Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением



Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением
Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением
Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением

 


Владельцы патента RU 2472248:

Общество с ограниченной ответственностью "Интелсоб" (ООО "Интелсоб") (RU)

Изобретение относится к конструированию высоковольтных высокотемпературных сильноточных тиристоров. Сущность изобретения: в высоковольтном высокотемпературном быстродействующем тиристоре с полевым управлением, содержащем анодную область из высоколегированной подложки p+-типа проводимости, базовую область из последовательных эпитаксиальных слоев n-типа и высокоомного n--типа проводимости, затворную область, выполненную из локальных взаимосвязанных областей p+-типа проводимости в приповерхностном объеме, в том числе в углублениях базовой области, катодную область, выполненную из локальных взаимосвязанных n+-типа проводимости неглубоких областей, расположенных между затворными p+-областями, структура тиристора выполнена на основе арсенида галлия, при этом между анодной и базовой областями структуры выполнены эпитаксиальные слои р+-р-р- типа с резким, плавным, резким перепадом разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от не менее чем 1019 см-3 до 1011 см-3 и менее, и эпитаксиальная i-область с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей не более чем 1011 см-3. Изобретение позволяет в несколько раз увеличить быстродействие тиристора с полевым управлением, повысить рабочую температуру кристалла в 1,5-2 раза, радиационную стойкость. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к конструированию высоковольтных высокотемпературных сильноточных быстродействующих тиристоров с полевым управлением, работающих при повышенных обратных напряжениях, больших плотностях тока, высокой рабочей температуре и высоком быстродействии.

Тиристоры с полевым управлением используются в преобразовательной технике с повышенной частотой переключения и высокими значениями скоростей нарастания обратного напряжения.

Известны конструкции кремниевых тиристоров с полевым выключением, которые описаны в ряде источников информации, они имеют высокое быстродействие - несколько десятков килогерц - частоту коммутации, высокую скорость нарастания напряжения dU/dt, низкие падения напряжения в открытом состоянии.

Такие конструктивные решения показаны в таких работах, как «Field-Controlled Thyristor (ЕСТ) - A New Electronic Component» D.T.Houston, S.Krishna, D.Piccone, R.J.Finke, Y.S.Sun - International Electronic Devices Meeting, Washington, D.C. 1975 (1); «Физика тиристоров» А.Блихер, Ленинград, Энергоиздат, 1981, стр.118 (2), но наиболее близким по эффективности и конструктивному исполнению прототипом является конструкция тиристора в научно-техническом отчете по научно-исследовательской работе (НИР) «Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением в открытом состоянии», выполненном Отделением твердотельной электроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, г.Санкт-Петербург по договору №9/05 от 01.03.2005 г., стр.4 (3).

Приведенный прототип (3)тиристора с полевым управлением имеет большие предельные плотности тока в сотни ампер на квадратный сантиметр при напряжениях обратного пробоя 1200 В и прямую вольтамперную характеристику, практически аналогичную вольтамперной характеристике прямосмещенных кремниевых диодов с типовой отсечкой 0,75÷0,85 В (3).

Конструкция известного прототипа состоит из монокристаллической кремниевой анодной подложки p++ типа, высоколегированной акцепторной примесью, например бором, эпитаксиального тонкого буферного слоя противоположного типа проводимости n--типа, легированного донорной примесью, например фосфором или сурьмой, тонкого высокоомного эпитаксиального слоя n--типа, слаболегированного донорной примесью, например фосфором, локально выполненных в приповерхностном слое n--эпитаксиальной области или в приповерхностных канавках данной эпитаксиальной n--области диффузионных высоколегированных акцепторной примесью (бором) p+-областей (затворов), находящихся на конструктивно-расчетном расстоянии друг от друга, но не менее двух-трех дебаевских длин кремниевого p+-n- перехода, локально выполненного тонкого высоколегированного, например фосфором, n+-слоя катодной части структуры, расположенного между затворными p+-областями. По внешнему периметру локальных p+-зон сформированы единая внешняя p+-зона с делительными p или p+ кольцевыми областями, представляющими конструкцию планарного p-n перехода или вытравленную меза-область с соответствующей защитой планарного или мезапланарного p-n перехода. К анодной, катодной и затворной части выполнены металлические невыпрямляющие контакты. Недостатком такой структуры является недостаточно высокое быстродействие, невысокая, ≤175°С, рабочая температура кристаллической структуры тиристора, сильная зависимость скорости переключения тиристора от рабочей температуры в активных областях структуры, резкое возрастание динамических потерь переключения при регулировке времени жизни неосновных носителей в периферийных областях и центральной базовой области радиационными технологиями, например легирование (облучение) потоками высокоэнергетичных электронов и протонов, особенно последних, с заданными длинами свободного пробега в кристаллической решетке и дозами облучения. При этом резко, в несколько раз, возрастает прямое падение напряжения в открытом состоянии, что снижает динамические свойства тиристорного ключа.

