RU2803409C1 - Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p-n переходами - Google Patents
Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p-n переходами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2803409C1 RU2803409C1 RU2022122240A RU2022122240A RU2803409C1 RU 2803409 C1 RU2803409 C1 RU 2803409C1 RU 2022122240 A RU2022122240 A RU 2022122240A RU 2022122240 A RU2022122240 A RU 2022122240A RU 2803409 C1 RU2803409 C1 RU 2803409C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystal
- type conductivity
- conductivity
- schottky barrier
- gallium arsenide
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. 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. Согласно изобретению 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. Изобретение обеспечивает создания 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 по сравнению с известными быстро восстанавливающимися диодами. 3 ил.
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.
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.
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.
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.
Необходимо отметить и давно известный недостаток кремниевых ультра- и гипербыстрых диодов – это резкая зависимость заряда восстановления от роста рабочей температуры; так, к примеру, при Tcase = 25°C и Tcase = 100°C объемный заряд Qrr и, соответственно, время восстановления увеличиваются в 2,5 раза, т.е. это приводит к пропорциональному падению частоты преобразования.
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 (Tj ≤ 150 ÷ 175°C) и имеют времена восстановления обратного сопротивления до τrr ~ 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 (UF ~ 8 ÷ 10 В), что неприемлемо для силовых преобразователей.
SiC SBD на рабочие напряжения URRM = 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 = qnμn, вследствие этого достаточно малое значение τrr ≤ 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.
Кроме всего прочего, у SiC SBD есть и другой существенный недостаток, а именно: либо они имеют обратные рабочие напряжения URRM = 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.
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 UF = 8 ÷ 10 В нет смысла применять в преобразователях (сверхнизкие КПД), кроме того, они «текут» при обратных напряжениях при температуре чипа свыше Tj ≥ 300°C. Надежды, связанные с созданием снижающих UF 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).
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.
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 UF ≥ 2,8 ÷ 2,9 В (что продиктовано собственным потенциалом на p-n переходе ,
где NA – концентрация акцепторной примеси в p+ - локальных областях, а ND – концентрация донорной примеси в эпитаксиальном n – слое 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
Tj > 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
(UF ВЧ > 2,9 В).
Tj > 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
(UF ВЧ > 2,9 В).
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.
Технический результат заключается в решении указанной технической проблемы.
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:
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.
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.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, где приводятся:
- 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:
n+-типа 9, p+-типа 10, тонкий моноэпитаксиальный слой n+-типа проводимости 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.
В силу специфики электрофизических параметров, таких как важнейшие характеристики – подвижность электронов (μn), 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 (UF), во втором – из-за сверхнизкой подвижности дырок и “SF” – эффекта, приводящего к разрушению гексагональной 4H-SiC или 6H-SiC кристаллических структур карбида кремния.
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.
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 UF, 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.
Принцип работы заключается в следующем:
Исходя из подбора ширины истоковой области (расстояние между p+ - затворами), определяемое как , где εε0 – диэлектрическая постоянная арсенида галлия,
U – приложенное обратное напряжение, q – заряд электрона, а ND – 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.
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).
При обратном смещении срабатывает формула , 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.
Конкретный пример изготовления GaAs кристалла по предполагаемому изобретению состоит в следующем:
- 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.
- 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).
- Омические контакты создаются на основе системы Au-Ge/Ni/Au в процессе напыления, «взрывной» фотолитографии и гальванического осаждения Au толщиной до 4.0 мкм.
- В качестве защиты используется ALD нанослоевой Al2O3 с последующим нанесением фотоимида.
- Гетерослой n+-типа проводимости создается LPE методом.
- p+-типа гетеро- и монослой создается MOCVD способом путем осаждения в локальные щелевые области.
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.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2803409C1 true RU2803409C1 (ru) | 2023-09-12 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2105385C1 (ru) * | 1994-10-18 | 1998-02-20 | Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов | Полупроводниковый прибор с барьером шоттки |
WO2007123803A1 (en) * | 2006-04-04 | 2007-11-01 | Semisouth Laboratories, Inc. | Junction barrier schottky rectifiers and methods of making thereof |
RU203016U1 (ru) * | 2019-11-05 | 2021-03-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" (МПГУ) | Терагерцовый планарный диод с барьером Шоттки с анодным электродом в форме зигзагообразного мостика |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2105385C1 (ru) * | 1994-10-18 | 1998-02-20 | Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов | Полупроводниковый прибор с барьером шоттки |
WO2007123803A1 (en) * | 2006-04-04 | 2007-11-01 | Semisouth Laboratories, Inc. | Junction barrier schottky rectifiers and methods of making thereof |
RU203016U1 (ru) * | 2019-11-05 | 2021-03-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" (МПГУ) | Терагерцовый планарный диод с барьером Шоттки с анодным электродом в форме зигзагообразного мостика |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВОЙТОВИЧ В., ГОРДЕЕВ А., Эскизы контуров силовой электроники середины текущего века, Силовая электроника N5, 2015, С.9-15. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2007240996B2 (en) | Junction barrier Schottky rectifiers and methods of making thereof | |
EP1947700B1 (en) | Low voltage diode with reduced parasitic resistance and method for fabricating | |
JP2022065153A (ja) | ショットキーバリアダイオード及びpn接合部 | |
US9722029B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device | |
US8304783B2 (en) | Schottky diodes including polysilicon having low barrier heights and methods of fabricating the same | |
RU2803409C1 (ru) | Кристалл высоковольтного гиперскоростного сильноточного диода с барьером Шоттки и p-n переходами | |
Das et al. | Ultra high power 10 kV, 50 A SiC PiN diodes | |
CN111180528A (zh) | 一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构 | |
JP5119146B2 (ja) | 双方向阻止能力を有する高電圧炭化珪素デバイス及びその作製方法 | |
RU172077U1 (ru) | Дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния | |
CN112242449B (zh) | 一种基于SiC衬底沟槽型MPS二极管元胞结构 | |
CN210325811U (zh) | 一种碳化硅异质结二极管功率器件 | |
RU2805563C1 (ru) | КРИСТАЛЛ СИЛОВОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ДИОДА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ И p-n ПЕРЕХОДАМИ | |
US9647058B2 (en) | Diode | |
RU2791861C1 (ru) | Кристалл униполярно-биполярного силового высоковольтного гиперскоростного арсенид-галлиевого диода с гетеропереходами с фотонными и фотовольтаидными свойствами | |
RU174126U1 (ru) | Алмазный диод с барьером шоттки | |
RU2472249C2 (ru) | Кристалл ультрабыстрого высоковольтного сильноточного арсенид-галлиевого диода | |
CN112531007A (zh) | 具有梯度深度p型区域的结势垒肖特基二极管及制备方法 | |
US20040104384A1 (en) | Growth of high temperature, high power, high speed electronics | |
WO1995034915A1 (en) | Semiconductor device in silicon carbide | |
Yadav et al. | Performance investigation of Ga 2 O 3 semiconductor based Schottky diode for RF application | |
RU188360U1 (ru) | ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ШОТТКИ-pn ДИОД | |
US20240120423A1 (en) | Semiconductor device | |
Herath Mudiyanselage | Design and optimization of edge termination techniques for β-Ga2O3/GaN heterojunction for pn power diodes using TCAD simulation | |
Sultanov et al. | Development of technology for creating high-voltage p0–n0 junctions based on GaAs |