводятся:The essence of the proposed invention is illustrated in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, which provides:

- Сильнолегированная арсенид-галлиевая подложка 1, эпитаксиальный арсенид-галлиевый монослой n-типа проводимости 2, взаимосвязанные p⁺-области p-n переходов 3, ячеистые барьеры Шоттки 4, расширенный электрод 5, периферийная n-приповерхностная область 6, омические контакты 7, ячейка полевого транзистора с объединенным затвором в виде p⁺-n перехода 8, гетероэпитаксиальные слои AlGaAs: - Heavily doped gallium arsenide substrate 1, epitaxial gallium arsenide monolayer n-type conductivity 2, interconnected p ⁺ -regions of pn junctions 3, cellular Schottky barriers 4, extended electrode 5, peripheral n-surface region 6, ohmic contacts 7, field cell transistor with a combined gate in the form of a p ⁺ -n junction 8, heteroepitaxial AlGaAs layers:

n⁺-типа 9, p⁺-типа 10, тонкий моноэпитаксиальный слой n⁺-типа проводимости 11.n ⁺ -type 9, p ⁺ -type 10, thin monoepitaxial layer of n ⁺ -type conductivity 11.

Приведенная на Фиг. 1 структура высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода впервые в мировой практике показывает возможность реализации двухстадийной комплексной униполярно-биполярной проводимости в диодной структуре при обратных напряжениях до 1200 вольт и выше.Shown in Fig. 1, the structure of a high-voltage hyperspeed gallium arsenide diode for the first time in world practice shows the possibility of implementing two-stage complex unipolar-bipolar conductivity in a diode structure at reverse voltages of up to 1200 volts and higher.

В силу специфики электрофизических параметров, таких как важнейшие характеристики – подвижность электронов (μ_n), реализовать уникальные свойства униполярно-биполярного диода с рабочими напряжениями свыше 300 В на таких промышленных материалах как кремний или карбид кремния – невозможно. В первом случае – из-за сверхбольших напряжений в открытом состоянии (U_F), во втором – из-за сверхнизкой подвижности дырок и “SF” – эффекта, приводящего к разрушению гексагональной 4H-SiC или 6H-SiC кристаллических структур карбида кремния.Due to the specificity of electrophysical parameters, such as the most important characteristics - electron mobility (μ _n ), it is impossible to realize the unique properties of a unipolar-bipolar diode with operating voltages above 300 V on such industrial materials as silicon or silicon carbide. In the first case, due to ultra-high voltages in the open state ( _UF ), in the second, due to ultra-low mobility of holes and the “SF” effect, leading to the destruction of hexagonal 4H-SiC or 6H-SiC crystal structures of silicon carbide.

Что касается нитрида галлия, то в силу специфики сэндвич-структур на материнских подложках SiC/AlN или (еще хуже) Si-SiC-AlN, реализация вертикальной структуры GaN UFRED или HyperFRED пока невозможна, хотя появляется фундаментальная тринитридная технология создания вертикальных материнских структур GaN и AlGaN/GaN с последующим использованием высоколегированных монокристаллических подложек GaN n⁺- типа для силовой ЭКБ. Но эти работы еще не завершены. Уделять внимание высоковольтным GaN SBD или GaN p-i-n диодам горизонтального исполнения пока не следует, поскольку, несмотря на ряд публикаций по созданию подобных структур в США, Японии, Китае, на мировом рынке к 2022 году не было ни одного высоковольтного GaN SBD или p-i-n диода.As for gallium nitride, due to the specifics of sandwich structures on SiC/AlN or (even worse) Si-SiC-AlN mother substrates, the implementation of a vertical GaN UFRED or HyperFRED structure is not yet possible, although fundamental trinitride technology for creating vertical GaN mother structures and AlGaN/GaN with subsequent use of highly doped single-crystalline GaN n ⁺ - type substrates for power electronic components. But these works are not completed yet. You should not yet pay attention to high-voltage GaN SBD or GaN pin diodes of horizontal design, since, despite a number of publications on the creation of similar structures in the USA, Japan, and China, by 2022 there was not a single high-voltage GaN SBD or pin diode on the world market.

В итоге, главное достижение предполагаемого изобретения – это интеграция в одном кристалле моно- и гетерокристаллов арсенида галлия двух диодных структур – диода Шоттки и p-i-n диода с уникальным достижением одновременно гиперскоростей переключения и исключительно низких значений (а в случае гетероэпитаксиального исполнения даже ниже чем у интегрированного диода Шоттки) прямых падений напряжений U_F, стремящихся к значениям меньше чем 0,7 ÷ 0,8 В, типовых для GaAs или SiC диодов Шоттки, сверхнизкий уровень прямых напряжений, в частности, при ДОС на прямой ВАХ.As a result, the main achievement of the proposed invention is the integration in one crystal of mono- and heterocrystals of gallium arsenide of two diode structures - a Schottky diode and a pin diode with the unique achievement of simultaneously hyper switching speeds and exceptionally low values (and in the case of heteroepitaxial design, even lower than that of an integrated diode Schottky) direct voltage drops U _F , tending to values less than 0.7 ÷ 0.8 V, typical for GaAs or SiC Schottky diodes, ultra-low level of forward voltages, in particular, with DOS on the direct current-voltage characteristic.