Цель изобретения - резкое, в несколько раз, увеличение быстродействия тиристора с полевым управлением, резкое повышение рабочей температуры кристалла в 1,5÷2 раза, повышение в несколько раз радиационной стойкости, увеличение стойкости к dU/dt и dI/dt скоростям нарастания токов и напряжений в режиме жесткого резонансного переключения.

Принципиально поставленная цель достигается тем, что взамен кремниевого кристалла тиристорной структуры с полевым управлением используются арсенид-галлиевая (GaAs) структура или комбинированная гетероструктура арсенид галлия-алюминий-арсенид галлия (GaAs-AlGaAs).

Конструктивное решение данной задачи заключается в том, что, в отличие от известного решения [3] тиристорной структуры с полевым управлением, содержащего монокристаллическую подложку p+-типа проводимости 1, легированную акцепторной примесью с концентрацией атомов не менее чем 1019 см-3, буферный эпитаксиальный слой n-типа 2 со значительно большей концентрацией донорной примеси, чем в последующем базовом высокоомном эпитаксиальном слое n--типа 3, слаболегированным примесью донорного типа, например 1014 см-3, мелкозалегающие области n+-типа проводимости 5, выполненные между локальными p+-областями 4, с концентрацией легирующей донорной примеси не менее чем 1018 см-3, выполнено следующее:

1. На подложке p+-типа проводимости выращивается предварительный эпитаксиальный слой с доминирующей примесью акцепторного типа и состоящий из трех взаимосвязанных p+-р-р- типа проводимости областей с резким (на три порядка), плавным (в несколько раз, но не более, чем полтора порядка) и снова резким (три-четыре порядка) ступенчатым снижением разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от уровня концентрации акцепторов и доноров в подложке (не менее чем 1019см-3) до уровня разностной концентрации акцепторной и донорной примеси не более 1011см-3 и толщиной не менее 20 мкм.

2. На поверхности эпитаксиального слоя p+-р-р- типа проводимости выращивается дополнительный предварительный i-слой - область 7 разностной концентрацией акцепторной и донорной примеси не более 1011 см-3толщиной от 5 до 50 мкм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, где показаны р+-подложка 1, p+-р-р- эпитаксиальный слой 6, эпитаксиальная i-область 7, эпитаксиальный буферный n-типа слой 2, эпитаксиальный n--типа слой 3, локальные области p+-типа проводимости 4, локальные n+-типа области 5. Профили легирования в структуре на фиг.1 по осям сечений А и В приведены на фиг.2, 3. В приведенной на фиг.1 структуре максимальные рабочие обратные напряжения обеспечиваются конструктивным исполнением p+-n перехода в катодной части тиристорной структуры с полевым управлением образованными областями 3, 4, электрофизическими параметрами слоев 7, 2, 3, расстоянием между р+-областями 4, глубиной залегания области n+-типа 5 и рядом других факторов. При правильном подборе глубины залегания р-n перехода p+-затвора, расстояний между p+-затворами с учетом дебаевской длины рассчитывается эффективность канала.

Область i или p-i-n область позволяет регулировать величину концентрации и толщину буферного слоя, а при оптимальном соотношении концентраций легирующей примеси, времен жизни, диффузионной длины неосновных носителей может сравняться по электрофизическим свойствам с n- высокоомным слоем и быть его составной частью без существенного снижения значений максимальных напряжений блокирования на тиристоре с полевым управлением (на фиг.2, 3 пунктиром приведено такое распределение концентрации примеси в зоне 2).

Как видно из фиг.1, в прямовключенном состоянии при нулевом смещении на затворе p+ такая структура эквивалентна прямовключенному p+-p+-р-р--n-n--n+ GaAs диоду, в котором плотность электронно-дырочных пар эквивалентна распределению таких пар в кремниевых р+-n-n--n+ диодов.

Отсечка прямой характеристики у GaAs диодов начинается с 1,1÷1,12 В с резким нарастанием тока при увеличении прямого смещения на p-n переходе. Наклон (или угол роста тока) такой вольтамперной характеристики определяется коэффициентом инжекции дырок прямосмещенного p-n перехода, толщиной, омностью, τр и Lp барьерного n-слоя и высокоомного слоя базы n--типа проводимости и резким влиянием сопротивления прикатодного n--n+ канала, образованного между затворными областями.

