Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока

Предлагаемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована для генерации коротких (наносекундных) мощных импульсов тока.

Сущность полезной модели -

Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока, содержащий тонкие сильнолегированные слои p⁺ и n⁺-типа проводимости и расположенный между ними широкий слаболегированный слой N-типа проводимости, уровень легирования и ширина которого выбирается согласно требуемой величине блокируемого напряжения, отличающийся тем, что в этот слой со стороны n⁺-слоя введены рекомбинационные центры на глубину не меньшую половины и не большую 0.75 ширины этого слоя.

Техническим результатом является повышение рабочего напряжения диода с резким обрывом обратного тока и удешевление технологического процесса изготовления.

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована для генерации коротких мощных импульсов тока в устройствах с индуктивными накопителями энергии.

Известен высоковольтный кремниевый диод - дрейфовый диод с резким восстановлением (ДДРВ), способный обрывать обратный ток за единицы наносекунд и даже доли наносекунды. Этот диод был впервые предложен в 1983 г. [1] и наиболее подробно описан в [2]. Полупроводниковая структура диода содержит сильнолегированный p⁺-слой, примыкающий к нему р^/-слой с умеренным легированием, затем слаболегированный N-слой и, примыкающий к нему сильнолегированный n⁺-слой. Конструкция р ⁺р^/Nn⁺-структуры диода показана на Рис.1а.

Путем длительной термодиффузии примеси р-типа (обычно Аl или Ga)в исходном кремнии N-типа проводимости создается глубокий (70÷100 мкм) p^/-N переход с относительно невысокой (10¹⁷-10¹⁸ см ^-3) поверхностной концентрацией, а затем короткой диффузией соответствующих примесей (обычно бор и фосфор) создаются тонкие (5-10 мкм) инжекторные р⁺ и n⁺-слои с высокой (10¹⁹-10²⁰ см^-3) концентрацией примеси.

Работает этот диод следующим образом.

После протекания короткого (десятки наносекунд) импульса прямого тока в p^/ и N-слоях формируется нестационарное распределение электронно-дырочной плазмы (Рис.1, кривая 1). Затем через диод пропускается быстронарастающий импульс обратного тока. За счет выноса из плазмы электронов и дырок в р и N-слоях формируются фронты концентрации 2 и 3, движущиеся навстречу друг другу. Для быстрого обрыва обратного тока необходимо, чтобы эти фронты встретились точно в плоскости р^/N-перехода: в этом случае образующийся на р^/N -переходе область объемного заряда (ООЗ) расширяется очень быстро за счет выноса основных носителей с насыщенной скоростью (~10⁷см/сек), поскольку плазмы в N-базе уже нет. Характерное время обрыва обратного тока в этом случае составляет единицы и даже доли наносекунды. Для того, чтобы плазменные фронты встретились в плоскости р ^/N -перехода, общее количество плазмы в р^/ и N-слоях должно быть обратно пропорционально подвижности выносимых из этого слоя носителей. Поскольку в кремнии подвижность дырок втрое меньше, чем электронов, то и количество плазмы в р ^/-слое должно быть втрое больше, чем в N-слое. Именно поэтому импульс прямого тока, вводящий плазму в диод, должен быть коротким, а Р-слой должен быть широким (обычно 70÷100 мкм), ширина же N-слоя должна быть примерно равной ширине области объемного заряда (ООЗ) при полном обратном напряжении, блокируемом прибором.

Этот прибор - ДДРВ - является аналогом предлагаемой полезной модели. Недостатками аналога является малая импульсная мощность из-за того, что короткий импульс накачки не позволяет ввести достаточное количество плазмы для генерации импульса обратного тока с большой амплитудой. Другим недостатком является необходимость создания широкой р^/-области (70÷100 мкм), в которой запасается основное количество плазмы; для создания такой области методом термодиффузии необходимо проводить длительную (десятки часов) термообработку пластин.

