RU2805563C1 - High-voltage power diode crystal with schottky barrier and p-n junctions - Google Patents

Abstract

FIELD: power semiconductor devices.

SUBSTANCE: ultra-fast recovery temperature-resistant diodes with a unipolar-bipolar conduction mechanism in direct connection, including the presence of a differential negative resistance (DNR) on a direct current-voltage characteristic (CVC).

EFFECT: creation of a new reliable design of high-speed high-voltage Schottky diodes with record-breaking ultra-low forward voltage drops up to levels of 0.1÷0.3 volts.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, в частности, к ультрабыстровосстанавливающимся температуростойким диодам с униполярно-биполярным механизмом проводимости при прямом включении, включая наличие дифференциального отрицательного сопротивления (ДОС) на прямой вольт-амперной характеристики (ВАХ).The invention relates to the field of power semiconductor devices, in particular, to ultra-fast-recovery temperature-resistant diodes with a unipolar-bipolar conduction mechanism when connected directly, including the presence of a differential negative resistance (DOS) on the direct current-voltage characteristic (VC).

Новое конструктивное решение униполярно-биполярного диода с сверхмалым начальным прямым падением напряжения в проводящем состоянии (до 0,15 В), в то время как у типовых SiC или GaAs SBD начальное прямое падение U_F0 имеет значения 0,7 ÷ 0,8 В, и c пикосекундным быстродействием предназначено для высокочастотной преобразовательной техники в таких областях как ВЧ финишные выпрямители во вторичных источниках питания взамен громоздких синхронных выпрямителей на Si МОП- транзисторах (Si-MOSFET), а также в различных статических преобразователях, IPM электроприводе в паре с комплементарными n-типа SBD, электромобильных преобразователях и других применениях.A new design solution of a unipolar-bipolar diode with an ultra-low initial forward voltage drop in the conducting state (up to 0.15 V), while for typical SiC or GaAs SBD the initial forward voltage drop U _F0 has values of 0.7 ÷ 0.8 V, and with picosecond speed is intended for high-frequency converter technology in such areas as RF finishing rectifiers in secondary power supplies instead of bulky synchronous rectifiers on Si MOS transistors (Si-MOSFET), as well as in various static converters, IPM electric drives paired with complementary n- SBD type, electric vehicle converters and other applications.

В современных мощных силовых преобразователях, в частности, высоковольтных на 600, 1200, 1700 В используются кремниевые биполярные Si UFRED (кремниевые диоды Шоттки Si SBD используются в преобразователях не выше 110 В), а также SiC SBD и SiC JBS с временами восстановления 15, 30 наносекунд.Modern high-power power converters, in particular high-voltage ones at 600, 1200, 1700 V, use silicon bipolar Si UFRED (silicon Schottky diodes Si SBD are used in converters no higher than 110 V), as well as SiC SBD and SiC JBS with recovery times of 15, 30 nanoseconds

Кремниевые SBD имеют, как правило, предельные напряжения до 200 ÷ 250 В (на примере ведущей в этой зоне рынка фирмы “Vishay”, США, поскольку при напряжениях пробоя до 600 В прямое падение напряжения в Si SBD достигнет значений алмазных SBD, т.е. 5 ÷ 10 В.Silicon SBDs, as a rule, have maximum voltages of up to 200 ÷ 250 V (using the example of Vishay, USA, the leading company in this market area, since at breakdown voltages up to 600 V the forward voltage drop in Si SBD will reach the values of diamond SBDs, i.e. 5 ÷ 10 V.

SiC SBD имеют практически фиксированные значения пробивного напряжения - U_R = 600, 650 В, что связано с проблемой создания качественных эпитаксиальных слоев карбида кремния в начальном микронном интервале выращивания эпитаксиального слоя и наличием дефектности в толстых эпитаксиальных слоях SiC (> 6 ÷ 8 мкм), что требует введения защитных встроенных локальных участков с p-n переходами.SiC SBDs have practically fixed breakdown voltage values - U _R = 600, 650 V, which is associated with the problem of creating high-quality epitaxial layers of silicon carbide in the initial micron interval of epitaxial layer growth and the presence of defects in thick epitaxial SiC layers (> 6 ÷ 8 µm), which requires the introduction of protective built-in local sections with pn junctions.

Вышеперечисленное дает понимание по ограничению диапазона рабочих напряжений и токов в Si SBD, SiC SBD и JBS. Добавим, что Si SBD фирмы “Vishay” с потолком рабочих напряжений до 250 В имеют значительные времена восстановления до τ_rr = 20 нс.The above provides insight into the operating voltage and current range limitations of Si SBD, SiC SBD and JBS. Let us add that Si SBD from Vishay with a ceiling of operating voltages up to 250 V have significant recovery times up to τ _rr = 20 ns.