Принцип работы заключается в следующем:The operating principle is as follows:

Исходя из подбора ширины истоковой области (расстояние между p⁺ - затворами), определяемое как $$L\ge 2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_D}}$$ , где εε₀ – диэлектрическая постоянная арсенида галлия,Based on the selection of the width of the source region (the distance between p ⁺ - gates), defined as $$L\ge 2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_D}}$$ , where εε ₀ is the dielectric constant of gallium arsenide,

U – приложенное обратное напряжение, q – заряд электрона, а N_D – концентрация доноров при прямом смещении от 0,7 ÷ 0,8 вольт на интегральной Шоттки и p-n диодной структуре, появляется термоэмиссионный ток от катода к аноду, в данном случае электронов, с увеличением прямого напряжения свыше 1,0 В включается p-i-n диод вследствие инжекции дырок в n-области катода. При этом создаются условия резкого снижения сопротивления в n-слое комплексной диодной структуры.U is the applied reverse voltage, q is the electron charge, and N _D is the donor concentration at a forward bias of 0.7 ÷ 0.8 volts on the integrated Schottky and pn diode structure, a thermionic current appears from the cathode to the anode, in this case electrons, with an increase in forward voltage above 1.0 V, the pin diode turns on due to the injection of holes in the n-region of the cathode. This creates conditions for a sharp decrease in resistance in the n-layer of the complex diode structure.

При создании гетерослоя n⁺-типа в катодной области реализуется изотипный n⁺-n типа диодный гетеропереход, и в этом случае механизм переноса электронов в барьер Шоттки в пределах 0,7 ÷ 1,0 В носит инжекционный характер и плотность тока диода Шоттки возрастает в разы, а при создании гетероструктуры p⁺-типа в анодной области происходит одновременная инжекция электронов и дырок из гетерообластей при резком падении напряжения на диодной структуре в целом из-за разности подвижности электронов и дырок в n-слое GaAs практически на порядок. Вследствие этого накопленный заряд электронов в области транзистора с объединенным затвором (ТОЗ) структуры экранирует и снижает потенциал катодной области, приводя к эффекту дифференциального отрицательного сопротивления (ДОС).When creating an n ⁺ -type heterolayer in the cathode region, an isotype n ⁺ -n type diode heterojunction is realized, and in this case, the mechanism of electron transfer to the Schottky barrier within the range of 0.7 ÷ 1.0 V is of an injection nature and the current density of the Schottky diode increases by times, and when creating a p ⁺ -type heterostructure in the anode region, simultaneous injection of electrons and holes from the heteroregions occurs with a sharp drop in voltage across the diode structure as a whole due to the difference in the mobility of electrons and holes in the n-layer of GaAs by almost an order of magnitude. As a result, the accumulated charge of electrons in the region of the integrated gate transistor (TGT) structure shields and reduces the potential of the cathode region, leading to the effect of differential negative resistance (DRO).

При обратном смещении срабатывает формула $$L=2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_D}}$$ , вследствие чего истоковая область перекрывается областью пространственного заряда (ОПЗ), что приводит к усилению пробивных напряжений в зоне барьер Шоттки – катодная область. Это имеет огромное значение и с позиции быстродействия, поскольку значение емкости диодной структуры уменьшается практически на порядок при снижении прямого сопротивления диода в несколько раз.When reverse bias occurs, the formula works $$L=2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_D}}$$ , as a result of which the source region is overlapped by the space charge region (SCR), which leads to an increase in breakdown voltages in the Schottky barrier - cathode region. This is also of great importance from the point of view of performance, since the capacitance value of the diode structure decreases by almost an order of magnitude when the direct resistance of the diode decreases several times.

Конкретный пример изготовления GaAs кристалла по предполагаемому изобретению состоит в следующем:A specific example of manufacturing a GaAs crystal according to the proposed invention is as follows:

- На монокристаллической n⁺-GaAs толстой подложке диаметром 76 мм (три дюйма) выращивается LPE методом n-типа эпитаксиальный слой толщиной от 10 до 50 мкм в зависимости от значений пробивного напряжения (от 300 до 1200 В) с уровнем легирующей донорной примеси от 10¹⁴см^-3 до 10¹⁵см^-3.- On a single-crystal n ⁺ -GaAs thick substrate with a diameter of 76 mm (three inches), an LPE is grown using the n-type epitaxial layer with a thickness of 10 to 50 microns, depending on the breakdown voltage values (from 300 to 1200 V) with a donor dopant level of 10 ¹⁴ cm ^-3 to 10 ¹⁵ cm ^-3 .

