RU2472248C2 - High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control - Google Patents

High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control Download PDF

Info

Publication number
RU2472248C2
RU2472248C2 RU2010107584/28A RU2010107584A RU2472248C2 RU 2472248 C2 RU2472248 C2 RU 2472248C2 RU 2010107584/28 A RU2010107584/28 A RU 2010107584/28A RU 2010107584 A RU2010107584 A RU 2010107584A RU 2472248 C2 RU2472248 C2 RU 2472248C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thyristor
type
region
regions
local
Prior art date
Application number
RU2010107584/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010107584A (en
Inventor
Виктор Евгеньевич Войтович
Александр Иванович Гордеев
Анатолий Николаевич Думаневич
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Интелсоб" (ООО "Интелсоб")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Интелсоб" (ООО "Интелсоб") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Интелсоб" (ООО "Интелсоб")
Priority to RU2010107584/28A priority Critical patent/RU2472248C2/en
Publication of RU2010107584A publication Critical patent/RU2010107584A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2472248C2 publication Critical patent/RU2472248C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Thyristors (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: in a high-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control, comprising an anode area from a highly alloyed substrate of p+-type conductivity, a basic area from serial epitaxial layers of n--type and high-resistance n+-type of conductivity, a gate area arranged from local interrelated areas of p+-type conductivity in a near-surface volume, also in grooves of the basis area, a cathode area made of local interrelated shallow areas of n+-type conductivity arranged between gate p+-areas, the thyristor structure is made based on gallium arsenide, at the same time between the anode and basic areas of the structure there are epitaxial layers of p+-p-p--type with a sharp, smooth, sharp transition of differential concentration of acceptor and donor admixtures from at least 1019 cm-3 to 1011 cm-3 and below, and the epitaxial i - area with differential concentration of acceptor and donor admixtures by not more than 1011cm-3.
EFFECT: invention makes it possible to increase efficiency of a thyristor with field control several times, to increase working temperature of a crystal 1,5-2 times, radiation resistance.
3 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to the field of semiconductor devices, in particular, to the design of high-voltage high-temperature high-current high-speed field-controlled thyristors operating at high reverse voltages, high current densities, high operating temperature and high speed.

Тиристоры с полевым управлением используются в преобразовательной технике с повышенной частотой переключения и высокими значениями скоростей нарастания обратного напряжения.Field-controlled thyristors are used in converter technology with an increased switching frequency and high values of the reverse voltage rise rates.

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.Known designs of silicon thyristors with field shutdown, which are described in a number of information sources, they have high speed - several tens of kilohertz - switching frequency, high voltage rise rate dU / dt, low voltage drop in the open state.

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).Such constructive solutions are shown in works such as Field-Controlled Thyristor (ECT) - A New Electronic Component by D.T. Houston, S. Krishna, D. Piccone, R.J. Finke, Y.Sun - International Electronic Devices Meeting, Washington, D.C. 1975 (1); “Physics of thyristors” A. Blikher, Leningrad, Energoizdat, 1981, p.118 (2), but the closest prototype in terms of efficiency and design is the thyristor design in the scientific and technical report on scientific research (R&D) “Comparative analysis of static characteristics of insulated-gate bipolar transistors and field-controlled thyristors in the open state ”, performed by the Solid State Electronics Department of the Physicotechnical Institute named after A.F. Ioffe RAS, St. Petersburg under the contract No. 9/05 of 03/01/2005, p. 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).The given prototype (3) of a field-controlled thyristor has large limiting current densities of hundreds of amperes per square centimeter at a reverse breakdown voltage of 1200 V and a direct current-voltage characteristic that is almost similar to the current-voltage characteristic of forward biased silicon diodes with a typical cut-off of 0.75 ÷ 0.85 V ( 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.The design of the known prototype consists of a p ++ type single crystal silicon anode substrate, a highly doped acceptor impurity, for example, boron, an epitaxial thin buffer layer of the opposite type of n - type conductivity, doped with a donor impurity, such as phosphorus or antimony, a thin high resistance n - type epitaxial layer , lightly doped donor impurity, such as phosphorus, are locally formed in the surface layer of the n - region -epitaksialnoy or grooves in the surface of the epitaxy noy n - type region diffusion of high acceptor impurity (boron) p + -regions (gate) located on the structural and calculated distance from each other, but at least two or three Debye lengths silicon p + -n - junction, locally made thin heavily , for example, phosphorus, the n + layer of the cathode part of the structure located between the gate p + regions. A single external p + zone with dividing p or p + ring regions representing the construction of a planar pn junction or an etched mesa region with the corresponding protection of a planar or mesplanar pn junction is formed along the external perimeter of local p + bands. Metal non-rectifying contacts are made to the anode, cathode and gate parts. The disadvantage of this structure is the insufficiently high speed, low, ≤175 ° С, the operating temperature of the thyristor crystal structure, the strong dependence of the thyristor switching rate on the operating temperature in the active regions of the structure, a sharp increase in dynamic switching losses when adjusting the lifetime of minority carriers in the peripheral regions and central the basic field of radiation technologies, for example, doping (irradiation) with high-energy electron and proton fluxes, especially the latter, with given mean free path in the crystal lattice and the irradiation doses. At the same time, the direct voltage drop in the open state increases sharply, several times, which reduces the dynamic properties of the thyristor switch.