На мировом рынке также имеются GaAs SBD фирм “IXYS” (США) и TT Electronics - Semelab Ltd. (Semelab) (Великобритания) с максимальным пробивным напряжением 250 ÷ 300 В, но они, в силу проблем с MOCVD эпитаксией, имеют, как мы видим, ограничения по рабочим напряжениям, предельным токам (до 15 А) в прямом направлении и имеют большие (до 1,5 ÷ 2,0 В) прямые падения напряжения и большие барьерные емкости.There are also GaAs SBDs from IXYS (USA) and TT Electronics - Semelab Ltd. on the world market. (Semelab) (Great Britain) with a maximum breakdown voltage of 250 ÷ 300 V, but due to problems with MOCVD epitaxy, they, as we see, have limitations on operating voltages, limiting currents (up to 15 A) in the forward direction and have large ( up to 1.5 ÷ 2.0 V) direct voltage drops and large barrier capacitances.

Появляющиеся публикации о GaN SBD, начиная с 2016 г., не имеют коммерческого выхода; это связано с тем, что GaN SBD, в отличие от Si SBD, SiC SBD, GaAs SBD, имеют «горизонтальную» конструкцию, т.е. анодная (SB-барьер) и катодная часть (n⁺ - область) выполнены на поверхности сложных гетерослоев Si-SiC-AlN или SiC-AlN нанопленочных структур, которые имеют огромное рассогласование постоянных кристаллических решеток как по тензомеханическим напряжениям, так и по ТКР (тепловому коэффициенту расширения). По этой причине говорить о рынке силовых GaN SBD-пока бессмысленно. Что касается diamond SBD, то пока такие диоды имеют прямые остаточные напряжения - от 5,0 до 8,0 В, хотя появляется «просвет» в виде гетеросистемных алмазно-нитрид-галлиевых SBD с прямыми напряжениями до 2,0 В, но, в силу гигантской разницы ТКР алмаза и GaN, ожидать конкуренции с новыми, предложенными в заявке конструкциями SBD с p-i-n переходами - в текущем десятилетии пока невозможно, тем более с температурой барьерного p-n переходного слоя до + 300°С (T_j ≥ 300°C), хотя алмаз как кристалл сохраняет свои свойства при температуре красного свечения, т.е. при T_кр.> 800°С.Emerging publications on GaN SBD since 2016 have not been commercialized; this is due to the fact that GaN SBD, unlike Si SBD, SiC SBD, GaAs SBD, have a “horizontal” design, i.e. the anodic (SB-barrier) and cathodic part (n ⁺ - region) are made on the surface of complex heterolayers of Si-SiC-AlN or SiC-AlN nanofilm structures, which have a huge mismatch of crystal lattice constants both in tensomechanical stresses and in TCR (thermal expansion coefficient). For this reason, it is still pointless to talk about the power GaN SBD market. As for diamond SBDs, so far such diodes have direct residual voltages - from 5.0 to 8.0 V, although there is a “gap” in the form of heterosystem diamond-gallium nitride SBDs with forward voltages up to 2.0 V, but in Due to the gigantic difference between the TCR of diamond and GaN, it is not yet possible to expect competition with the new SBD designs with pin junctions proposed in the application in the current decade, especially with the temperature of the barrier pn transition layer up to + 300°C (T _j ≥ 300°C), although diamond as a crystal retains its properties at a red glow temperature, i.e. at T _cr. > 800°C.

Доминирующими на рынке высоковольтных диодов Шоттки являются SiC SBD и SiC JBS, но необходимо отметить, что они не закрывают диапазон рабочих напряжений от 250 В до 500 ÷ 550 В, а также от 650 В до 1150 В.The dominant high-voltage Schottky diodes on the market are SiC SBD and SiC JBS, but it should be noted that they do not cover the operating voltage range from 250 V to 500 ÷ 550 V, as well as from 650 V to 1150 V.

То есть речь идет о создании диодов Шоттки с однофазной цепью с напряжением U_AC = 110 В, а также в значительной степени с U_AC = 220 В для преобразователей спецназначения (до 800 В).That is, we are talking about creating Schottky diodes with a single-phase circuit with a voltage of U _AC = 110 V, and also to a large extent with U _AC = 220 V for special-purpose converters (up to 800 V).

Важнейшее значение имеет минимизация значений прямого падения напряжения, эквивалентного или меньшего чем значения прямого падения напряжения в синхронных выпрямителях в инверторах/конверторах с высокочастотным ШИМ преобразованием и с последующим переходом на АЧМ - ВЧ преобразование. В предлагаемой конструкции диода Шоттки с встроенными в барьерную SB область p-n переходами данная проблема успешно решается.The most important is to minimize the forward voltage drop values, equivalent to or less than the forward voltage drop values in synchronous rectifiers in inverters/converters with high-frequency PWM conversion and subsequent transition to AFM-HF conversion. In the proposed design of a Schottky diode with p-n junctions built into the barrier SB region, this problem is successfully solved.