Известен также высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления [3], содержащий два сильнолегированных р⁺- и n⁺-слоя и два слаболегированных р^/ и N-слоя, расположенных между сильнолегированными слоями, в котором толщина слаболегированного р-слоя превышает толщину слаболегированного N-слоя, но при этом глубина залегания р^/N-перехода не превосходит 170 мкм. В таком диоде импульс прямого тока может быть достаточно длинным для создания квазистационарного распределения плазмы в p^/и N-слоях, а необходимое для быстрого обрыва обратного тока соотношение количества плазмы (3÷1) в этих слоях определяется соотношением их толщин, т.е., N-слой должен быть примерно втрое тоньше р^/-слоя. В отличие от аналога, длинный импульс прямого тока вводит в прибор большое количество плазмы, позволяющее создать импульс обратного тока с большой амплитудой. Этот прибор является прототипом предлагаемой полезной модели.

Основным недостатком прототипа является низкое рабочее напряжение. Даже в предельном случае, при толщине р^/-слоя 170 мкм, толщина N-слоя должна быть 60 мкм, что соответствует напряжению пробоя U_B ~600 В. Другим недостатком является высокая стоимость процесса изготовления, поскольку для создания диффузионного р^/ N-перехода глубиной ~170 мкм необходимо проводить очень длительный процесс термообработки пластин (десятки часов).

Целью предлагаемой полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е., повышение рабочего напряжения диода с резким обрывом обратного тока и удешевление технологического процесса изготовления.

Сущность изобретения и его отличие от прототипа.

Поставленная цель достигается в полупроводниковой диодной структуре, показанной на Рис.2, и содержащей сильнолегированные слои р⁺ и n⁺-типа проводимости и расположенный между ними слаболегированный N-слой с толщиной W, в который со стороны n⁺-слоя введены на глубину W₁ рекомбинационные центры, снижающие время жизни неосновных носителей тока _р. Необходимая глубина введения рекомбинационных центров и их концентрация рассчитываются в каждом конкретном случае, исходя из требуемых характеристик диода - рабочего напряжения, амплитуды обрываемого тока и времени его обрыва.

Работает диод следующим образом.

Длительный импульс прямого тока создает в N-слое квазистационарное распределение концентрации электронно-дырочной плазмы (кривая 1 на Рис.2). В области W₂ этого слоя, куда не введены рекомбинационные центры, время жизни носителей _р2 велико и поэтому концентрация плазмы уменьшается медленно по мере удаления от р⁺N-перехода, а при переходе в область W₁ с малым временем жизни носителей тока _р1 концентрация плазмы резко снижается. Затем через диод пропускается быстронарастающий импульс обратного тока. При этом у р⁺N-перехода начинает снижаться концентрация плазмы из-за выноса дырок через р⁺N-переход, а у n ⁺N-перехода формируется концентрационный фронт, который быстро перемещается к р⁺N-переходу, оставляя за собой область, свободную от плазмы (кривая 2 на Рис.2). Глубина введения W₁ рекомбинационных центров и их концентрация, а также параметры импульсов прямого и обратного токов рассчитываются так, чтобы концентрационный фронт достиг р⁺N-перехода одновременно с уменьшением около него до нуля концентрации плазмы вследствие выноса дырок обратным током. В этом случае, подобно аналогичной ситуации в ДДРВ, образующаяся у р⁺N-перехода ООЗ расширяется очень быстро и ток обрывается за единицы наносекунд. Однако, в отличие от ДДРВ, длинный импульс прямого тока вводит в N-слой большое количество плазмы, что позволяет сформировать импульс обратного тока с большой амплитудой в момент обрыва. В то же время, в отличие от прототипа, возникающая при обрыве тока ООЗ может расширяться на всю толщину N-слоя (W₂ +W₁) и диод после восстановления может блокировать большое напряжение. Кроме того, в отличие от аналога и прототипа, при изготовлении диода отсутствуют длительные диффузионные процессы, поскольку сильнолегированные p⁺ и n⁺-слои имеют глубину ~10 мкм, т.е., на порядок меньше, чем глубина р ^/N-переходов в аналоге и прототипе.

Принципиально важным параметром является толщина области W₂, свободной от рекомбинационных центров, поскольку запасаемое в ней количество плазмы определяет величину импульса обратного тока в момент обрыва и, следовательно, импульсную мощность в нагрузке. Точное определение оптимального значения этого параметра возможно только численным моделированием всех этапов процесса введения и экстракции плазмы.

Однако, наши эксперименты показали, что оптимальные значения W₂ лежат в пределах W/4W₂W/2. В этих пределах значений W₂ при соответствующей подстройке параметров импульсов прямого и обратного токов можно сформировать наносекундный обрыв импульс обратного тока большой амплитуды.