- На поверхности n-GaAs слоя выращиваются или моно-GaAs p⁺-слои (локальным осаждением в вытравленные ПХТ методом канавки или методом диффузии атомов Zn через маску нитрида кремния с последующей ХДП полировкой на установке Logitech, Шотландия) до уровня n-слоя с удалением фоновой примеси цинка и созданием затворных p⁺-областей ТОЗ и одновременно анодной инжекционной области. Барьер Шоттки в виде системы Ni-GaAs или Ti-GaAs (Ni и Ti обладают наименьшей работой выхода, немного больше чем 4,0 эВ, при создании барьера Шоттки).- On the surface of the n-GaAs layer, either mono-GaAs p ⁺ -layers are grown (by local deposition into etched PCT using the groove method or by the method of diffusion of Zn atoms through a silicon nitride mask followed by HDP polishing on a Logitech installation, Scotland) to the level of the n-layer with removal background impurity of zinc and the creation of gate p ⁺ -regions of TOZ and at the same time an anodic injection region. Schottky barrier in the form of a Ni-GaAs or Ti-GaAs system (Ni and Ti have the lowest work function, slightly more than 4.0 eV, when creating a Schottky barrier).

- Омические контакты создаются на основе системы Au-Ge/Ni/Au в процессе напыления, «взрывной» фотолитографии и гальванического осаждения Au толщиной до 4.0 мкм.- Ohmic contacts are created on the basis of the Au-Ge/Ni/Au system in the process of sputtering, “explosive” photolithography and galvanic deposition of Au up to 4.0 microns thick.

- В качестве защиты используется ALD нанослоевой Al₂O₃ с последующим нанесением фотоимида.- ALD nanolayer Al ₂ O ₃ is used as protection followed by application of photoimide.

- Гетерослой n⁺-типа проводимости создается LPE методом.- A heterolayer of n ⁺ -type conductivity is created by the LPE method.

- p⁺-типа гетеро- и монослой создается MOCVD способом путем осаждения в локальные щелевые области.- p ⁺ -type hetero- and monolayers are created by the MOCVD method by deposition into local slot regions.

Claims (1)

Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p⁺-n переходами с униполярной проводимостью, катодная часть которого содержит высоколегированную монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с выполненным на ней эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, а анодная часть содержит мультиячеистые p⁺-n переходы в приповерхностном объеме n-типа эпитаксиального слоя и барьер Шоттки на поверхности эпитаксиального слоя n-типа проводимости, омические контакты к p⁺-областям p⁺-n перехода и барьеру Шоттки, отличающийся тем, что кристалл диода выполнен на основе арсенида галлия и гетероструктур на его основе с комплексной униполярно-биполярной проводимостью в прямовключенном состоянии, катодная часть которого содержит высоколегированную n⁺-типа проводимости арсенид-галлиевую монокристаллическую подложку, выполненный на ней эпитаксиальный арсенид-галлиевый монокристаллический слой n-типа проводимости, а анодная часть кристалла содержит электрические взаимосвязанные параллельные мультиячейки полевого транзистора с объединенным затвором (ТОЗ) в виде p⁺-n переходов с омическим контактом к p⁺-области, p⁺-типа проводимости гетерослоя из атомов галлия, мышьяка и алюминия, тонкого монослоя арсенида галлия p⁺-типа проводимости, электрически связанные через омический контакт с p⁺-областями и электрически через омический контакт соединенные с локальными истоковыми областями ТОЗ с барьером Шоттки.A crystal of a high-voltage hyper-speed high-current diode with a Schottky barrier and p ⁺ -n junctions with unipolar conductivity, the cathode part of which contains a highly doped single-crystalline substrate of n ⁺ -type conductivity with an n-type conductivity epitaxial layer made on it, and the anode part contains multicellular p ⁺ -n transitions in the surface volume of the n-type epitaxial layer and the Schottky barrier on the surface of the epitaxial layer of n-type conductivity, ohmic contacts to the p ⁺ -regions of the p ⁺ -n junction and the Schottky barrier, characterized in that the diode crystal is made on the basis of gallium arsenide and heterostructures based on it with complex unipolar-bipolar conductivity in the directly-on state, the cathode part of which contains a highly doped n ⁺ -type conductivity gallium arsenide single-crystal substrate, an epitaxial gallium arsenide single-crystal layer of n-type conductivity made on it, and the anode part of the crystal contains electrically interconnected parallel multicells of a field-effect transistor with an integrated gate (TOG) in the form of p ⁺ -n junctions with an ohmic contact to the p ⁺ -region, p ⁺ -type conductivity heterolayer of gallium, arsenic and aluminum atoms, a thin monolayer of gallium arsenide p ⁺ -type conductivity, electrically connected through an ohmic contact with the p ⁺ -regions and electrically connected through an ohmic contact with the local source regions of the TOZ with a Schottky barrier.