Исходя из анализа зарубежных и отечественных источников информации, в качестве прототипа выбрана конструкция кристалла диода Шоттки с p-n переходами (в зарубежных средствах информации имеет классическое обозначение SiC JBS) на основе 4H-SiC монокристаллов, которые выпускаются рядом крупнейших мировых производителей, таких как “Wolfspeed” (ранее “Cree”), “IXYS”, “Microsemi” (США), “Infineon” (Германия), “STMicroelectronics” (Франция - Италия) и др.Based on the analysis of foreign and domestic sources of information, the design of a Schottky diode crystal with p-n junctions (in foreign media has the classic designation SiC JBS) based on 4H-SiC single crystals, which are produced by a number of the world's largest manufacturers, such as “Wolfspeed”, was chosen as a prototype. (formerly “Cree”), “IXYS”, “Microsemi” (USA), “Infineon” (Germany), “STMicroelectronics” (France - Italy), etc.

В качестве конструктивного аналога выбраны кристаллы SiC JBS диодов серии C4D02 ÷ 4012D и С3D10 ÷ 50120H (“Wolfspeed”/”Cree”).SiC JBS diode crystals of the C4D02 ÷ 4012D and C3D10 ÷ 50120H series (“Wolfspeed”/”Cree”) were chosen as a structural analogue.

Кристалл SiC JBS содержит микрокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости, 10 ÷ 20 мкм эпитаксиальный слой, выращенный на ней хлоридным или металлоорганическим способом, барьерный слой, как правило, из системы Ti/Al или других с низкой работой выхода электрона в вакуум (вблизи 4 эВ) - первого контактного слоя, мультиячеистые p⁺ - области на поверхности n-слоя, а также электроупрочняющие конструктивные элементы в виде экранных или делительных колец p-типа проводимости или расширенного электрода по периметру активной области SiC JBS кристалла.A SiC JBS crystal contains a microcrystalline substrate of n ⁺ -type conductivity, a 10 ÷ 20 μm epitaxial layer grown on it by the chloride or organometallic method, a barrier layer, usually from the Ti/Al system or others with a low electron work function in vacuum (around 4 eV) - the first contact layer, multicellular p ⁺ - regions on the surface of the n-layer, as well as electrically strengthening structural elements in the form of screen or dividing rings of p-type conductivity or an expanded electrode along the perimeter of the active region of the SiC JBS crystal.

Недостатками такой конструкции являются:The disadvantages of this design are:

1). Большие емкости барьерного перехода, достигающие в сильноточных кристаллах уровня нанофарады.1). Large capacitances of the barrier junction, reaching the nanofarad level in high-current crystals.

2). Сильная зависимость прямой ВАХ от температуры кристалла, когда по существу после температуры кристалла T_j = 150 ÷ 175°C это не диод, а терморезистор.2). Strong dependence of the direct current-voltage characteristic on the crystal temperature, when essentially after the crystal temperature T _j = 150 ÷ 175°C it is not a diode, but a thermistor.

3). При превышении прямого падения напряжения (на прямовключенной ВАХ) выше чем 2,8 ÷ 2,9 вольт, т.е. собственного потенциала ϕ_Т p⁺ - n перехода, в диоде появляется дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией из p⁺ - области параллельного барьеру Шоттки p-i-n перехода, что приведет к резкому, на порядок и более, росту накопленного заряда в катодной n-области. Это означает, что при ВЧ коммутации накопленный заряд будет опасно остаточным и приведет к разрушению (выгоранию) SiC JBS. Накопление заряда будет обусловлено сверхмалой подвижностью дырок μ_p в рабочей n-типа эпитаксиальной области кристалла.3). If the direct voltage drop (on the directly connected current-voltage characteristic) is exceeded, it is higher than 2.8 ÷ 2.9 volts, i.e. intrinsic potential ϕ _T p ⁺ - n junction, a hole current component appears in the diode due to injection from the p ⁺ - region of the pin junction parallel to the Schottky barrier, which will lead to a sharp, by an order of magnitude or more, increase in the accumulated charge in the cathode n-region. This means that during RF switching, the accumulated charge will be dangerously residual and will lead to destruction (burnout) of the SiC JBS. The accumulation of charge will be due to the ultra-low mobility of holes μ _p in the working n-type epitaxial region of the crystal.

4). Даже на малых частотах коммутации (до 30 кГц), например, в IPM инверторах электропривода при инжекции дырок из p-n перехода в n-области возникают опасные явления перестройки кристаллической гексагональной решетки 4H-SiC в другой политип вследствие так называемого разрушительного “SF” - эффекта, приводящего к катастрофическим отказам. По этой причине практически нет биполярных высоковольтных ключей на 4H-SiC кристаллах (GTO, IGBT, BiT, p-i-n диодов и др.).4). Even at low switching frequencies (up to 30 kHz), for example, in IPM electric drive inverters, when holes are injected from a p-n junction into the n-region, dangerous phenomena arise: the restructuring of the 4H-SiC crystal hexagonal lattice into another polytype due to the so-called destructive “SF” effect, leading to catastrophic failures. For this reason, there are practically no bipolar high-voltage switches on 4H-SiC crystals (GTO, IGBT, BiT, p-i-n diodes, etc.).