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.The purpose of the invention is a sharp, several-fold increase in the speed of field-controlled thyristor, a sharp increase in the working temperature of the crystal by 1.5 ÷ 2 times, a several-fold increase in radiation resistance, an increase in the resistance to dU / dt and dI / dt current growth rates and voltages in hard resonant switching mode.

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).The fundamentally set goal is achieved in that instead of a silicon crystal of the thyristor structure with field control, gallium arsenide (GaAs) structure or a combined heterostructure gallium arsenide-aluminum-gallium arsenide (GaAs-AlGaAs) are used.

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:A constructive solution to this problem is that, in contrast to the known solution [3] of a field-controlled thyristor structure containing a single crystal substrate of p + type conductivity 1 doped with an acceptor impurity with an atomic concentration of at least 10 19 cm -3 , the buffer n-type epitaxial layer 2 with a significantly higher concentration of donor impurity than in the subsequent base high-resistance n - type epitaxial layer 3, lightly doped donor-type impurity, for example 10 14 cm -3 , shallow areas of n + -type n conductivity 5, performed between local p + -regions 4, with a concentration of doping donor impurities of not less than 10 18 cm -3 , the following is true:

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.1. On the p + -type substrate, a preliminary epitaxial layer is grown with a dominant acceptor-type impurity and consisting of three interconnected p + -p-p - type conductivity regions with sharp (three orders of magnitude), smooth (several times, but no more than one and a half orders of magnitude) and again a sharp (three to four orders of magnitude) stepwise decrease in the differential concentration of acceptor and donor impurities from the concentration level of acceptors and donors in the substrate (not less than 10 19 cm -3 ) to the level of the differential concentration of acceptor and donor impurities more than 10 11 cm -3 and a thickness of at least 20 microns.

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.2. On the surface of the p + -p-p - type epitaxial layer, an additional preliminary i-layer is grown — region 7 with a difference concentration of acceptor and donor impurities of not more than 10 11 cm -3 with a thickness of 5 to 50 microns.

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

Figure 00000001
рассчитывается эффективность канала.The essence of the invention is illustrated in figure 1, which shows the p + -substrate 1, p + -p-p - epitaxial layer 6, epitaxial i-region 7, epitaxial buffer n-type layer 2, epitaxial n - type layer 3, local regions of the p + type of conductivity 4, local n + types of the region 5. The doping profiles in the structure of FIG. 1 along the axes of sections A and B are shown in FIGS. 2, 3. In the structure shown in FIG. 1, the maximum operating reverse voltages provided Embodiment of p + -n transition in the cathodic part of a thyristor structure field councils HAND formed by regions 3, 4, electrophysical parameters layers 7, 2, 3, the distance between the p + region 4, depth of n + -type region 5 and a number of other factors. With the correct selection of the depth of the pn junction of the p + gate, the distances between the p + gates, taking into account the Debye length
Figure 00000001
channel efficiency is calculated.