Сопротивление прикатодного канала будет зависеть от расстояния между p+-затворами, которое диктуется электрическими параметрами цепей управления, т.е. напряжение отсечки прикатодного канала n+-n не должно превышать разумных значений, к примеру при каскодном управлении тиристора полевым транзистором с изолированным затвором данная величина не должна превышать 30 В. Исходя из этого, ширина n+-n канала будет равна нескольким длинам Дебая (ширина ОПЗ при собственном потенциале φT на p+-n- переходе), но ни в коем случае не меньше

Для уменьшения сопротивления канала может быть введена вторая буферная n'-зона 8, которая легирована на 2-3 порядка и более слабее, чем n+-область катода 5, при этом глубина залегания n'-зоны 8 значительно меньше глубины залегания р+-n перехода затвора СИТ тиристора.

Указанная на фиг.1 структура при каскадновключенном полевом транзисторе с полевым МОП-затвором и правильном подборе электрических цепей в затворной части может позволить создать ключ, эквивалентный IGBT кремниевому транзисторному ключу, но при этом практически на той же площади чипов (плотность тока через СИТ структуру тиристора из-за глубины и эффективности модуляции n- базового слоя в 2÷3 раза выше, чем у IGBT транзистора) можно создавать быстродействующие ключи с частотой преобразования в 5÷10 раз выше, чем у IGBT, при этом не проигрывая по падению напряжения в открытом состоянии. Т.е. возможно создание эффективного конкурента кремниевого MOSFET транзистора (меньшая емкость управления, в 25 и более раз меньше сопротивление в открытом состоянии, одинаковое быстродействие), при этом указанная структура принципиально отличается от последнего. Это отличие состоит в том, что при рабочей температуре около 100÷150°С частота коммутации GaAs тиристора с полевым управлением остается практически неизменной, в то время как частота переключения MOSFET падает на 30÷50%, а при 175°С - это уже не ключ.

Частотные и динамические свойства при переключении указанной структуры улучшаются при облучении:

- высокоэнергетичными электронами с энергией 1÷7 МэВ и плотностью потока 1015÷1012см-2;

- высокоэнергетичными протонами с энергией от 0,8 МэВ до 3 МэВ и плотностью потока от 1015÷1012см-2,

- высокоэнергетичными альфа-частицами с энергией от 0,5 МэВ до 2 МэВ, при плотности потока от 1010 до 1012 см-2.

При этом было установлено, что при облучении электронами до 1 МэВ и плотностью до 1015÷1012см-2 в высокоомной области формировались мелкозалегающие ловушечные центры.

При более высоких энергетических потоках образовывались рекомбинационные центры на большой глубине залегания (ближе к середине запрещенной зоны).

При облучении протонами с энергией от 5 МэВ и альфа-частицами от 3 МэВ с плотностью потока 1012 см-2 высокоомная n-область GaAs меняла свои свойства, при этом возрастало объемное сопротивление, а на поверхности n-области GaAs образовывался полуизолирующий слой (область).

Создание данного приповерхностного полуизолирующего слоя позволяло снизить напряженность электрического поля на поверхности р-n перехода. При высокоэнергетичных облучениях тяжелыми частицами - протонами и альфа-частицами в кристаллической решетке арсенида галлия происходят ядерные реакции, следствием чего является небходимость выдержки образцов в течение длительного времени для устранения индуцированной радиоактивности. Структуры отжигались после облучения при Т=250÷350°С.

Исследования обработки GaAs структур высокоэнергетичными пучками электронов, протонов и α-частицами (легирование потоками водорода и гелия) показало существенную разницу в значениях прямого падения напряжения на анодном р-i-n переходе; если у кремния оно возрастает в несколько раз, то у GaAs в 1,15÷1,5 раза, т.е. при правильном подборе технологических параметров радиационной обработки комбинированными электронно-протонными потоками или электронами - α-частицами можно добиться исключительных динамических свойств СИТ. При правильном подборе профилей распределения радиационно-имплантированных атомов водорода и гелия в кристаллическую решетку GaAs СИТ-тиристора в наиболее критических зонах распределения неосновных носителей, в таких как прикатодная (затворная) область, областях n--i и i-р--р СИТ тиристорной GaAs структуры.

Предварительные исследования показали, что имеются дополнительные технологические конструктивные решения, сильно влияющие на динамику тиристорного ключа с полевым управлением, в частности, это связано с использованием взамен n+-GaAs катодной области 5 структуры на основе n или n+ типа проводимости гетероструктуры на основе AlGaAs. Такая структура вследствие большой ширины запрещенной зоны на 0,2÷0,4 В, чем у n--GaAs, будет иметь повышенную способность инжекции электронов из приповерхностной n или n+-катодной зоны в n--канал, связывающий катодную область с n--базой, с инжекцией более горячих и более быстрых электронов из гетероперехода. Эффективная масса инжектированных из гетеропереходов электронов выше (в 1,2÷1,3 раза), чем у электронов в n--базе GaAs и, следовательно, они слабее рассеиваются на ловушечных центрах кристаллической решетки в n--базе, тем самым способствуя более эффективному и быстрому созданию электронно-дырочной плазмы в n--базе и более глубокой модуляции проводимости базового выпрямительного n--слоя СИТ-тиристора.