Основными целями предполагаемого изобретения являются: создание новой, практически недоступной на мировом рынке, надежной конструкции скоростных высоковольтных диодов Шоттки с рекордно сверхмалыми прямыми падениями напряжения до уровней 0,1÷0,3 вольта, увеличенной (в разы) удельной плотностью тока в максимальных режимах в прямовключенном состоянии, с удвоенной рабочей температурой эксплуатации.The main goals of the proposed invention are: the creation of a new, practically unavailable on the world market, reliable design of high-speed high-voltage Schottky diodes with record ultra-low forward voltage drops to levels of 0.1÷0.3 volts, increased (by several times) specific current density in maximum modes in directly switched on, with double operating temperature.

Решение этой задачи достигается тем, что в известной конструкции кристалла силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами, содержащей высоколегированную кремниевую или карбид-кремниевую монокристаллическую подложку n⁺ - типа проводимости с выполненными на ней рабочим эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, на поверхности которого выполнены контактно связанные барьерный металлический слой и мультиячеистые p-n переходы с электроупрочняющими концентрическими расширенным электродом или охранными кольцами p-типа, или делительными кольцами p-типа по периферии анодной области кристалла, омические контакты выполнено следующее (Фиг. 1):The solution to this problem is achieved by the fact that in the known design of a high-voltage power diode crystal with a Schottky barrier and pn junctions, containing a highly doped silicon or silicon carbide single-crystal substrate of n ⁺ - type conductivity with a working epitaxial layer of n-type conductivity made on it, on the surface of which a contact-connected barrier metal layer and multi-cell pn junctions with electrically strengthening concentric expanded electrodes or p-type guard rings, or p-type dividing rings along the periphery of the anode region of the crystal are made, ohmic contacts are made as follows (Fig. 1):

1. Базовой подложкой 1 является высоколегированный p⁺-типа монокристалл арсенида галлия с концентрацией примеси не менее чем 5⋅10¹⁸ см^-3.1. The base substrate 1 is a highly doped p ⁺ -type single crystal of gallium arsenide with an impurity concentration of no less than 5⋅10 ¹⁸ cm ^-3 .

2. На поверхности подложки 1 выполнен буферный p-типа проводимости эпитаксиальный слой 2 с резким перепадом концентрации легирующей примеси от уровня концентрации в подложке 1 до концентрации 10¹⁵÷ 10¹⁶ см^-3 и толщинами не менее 5,0 мкм.2. On the surface of the substrate 1, a buffer p-type epitaxial layer 2 is made with a sharp drop in the concentration of the dopant from the concentration level in the substrate 1 to a concentration of 10 ¹⁵ ÷ 10 ¹⁶ cm ^-3 and a thickness of at least 5.0 μm.

3. На поверхности буферного слоя 2 p-типа проводимости выполнен второй рабочий эпитаксиальный слой 3 p-типа проводимости с концентрацией примеси от 10¹⁴ до 10¹⁶ см^-3.3. On the surface of the buffer layer 2 of p-type conductivity, a second working epitaxial layer 3 of p-type conductivity is made with an impurity concentration from 10 ¹⁴ to 10 ¹⁶ cm ^-3 .

4. На поверхности рабочего слоя 3 выполняется третий эпитаксиальный слой 4 p-типа проводимости с концентрацией примеси до 10¹⁷см^-3 и толщиной 10÷100 нанометров.4. On the surface of the working layer 3, a third epitaxial layer 4 of p-type conductivity is made with an impurity concentration of up to 10 ¹⁷ cm ^-3 and a thickness of 10÷100 nanometers.

5. На поверхности нанослоя 4 выполняются мультиячеистые p-n переходы с n⁺ - катодной областью 5 и локальные Шоттки барьерные слои 6.5. On the surface of nanolayer 4, multicellular pn junctions with n ⁺ - cathode region 5 and local Schottky barrier layers 6 are performed.

6. На поверхности катодной области с барьерами Шоттки 6 и n⁺ - областями 5, а также на поверхности p⁺ - подложки 1 в анодной части выполнены омические контакты 7.6. On the surface of the cathode region with Schottky barriers 6 and n ⁺ - regions 5, as well as on the surface of the p ⁺ - substrate 1 in the anode part, ohmic contacts 7 are made.

7. По периферии активной катодной области выполнена глубокая меза-область 8 с защитным ALD покрытием 9 на основе широкозонных диэлектриков Al₂O₃, AlN толщиной 2 ÷ 15 нанометров.7. Along the periphery of the active cathode region there is a deep mesa region 8 with a protective ALD coating 9 based on wide-gap dielectrics Al ₂ O ₃ , AlN with a thickness of 2 ÷ 15 nanometers.

Приведенная на Фиг. 1 структура кристалла силового диода с барьером Шоттки и p-n переходами показывает возможность создания диодных структур на основе p-типа GaAs с барьером Шоттки и встроенными в барьерную область p-n переходами, т.е. диодов с комбинированной униполярно-биполярной проводимостью, что позволяет, создание диодов с ДОС прямой ВАХ и в конечном приближении возможно, при больших уровнях биполярной двухсторонней инжекции, достижение прямых падений напряжения до уровней U_F→ 0 В.Shown in Fig. 1, the crystal structure of a power diode with a Schottky barrier and pn junctions shows the possibility of creating diode structures based on p-type GaAs with a Schottky barrier and pn junctions built into the barrier region, i.e. diodes with combined unipolar-bipolar conductivity, which allows the creation of diodes with a direct current-voltage characteristic and, in a final approximation, it is possible, at high levels of bipolar double-sided injection, to achieve direct voltage drops to levels U _F → 0 V.