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).Region i or pin region allows you to adjust the concentration and the thickness of the buffer layer, and with an optimal ratio of dopant concentrations, lifetimes, diffusion length of minority carriers it can be equal in electrophysical properties to the n - high-resistance layer and be its component without a significant reduction in the maximum voltage blocking on a thyristor with field control (figure 2, 3 dashed line shows such a distribution of the concentration of impurities in zone 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.As can be seen from Fig. 1, in the direct-on state at zero bias on the p + gate, such a structure is equivalent to the direct-on p + -p + -p-p - -nn - -n + GaAs diode in which the density of electron-hole pairs is equivalent to the distribution of such pairs in silicon p + -nn - -n + diodes.

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.The cutoff of the direct characteristic of GaAs diodes begins with 1.1 ÷ 1.12 V with a sharp increase in current with increasing forward bias at the pn junction. The slope (or current growth angle) of such a current-voltage characteristic is determined by the injection coefficient of holes of the forward biased pn junction, the thickness, ohmicity, τ p and L p of the barrier n-layer and the high-resistance layer of the base of the n - type conductivity and the sharp influence of the resistance of the cathode n - -n + a channel formed between the gate regions.

Сопротивление прикатодного

Figure 00000002
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
Figure 00000003
Cathode resistance
Figure 00000002
the channel will depend on the distance between the p + gates, which is dictated by the electrical parameters of the control circuits, i.e. the cutoff voltage of the near-cathode channel n + -n should not exceed reasonable values, for example, with cascode control of the thyristor by a field-effect transistor with an insulated gate, this value should not exceed 30 V. Based on this, the width of the n + -n channel will be several Debye lengths (width IPF at its own potential φ T on p + -n - junction), but in any case not less than
Figure 00000003

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.To reduce the channel resistance, a second buffer n ' zone 8 can be introduced, which is doped by 2–3 orders of magnitude and weaker than the n + region of the cathode 5, while the depth of the n ' zone 8 is much less than the depth of the p + - n transition gate SIT thyristor.

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.The structure shown in Fig. 1 with a cascade-switched field effect transistor with a MOSFET gate and the correct selection of electric circuits in the gate part can make it possible to create a key equivalent to an IGBT silicon transistor key, but with almost the same chip area (current density through the SIT structure of the thyristor due to the efficiency of the modulation depth and n - base layer 3 ÷ 2 times higher than that of the IGBT transistor) to create fast keys with the frequency conversion is 5 ÷ 10 times higher than that of IGBT, without losing on pad NIJ voltage in the open state. Those. it is possible to create an effective competitor to a silicon MOSFET transistor (lower control capacity, 25 or more times less resistance in the open state, the same speed), while this structure is fundamentally different from the latter. This difference is that at a working temperature of about 100 ÷ 150 ° C, the switching frequency of the field-controlled GaAs thyristor remains almost unchanged, while the switching frequency of the MOSFET drops by 30 ÷ 50%, and at 175 ° C it is no longer key.

Частотные и динамические свойства при переключении указанной структуры улучшаются при облучении:Frequency and dynamic properties when switching this structure are improved by irradiation:

- высокоэнергетичными электронами с энергией 1÷7 МэВ и плотностью потока 1015÷1012см-2;- high-energy electrons with an energy of 1 ÷ 7 MeV and a flux density of 10 15 ÷ 10 12 cm -2 ;

- высокоэнергетичными протонами с энергией от 0,8 МэВ до 3 МэВ и плотностью потока от 1015÷1012см-2,- high-energy protons with energies from 0.8 MeV to 3 MeV and a flux density of 10 15 ÷ 10 12 cm -2 ,

- высокоэнергетичными альфа-частицами с энергией от 0,5 МэВ до 2 МэВ, при плотности потока от 1010 до 1012 см-2.- high-energy alpha particles with energies from 0.5 MeV to 2 MeV, with a flux density of 10 10 to 10 12 cm -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.At the same time, it was found that upon irradiation with electrons up to 1 MeV and a density of up to 10 15 ÷ 10 12 cm -2 in the high-resistance region small-lying trap centers were formed.