При сшивании зонных диаграмм n(n+) AlGaAs и n- GaAs очевидно, что в зоне проводимости на границе гетероперехода возникает потенциальный барьер в 0,2÷0,4 В, а в валентной зоне разрыв ничтожно мал - несколько кТ. Это показывает, что в прилегающей зоне гетероперехода (т.е. в канале) образуется повышенная концентрация электронов, перемещенных из n(n+) зоны AlGaAs с большой энергией в n--зону GaAs с меньшей энергетической зоной, эти электроны выполняют роль модулятора высокоомного канала прикатодной области. Еще одно очень необходимое качество вносится гетероструктурой AlGaAs n(n+)-типа, оно заключается в том, что величина прямого падения напряжения на открытом тиристоре снижается на величину потенциального барьера в области гетероперехода, т.е. на величину около 0,3 В, а это очень значительно, т.е. приводит к улучшению динамических свойств СИТ структуры при переключении.

Структура кристалла создается следующим образом (конкретный пример).

Методом LPE технологии на подложке р+-типа GaAs, легированной цинком (концентрация акцепторной примеси около 3·109см-3) диаметром 2÷3 дюйма выращиваются эпитаксиальные GaAs слои - p+-слой с уменьшением концентрации на три порядка и более от подложки с толщиной порядка 7÷10 мкм, затем р-слой со средней концентрацией акцепторной примеси до 1011 и менее. Затем выращивается толстая эпитаксиальная зона, так называемая i-область с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей не более 1011 см-3. На ней выращивается тонкий буферный эпитаксиальный n-слой, на поверхности которого выполняется тонкий n+-слой с концентрацией не менее чем 1018 см-3.

Данные эпитаксиальные слои легируются теллуром, оловом или др. Методом имплантации атомов цинка и термической диффузии в локальные участки на поверхности эпитаксиального слоя катода, создаются р+-зоны, а также кольцевые области планарного перехода (или планарный переход). В случае наращивания гетероструктуры AlGaAs на поверхности n--слоя концентрация доноров увеличивается незначительно или остается равной в объеме. При необходимости не периферии планарного p+-n- перехода создается меза-область с глубиной выравнивания до p+-зоны анода и пассивируется фотоимидом или другими защитными покрытиями для стабилизации высоковольтных областей верхнего и нижнего р-n переходов (затвор-база и база-анод). В этом еще одно преимущество данной структуры перед кремниевыми IGBT, т.е. она способна выдерживать обратные броски напряжения на СИТ-тиристоре, т.е. при включении, например, на индуктивную нагрузку в анодной цепи, когда запасенная энергия Е=LI2/2 создает условия для обратной полярности на аноде.

Контакты к анодной, катодной и затворной областям структуры создаются на основе систем следующих атомных соединений: Si, Au, Ge, Ti, Ni, Ag и др. с толщиной от сотен нанометров до нескольких тысяч.

Технико-экономическое преимущество данных тиристорных структур с полевым управлением заключается в том, что они могут полностью вытеснить функциональные аналоги - электронные ключи на основе кремниевых IGBT и MOSFET и создать условия для разработки значительно более эффективных преобразователей в диапазоне токов до 1,0 кА, напряжений до 1200 В и частот коммутации 0,3÷1,0 МГц.

1. Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением, содержащий анодную область из высоколегированной подложки p+-типа проводимости, базовую область из последовательных эпитаксиальных слоев n-типа и высокоомного n--типа проводимости, затворную область, выполненную из локальных взаимосвязанных областей р+-типа проводимости в приповерхностном объеме, в т.ч. в углублениях (канавках) базовой области, катодную область, выполненную из локальных взаимосвязанных n+-типа проводимости неглубоких областей, расположенных между затворными р+-областями, отличающийся тем, что структура тиристора выполнена на основе арсенида галлия, при этом между анодной и базовой областями структуры выполнены эпитаксиальные слои р+-р-р--типа с резким, плавным, резким перепадом разностной концентрации акцепторной и донорной примесей от не менее чем 1019 до 1011 см-3 и менее, и эпитаксиальная i-область с разностной концентрацией акцепторной и донорной примесей не более чем 1011 см-3.

2. Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением по п.1, отличающийся тем, что локальные катодные n+-области выполнены в виде локальных гетероструктур n- или n+-типа проводимости на основе соединений алюминия, галлия и мышьяка.

3. Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением по п.1, отличающийся тем, что активные области структуры радиационно легированы высокоэнергетичными электронами, протонами, альфа-частицами.



 

Наверх