Ранее мы показали, что достижение таких свойств на высоковольтных SiC JBS невозможно (среднее значение U_F в SiC JBS при значениях прямых рабочих токов составляет 1,3÷1,5 В, в нашем случае значения U_F будут как минимум на полпорядка меньше).Previously, we showed that achieving such properties on high-voltage SiC JBS is impossible (the average value of U _F in SiC JBS at direct operating currents is 1.3÷1.5 V, in our case the values of U _F will be at least half an order of magnitude less).

Предшествующие экспериментальные результаты измерений барьерного потенциала на примере барьера Бардина (Au-n-GaAs; Au-p-GaAs; Au-n-GaP; Au-p-GaP) показали разницу в величинах барьерного потенциала в системах барьер Шоттки - n-типа A_IIIB_V (AlN) и p-типа A_IIIB_V (AlN) в 1,7 раза в пользу уменьшения барьерного потенциала ϕ_SBp или ϕ_SBn/ϕ_SBp≈ 1,7; т.е., к примеру, среднее значение барьерного потенциала в системе барьер Шоттки - n-GaAs при концентрациях 10¹⁵см^-3 составляет около 0,7 ÷ 0,75 В (многое зависит от плотности поверхностных зарядовых состояний на границе раздела барьер Шоттки/полупроводник), то при той же концентрации U_Fp составит ≈ 0,4 ÷ 0,45 В, а, допустим, при концентрации N_А = 10¹⁶cм^-3 значения U_F снизятся в два раза, что исключительно важно для создания конверторов и инверторов с ВЧ преобразованием.Previous experimental results of measuring the barrier potential using the example of the Bardeen barrier (Au-n-GaAs; Au-p-GaAs; Au-n-GaP; Au-p-GaP) showed a difference in the values of the barrier potential in Schottky barrier - n-type A systems_IIIB_V (AlN) and p-type A_IIIB_V (AlN) by 1.7 times in favor of reducing the barrier potential ϕ_SBpor ϕ_SBn/ϕ_SBp≈ 1.7; i.e., for example, the average value of the barrier potential in the Schottky barrier - n-GaAs system at concentrations of 10¹⁵cm^-3 is about 0.7 ÷ 0.75 V (much depends on the density of surface charge states at the Schottky barrier/semiconductor interface), then at the same concentration U_Fpwill be ≈ 0.4 ÷ 0.45 V, and, for example, at a concentration of N_A = 10¹⁶cm^-3 U values_Fwill be reduced by half, which is extremely important for the creation of converters and inverters with HF conversion.

Исключительно важное значение имеет подбор барьерного металла исходя из величин работы выхода электронов в вакуум, в частности, наибольшую работу выхода А (эВ) из наиболее технологически удобных металлов имеет платина Pt, где A_Pt = 5,3 эВ; A_Au = 4,7 эВ; A_Ni = 4,5 эВ; A_Al = 4,25 эВ; A_Ti = 4,0 эВ. Необходимо отметить также и сплавы, такие как эвтектика Au-Ge, имеющая работу выхода около 3,8 эВ.The selection of a barrier metal based on the work function of electrons in vacuum is extremely important; in particular, platinum Pt has the highest work function A (eV) of the most technologically convenient metals, where A _Pt = 5.3 eV; A _Au = 4.7 eV; A _Ni = 4.5 eV; A _Al = 4.25 eV; A _Ti = 4.0 eV. Alloys such as Au-Ge eutectic, which has a work function of about 3.8 eV, should also be noted.

Другими словами, наиболее приемлемыми барьерными металлами для p-типа GaAs являются Ni, Ti и Au-Ge.In other words, the most suitable barrier metals for p-type GaAs are Ni, Ti and Au-Ge.

Применение Au-Ge возможно только при наличии областей экранирующего пространственного заряда с ограничением токов утечки, снижения плотности состояний на границе раздела Au-Ge-GaAs, что возможно только при смещении экстремальной напряженности электрического поля вглубь полупроводника, что и предусмотрено встраиванием в конструкцию барьера Шоттки мультиячеистых p-n переходов (точнее, n⁺-p переходов) с созданием структуры, идентичной ТОЗ, т.е. полевого JFET транзистора с объединенным затвором. В таком случае, варьируя концентрацию акцепторной примеси в рабочем слое и глубину p-n перехода, мы сможем задавать максимально допустимые напряжения пробоя (блокирования) на диоде Шоттки. The use of Au-Ge is possible only in the presence of areas of screening space charge with limited leakage currents, a decrease in the density of states at the Au-Ge-GaAs interface, which is possible only when the extreme electric field strength is shifted deep into the semiconductor, which is provided for by integrating multicellular Schottky barriers into the structure pn junctions (more precisely, n ⁺ -p junctions) with the creation of a structure identical to TOZ, i.e. combined gate JFET transistor. In this case, by varying the concentration of the acceptor impurity in the working layer and the depth of the pn junction, we will be able to set the maximum permissible breakdown (blocking) voltage on the Schottky diode.