Конкретный пример выполнения

В кремниевые пластины с удельным сопротивлением =60 Ом. см была проведена короткая диффузия бора с поверхностной концентрацией P_S=5·10¹⁹ см^-3 на глубину 15 мкм (температура диффузии 1200°С, время диффузии 2 часа), затем с противоположной стороны был удален слой толщиной 15 мкм и проведена диффузия фосфора с поверхностной концентрацией 1·10²⁰ см^-3 на глубину 10 мкм. Толщина базовой N-области с =60 Ом. см составляла 200 мкм. Затем методом химического никелирования и вжигания были созданы металлические контакты к n⁺ и р⁺-слоям, после чего в N-базе была создана области W₁ с повышенной концентрацией рекомбинационных центров двумя методами:

1. Облучением пластин со стороны n⁺-слоя пучком электронов с энергией, близкой к порогу дефектообразования, который в кремнии равен ~300 килоэлектронвольт (кэВ). Ранее нами было показано [4], что облучение пластин кремния с толщиной в сотни микрон электронами с энергией ниже 600 кэВ позволяет получить профильное распределение концентрации рекомбинационных центров в направлении движения пучка из-за потери энергии электронов (0.4 кэВ/мкм) при рассеянии на решетке кремния.

2. Облучение пластин со стороны n⁺-слоя протонами с энергией, обеспечивающей создание максимума концентрации рекомбинационных центров на границе между областями W₁ и W₂ в N-области, т.е. в этом случае толщина области W₁ будет равна средней длине пробега в кремнии протонов с заданной энергией.

Типичные осциллограммы процесса нарастания тока в нагрузке (в безиндуктивном сопротивлении 50 Ом) при резком обрыве обратного тока в диоде, облученном электронами с энергией 500 кэВ и дозой 3·10¹⁶ см^-2, приведены на Рис.3а, б, в.

Схема установки для измерения параметров процесса приведена на Рис.3а. Импульс прямого тока, I_F, вводящий плазму в исследуемый диод D, создается разрядом конденсатора C₁ через индуктивность L ₁ и шунт R_ш при замыкании ключа K₁ . Затем через диод пропускается быстронарастающий импульс обратного тока I_R по цепи C₂-K₂-L ₂-D-R_ш, который резко обрывается при восстановлении диода D и перебрасывается в нагрузку R_н. На Рис.3б приведены эпюры прямого и обратного тока через диод с рабочей площадью 0.1 см², а на Рис.3в - осциллограмма импульса напряжения на омической нагрузке R_н=50 Ом. Как видно из приведенных материалов, диод с предлагаемой конструкцией полупроводниковой структуры позволяет при накачке длинным (1.0 мкс) импульсом прямого тока небольшой (2 А) амплитуды обрывать за ~1.5 нс обратный ток с амплитудой 32 А и формировать в нагрузке импульс с напряжением 1600 В и пиковой мощностью более 50 kW, т.е. 500 kW/см². Примерно аналогичный вид имеют осциллограммы резкого обрыва обратного тока в диодах, облученных протонами. Облучение производилось протонами с энергией 4 мэВ (длина пробега 150 мкм) и дозой 3·10¹⁰ см ^-2.

Список литературы

1. И.В.Грехов, В.М.Ефанов, А.Ф.Кардо-Сысоев, С.В.Шендерей

«Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на диодах с дрейфовым механизмом восстановления»

Письма в ЖТФ, 1983, т.9, вып.7, (аналог)

2. И.В.Грехов, Г.А.Месяц

«Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов»

УФН, 2005, т.П5, 7, с.735-744.

3. А.С.Кюрегян

«Высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления»

Патент РФ 2197034, класс Н011. 29/861, приоритет от 30.07.2001 (прототип).

Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока, содержащий тонкие сильнолегированные слои p⁺ - и n⁺-типа проводимости и расположенный между ними широкий слаболегированный слой N-типа проводимости, уровень легирования и ширина которого выбирается согласно требуемой величине блокируемого напряжения, отличающийся тем, что в этот слой со стороны n ⁺-слоя введены рекомбинационные центры на глубину, не меньшую половины и не большую 0,75 ширины этого слоя.