При более высоких энергетических потоках образовывались рекомбинационные центры на большой глубине залегания (ближе к середине запрещенной зоны).At higher energy fluxes, recombination centers were formed at a large depth (closer to the middle of the forbidden zone).

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).When irradiated with protons with energies of 5 MeV and alpha particles of 3 MeV with a flux density of 10 12 cm -2, the high-resistance GaAs n-region changed its properties, while the bulk resistance increased, and a semi-insulating layer formed on the surface of the GaAs n-region (region )

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.The creation of this near-surface semi-insulating layer made it possible to reduce the electric field strength on the surface of the pn junction. During high-energy irradiation with heavy particles - protons and alpha particles, nuclear reactions occur in the crystal lattice of gallium arsenide, resulting in the need for exposure of the samples for a long time to eliminate the induced radioactivity. The structures were annealed after irradiation at T = 250–350 ° C.

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.Studies of the processing of GaAs structures by high-energy electron, proton, and α-particle beams (doping with hydrogen and helium fluxes) showed a significant difference in the values of the direct voltage drop at the anode p-junction; if it increases several times in silicon, then in GaAs it increases by 1.15–1.5 times, i.e. with the correct selection of the technological parameters of radiation treatment using combined electron-proton fluxes or electrons - α-particles, it is possible to achieve exceptional dynamic properties of SIT. With the correct selection of the distribution profiles of the radiation-implanted hydrogen and helium atoms in the GaAs crystal thyristor lattice in the most critical distribution zones of minority carriers, such as the near-cathode (gate) region, the regions of n - -i and i-p - -p SIT thyristor GaAs structure.

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.Preliminary studies have shown that there are additional technological design solutions that strongly affect the dynamics of the thyristor key with field control, in particular, this is associated with the use of an n + n + type conductivity heterostructure based on AlGaAs instead of the n + -GaAs cathode region 5. Such a structure, due to the large band gap by 0.2–0.4 V than that of n - GaAs, will have an increased ability to inject electrons from the surface n or n + cathode zone into the n - channel connecting the cathode region with n - -base, with the injection of hotter and faster electrons from the heterojunction. The effective mass of electrons injected from heterojunctions is 1.2–1.3 times higher than that of electrons in the n - base of GaAs and, therefore, they are weaker scattered at the trap centers of the crystal lattice in the n - base, thereby contributing to more efficient and rapid creation of an electron-hole plasma in the n - base and deeper modulation of the conductivity of the base rectifier n - layer of the SIT thyristor.

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.When stitching the band diagrams of n (n + ) AlGaAs and n - GaAs, it is obvious that a potential barrier of 0.2–0.4 V appears in the conduction band at the boundary of the heterojunction, and the gap in the valence band is negligible - a few kT. This shows that in the adjacent zone of the heterojunction (i.e., in the channel) an increased concentration of electrons is formed, which are transferred from the n (n + ) AlGaAs zone with high energy to the GaAs n - zone with a lower energy zone; these electrons act as a modulator of a high-resistance channel of the cathode region. Another very necessary quality is introduced by the n (n + ) -type AlGaAs heterostructure; it consists in the fact that the direct voltage drop across the open thyristor decreases by the value of the potential barrier in the heterojunction region, i.e. by about 0.3 V, and this is very significant, i.e. leads to an improvement in the dynamic properties of SIT structures during switching.

Структура кристалла создается следующим образом (конкретный пример).The crystal structure is created as follows (specific example).

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.Using the LPE technology, zinc-doped GaAs p + type substrate (acceptor impurity concentration is about 3 · 10 9 cm -3 ) with a diameter of 2 ÷ 3 inches are grown by epitaxial GaAs layers - p + -layer with a decrease in concentration by three orders of magnitude or more from the substrate with a thickness of the order of 7 ÷ 10 μm, then the p-layer with an average concentration of acceptor impurities up to 10 11 or less. Then a thick epitaxial zone is grown, the so-called i-region with a difference concentration of donor and acceptor impurities of not more than 10 11 cm -3 . A thin buffer epitaxial n-layer is grown on it, on the surface of which a thin n + layer with a concentration of not less than 10 18 cm -3 is formed .