Как известно, исходя из удельного сопротивления (σ_p = qpμ_p), значения удельного сопротивления при одном и том же уровне концентраций (вплоть до 10¹⁷см^-3) различаются в 4 ÷ 10 раз (различие на порядок при N_D = N_A = 10¹⁵cм^-3), но необходимо учесть, что энергия лавинной ионизации в p-GaAs превосходит энергию лавинизации в n-GaAs приблизительно в два раза (соотношение ≈ 2,7/1,4 эВ). Т.е. естественно, что разумно создание «p-канальных» униполярно-биполярных диодов Шоттки для ВЧ выпрямления в пределах концентраций N_A = 10¹⁵÷ 10¹⁷см^-3, т.е. с напряжениями от 50÷100 В до 800 В.As is known, based on the resistivity (σ _p = qpμ _p ), the resistivity values at the same concentration level (up to 10 ¹⁷ cm ^-3 ) differ by 4 ÷ 10 times (the difference is an order of magnitude at N _D = N _A = 10 ¹⁵ cm ^-3 ), but it is necessary to take into account that the avalanche ionization energy in p-GaAs is approximately twice as high as the avalanche ionization energy in n-GaAs (ratio ≈ 2.7/1.4 eV). Those. Naturally, it is reasonable to create “p-channel” unipolar-bipolar Schottky diodes for HF rectification within the concentration range N _A = 10 ¹⁵ ÷ 10 ¹⁷ cm ^-3 , i.e. with voltages from 50÷100 V to 800 V.

Явление ДОС прямой ВАХ будет наблюдаться в нормально включенном состоянии Шоттки диодной структуры, на которой будет наблюдаться снижение барьерного перехода ϕ_SBp, т.е. улучшение условий для туннелирования дырок через барьер ϕ_SBp. Рост тока приведет к общему росту прямого напряжения на барьерном переходе. При достижении U_F ≥ 1,0÷1,05 В включится инжекционный n⁺-p переход. В этом случае электроны «зальют» потенциальную энергетическую яму ϕ_SBp под барьером Шоттки и с включением встречной инжекции со стороны p⁺-p перехода в рабочем канале возникнет сверхплотная ЭДП - плазма (электронно-дырочная плазма).The phenomenon of DOS direct current-voltage characteristic will be observed in the normally on Schottky state of the diode structure, on which a decrease in the barrier transition ϕ _SBp will be observed, i.e. improving conditions for hole tunneling through the ϕ _SBp barrier. An increase in current will lead to a general increase in the forward voltage at the barrier junction. When U _F ≥ 1.0÷1.05 V is reached, the injection n ⁺ -p junction will turn on. In this case, electrons will “fill” the potential energy well ϕ _SBp under the Schottky barrier and with the inclusion of counter injection from the p ⁺ -p junction, a super-dense EHP plasma (electron-hole plasma) will appear in the working channel.

В этих условиях высота ϕ_SBp может быть нивелирована и может достигнуть сверхмалых значений порядка 0,1÷0,2 В при огромных плотностях токов.Under these conditions, the height ϕ _SBp can be leveled and can reach ultra-low values of the order of 0.1÷0.2 V at enormous current densities.

При коммутации или переключении диода с открытого состояния на обратное накопленный заряд электронов будет вытекать через катодные области Шоттки-барьера и p-n переходов, а дырочный заряд беспрепятственно за ≈ 10^-12 сек релаксирует в анодную область структуры, поскольку дырки являются основными носителями в эпитаксиальный слоях p-GaAs.When switching or switching the diode from the open state to the reverse state, the accumulated charge of electrons will flow through the cathode regions of the Schottky barrier and pn junctions, and the hole charge will relax freely in ≈ 10 ^-12 sec into the anode region of the structure, since holes are the main carriers in the epitaxial layers p -GaAs.

Известно, что рабочие температуры p-i-n GaAs диодов, полученных методом ЖФЭ, достигают уровня Т_j = 300°C, в нашем случае очевидно, что температура «p-канального» диода Шоттки с уровнем лавинизации ≈ 2,7 эВ будет не меньшей.It is known that the operating temperatures of pin GaAs diodes obtained by the LPE method reach the level T _j = 300°C; in our case, it is obvious that the temperature of a “p-channel” Schottky diode with a lavinization level of ≈ 2.7 eV will not be lower.

При обратном смещении под катодной областью возникнет область пространственного заряда (ОПЗ), ширина которой $$L=\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_A}}$$ , гдеUnder reverse bias, a space charge region (SCR) will appear under the cathode region, the width of which $$L=\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}U}{q{N}_A}}$$ , Where

ε - диэлектрическая проницаемость GaAs (~ 12);ε is the dielectric constant of GaAs (~ 12);

ε₀ - абсолютная диэлектрическая постоянная;ε ₀ - absolute dielectric constant;

q - заряд электрона;q - electron charge;

N_A - концентрация акцепторной примеси.N _A is the concentration of acceptor impurity.

Следовательно, для экранирования от пробоя барьера Шоттки необходимо соблюдать условие, чтобы ОПЗ не ограничивала термоэмиссионный в комбинации с туннелированием прямой ток через барьер Шоттки и в то же время экранировала рост электрического поля на барьерном переходе при обратном смещении.Therefore, to shield from breakdown of the Schottky barrier, it is necessary to comply with the condition that the SCR does not limit the thermionic current in combination with tunneling through the Schottky barrier and at the same time shields the increase in the electric field at the barrier junction during reverse bias.

Условие смыкания ОПЗ в ТОЗ вытекает из условия L - ширины канала под барьером Шоттки между n⁺ - областями, где $$$$ L> $$2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_0{\phi }_T}{q{N}_A}}$$ ,The condition for the closure of the SCR in the TOZ follows from the condition L - channel width under the Schottky barrier between n ⁺ - regions, where $$$$ L> $$2\sqrt{\frac{\epsilon {\epsilon }_0{\phi }_T}{q{N}_A}}$$ ,

где ϕ_T -собственный потенциал n⁺ - p перехода и рассчитывается по формуле:where ϕ _T is the intrinsic potential of the n ⁺ - p junction and is calculated by the formula:

$${\phi }_T=\frac{kT}{q}\ln \frac{N_D}{N_A}(эВ)$$ , где: $${\phi }_T=\frac{kT}{q}\ln \frac{N_D}{N_A}(\mathrm{uh}\mathrm{IN})$$ , Where:

k - постоянная Больцмана;k is Boltzmann's constant;

T - температура по Кельвину;T - temperature in Kelvin;

N_D - концентрация донорной примеси в n⁺ - слое;N _D is the concentration of donor impurity in the n ⁺ - layer;

N_A - концентрация акцепторной примеси в рабочем канале.N _A is the concentration of acceptor impurity in the working channel.

Таким образом экранируется пробой в барьерной области.In this way, the breakdown in the barrier region is shielded.

С учетом того факта, что GaAs - единственный полупроводник, где эпитаксиальный слой - лучше подложки, конкретный пример изготовления GaAs кристалла по предполагаемому изобретению состоит в следующем:Taking into account the fact that GaAs is the only semiconductor where the epitaxial layer is better than the substrate, a specific example of the fabrication of a GaAs crystal according to the proposed invention is as follows:

На исходной p⁺ - GaAs подложке, легированной цинком с уровнем концентрации не менее 5⋅10¹⁸ см^-3 (из условий σ_p = qpμ_p) выращиваются методом жидкофазной эпитаксии в градиентном интервале температур 550÷850 °С в кварцевом реакторе в среде H₂ из расплава Ga и GaAs слои:On the original p ⁺ - GaAs substrate doped with zinc with a concentration level of at least 5⋅10 ¹⁸ cm ^-3 (from the conditions σ _p = qpμ _p ) are grown by liquid phase epitaxy in a gradient temperature range of 550÷850 °C in a quartz reactor in an H environment ₂ melt Ga and GaAs layers:

p⁺ - буферный слой;p ⁺ - buffer layer;

p - слой для создания рабочего слояp - layer for creating a working layer

с перепадом концентраций от 5⋅10¹⁸÷10¹⁹ см^-3 до (1÷2)⋅10¹⁵ см^-3, на поверхности которых создается новый эпитаксиальный однородный слой в пределах 2⋅10¹⁵÷10¹⁷см^-3 (в зависимости от уровня рабочих напряжений).with a concentration difference from 5⋅10 ¹⁸ ÷10 ¹⁹ cm ^-3 to (1÷2)⋅10 ¹⁵ cm ^-3 , on the surface of which a new epitaxial homogeneous layer is created within 2⋅10 ¹⁵ ÷10 ¹⁷ cm ^-3 (depending on the level of operating voltages).

Высоколегированный слой создается в виде МЭШ структурной сетки (классической топологии для кремниевых СВЧ транзисторов) с гексаугольными или квадратными областями внутри МЭШ - ячеистых областей. Высоколегированный слой выполняется диффузией кремния из газовой фазы мышьяка при T = 900 ÷ 1100°C.The highly doped layer is created in the form of a MESH structural grid (classical topology for silicon microwave transistors) with hexagonal or square areas inside the MESH - cellular regions. The highly alloyed layer is made by diffusion of silicon from the gas phase of arsenic at T = 900 ÷ 1100°C.

В качестве контакта Шоттки выбран Ti, в качестве омических контактов на катодной области и анодной области - система Au-Ge-Ni-Au.Ti was chosen as a Schottky contact, and the Au-Ge-Ni-Au system was chosen as ohmic contacts on the cathode region and anode region.

Для увеличения пробивного напряжения используются либо охранные, делительные кольца, расширенный электрод в случае планарного исполнения кристалла, либо меза-область; в любом случае используется ALD - защита (Atomic Laye Deposition) из нанослоев Al₂O₃ + AlN с последующим слоем фотоимида ф. Fuji (Япония).To increase the breakdown voltage, either guard rings, dividing rings, an extended electrode in the case of a planar crystal, or a mesa region are used; in any case, ALD protection (Atomic Laye Deposition) is used from nanolayers of Al ₂ O ₃ + AlN followed by a layer of photoimide f. Fuji (Japan).

Claims (3)

1. Кристалл силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами, содержащий высоколегированную кремниевую или карбид-кремниевую базовую монокристаллическую подложку n⁺-типа проводимости с выполненным на ней рабочим эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, на поверхности которого выполнены контактно-связанные барьерный металлический слой и мультиячеистые p-n переходы, с электроупрочняющими концентрическими расширенным электродом или охранным кольцом p-типа, или делительными кольцами p-типа по периферии анодной области кристалла, омические контакты, отличающийся тем, что базовой подложкой является высоколегированный p⁺-типа монокристалл арсенида галлия с концентрацией примеси не менее чем 5⋅10¹⁸ см^-3, с выполненными на ней буферным p-типа проводимости эпитаксиальным слоем с резким перепадом концентрации легирующей примеси от уровня концентрации в подложке до концентрации 10¹⁵÷10¹⁶ см^-3 и толщинами свыше 5,0 мкм, с последовательным рабочим эпитаксиальным слоем p-типа проводимости с концентрацией примеси от 10¹⁴ до 10¹⁶ см^-3, с содержанием на поверхности третьего эпитаксиального слоя p-типа проводимости толщиной 10÷100 нанометров с концентрацией примеси до 10¹⁷ см^-3, а также содержащим в приповерхностном слое электрически связанные локальные мультиячеистые барьерные слои Шоттки и p-n переходы, с n⁺-катодной областью, омическими контактами к анодной p⁺-типа и катодной n⁺-типа областям и к барьеру Шоттки диодной структуры с расположенными на поверхности рабочего p-слоя электроупрочняющими конструктивными элементами n-типа проводимости.1. A crystal of a high-voltage power diode with a Schottky barrier and pn junctions, containing a highly doped silicon or silicon carbide base single-crystalline substrate of n ⁺ -type conductivity with a working epitaxial layer of n-type conductivity made on it, on the surface of which a contact-connected barrier metal layer is made and multicellular pn junctions, with electrically strengthening concentric expanded electrode or p-type guard ring, or p-type dividing rings along the periphery of the anodic region of the crystal, ohmic contacts, characterized in that the base substrate is a highly doped p ⁺ -type single crystal of gallium arsenide with an impurity concentration not less than 5⋅10 ¹⁸ cm ^-3 , with a buffer p-type epitaxial layer made on it with a sharp difference in the concentration of the dopant from the concentration level in the substrate to a concentration of 10 ¹⁵ ÷10 ¹⁶ cm ^-3 and thicknesses over 5.0 μm , with a successive working epitaxial layer of p-type conductivity with an impurity concentration from 10 ¹⁴ to 10 ¹⁶ cm ^-3 , containing on the surface a third epitaxial layer of p-type conductivity 10÷100 nanometers thick with an impurity concentration of up to 10 ¹⁷ cm ^-3 , and also containing in the near-surface layer electrically connected local multicellular Schottky barrier layers and pn junctions, with an n ⁺ -cathode region, ohmic contacts to the p ⁺ -type anode and n ⁺ -type cathode regions and to the Schottky barrier of the diode structure with p located on the surface of the working -layer with electrically strengthening structural elements of n-type conductivity. 2. Кристалл силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами по п.1, отличающийся тем, что n⁺- область мультиячеистых p-n переходов в катодной области кристалла выполнена из гетерослоя AlGaAs n⁺- типа проводимости.2. A high-voltage power diode crystal with a Schottky barrier and pn junctions according to claim 1, characterized in that the n ⁺ - region of multicellular pn junctions in the cathode region of the crystal is made of an AlGaAs heterolayer of n ⁺ - conductivity type. 3. Кристалл силового высоковольтного диода с барьером Шоттки и p-n переходами по п.1, отличающийся тем, что на периферии активной катодной области кристалла с барьером Шоттки и мультиячеистыми p-n переходами в объеме p-слоев выполняется вытравленная меза-область с глубиной залегания до базовой p⁺- подложки и защитными нанослоями из широкозонных диэлектриков Al₂O₃, AlN и др., полученных методом атомно-слоевого осаждения.3. A high-voltage power diode crystal with a Schottky barrier and pn junctions according to claim 1, characterized in that at the periphery of the active cathode region of the crystal with a Schottky barrier and multicellular pn junctions in the volume of p-layers there is an etched mesa region with a depth up to the base p ⁺ - substrates and protective nanolayers made of wide-gap dielectrics Al ₂ O ₃ , AlN, etc., obtained by atomic layer deposition.