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.These epitaxial layers are doped with tellurium, tin, or others. By the method of implantation of zinc atoms and thermal diffusion into local areas on the surface of the epitaxial layer of the cathode, p + zones are created, as well as ring regions of a planar transition (or planar transition). In the case of an AlGaAs heterostructure growing on the surface of the n - layer, the donor concentration increases insignificantly or remains equal in volume. If necessary, the periphery is not planar p + -n - transition mesa region is created with a depth alignment to p + -zone anode is passivated and fotoimidom or other protective coatings to stabilize the high areas of the upper and lower p-n transition (gate-base and anode-base ) This is another advantage of this structure over silicon IGBTs, i.e. it is able to withstand reverse surges on the SIT thyristor, i.e. when turned on, for example, an inductive load in the anode circuit when the stored energy E = LI 2/2 creates conditions for the reversed polarity at the anode.

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.Contacts to the anodic, cathodic, and gate regions of the structure are created on the basis of systems of the following atomic compounds: Si, Au, Ge, Ti, Ni, Ag, etc. with a thickness of hundreds of nanometers to several thousand.

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.The technical and economic advantage of these field-controlled thyristor structures is that they can completely displace functional analogs - electronic keys based on silicon IGBTs and MOSFETs and create conditions for the development of significantly more efficient converters in the current range up to 1.0 kA, voltages up to 1200 V and switching frequencies 0.3 ÷ 1.0 MHz.

Claims (3)

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-3.1. High-voltage field-controlled high-temperature high-speed thyristor, containing an anode region of a highly doped p + type conductivity substrate, a base region of consecutive n-type epitaxial layers and a high-resistance n - type conductivity, a gate region made of local interconnected p + - regions type of conductivity in the near-surface volume, including in the recesses (grooves) of the base region, the cathode region made of local interconnected n + -type conductivity of shallow areas located between the gate p + regions, characterized in that the thyristor structure is based on gallium arsenide, while between the anode and base regions structures are epitaxial layers p + -p-p - -type sharp, smooth, sharp concentration drop difference acceptor and donor impurities from not less than October 19 to 10 11 cm -3 or less and the epitaxial region with i-difference concen walkie acceptor and donor impurities are not more than 10 11 cm -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.2. The high-voltage high-temperature fast-acting thyristor with field control according to claim 1, characterized in that the local cathode n + -regions are made in the form of local heterostructures of n- or n + -type conductivity based on aluminum, gallium and arsenic compounds. 3. Высоковольтный высокотемпературный быстродействующий тиристор с полевым управлением по п.1, отличающийся тем, что активные области структуры радиационно легированы высокоэнергетичными электронами, протонами, альфа-частицами. 3. High-voltage high-temperature field-effect thyristor according to claim 1, characterized in that the active regions of the structure are radiation-doped with high-energy electrons, protons, and alpha particles.
RU2010107584/28A 2010-03-03 2010-03-03 High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control RU2472248C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010107584/28A RU2472248C2 (en) 2010-03-03 2010-03-03 High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010107584/28A RU2472248C2 (en) 2010-03-03 2010-03-03 High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010107584A RU2010107584A (en) 2011-09-10
RU2472248C2 true RU2472248C2 (en) 2013-01-10

Family

ID=44757280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010107584/28A RU2472248C2 (en) 2010-03-03 2010-03-03 High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2472248C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02184078A (en) * 1989-01-11 1990-07-18 Meidensha Corp Field-effect transistor
DE19627838A1 (en) * 1995-10-12 1997-04-17 Showa Denko Kk Epitaxial wafer for LED manufacture
US6479844B2 (en) * 2001-03-02 2002-11-12 University Of Connecticut Modulation doped thyristor and complementary transistor combination for a monolithic optoelectronic integrated circuit
RU91222U1 (en) * 2009-09-29 2010-01-27 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН POWERFUL FIELD CONTROLLED FIELD CONTROLLER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02184078A (en) * 1989-01-11 1990-07-18 Meidensha Corp Field-effect transistor
DE19627838A1 (en) * 1995-10-12 1997-04-17 Showa Denko Kk Epitaxial wafer for LED manufacture
US6479844B2 (en) * 2001-03-02 2002-11-12 University Of Connecticut Modulation doped thyristor and complementary transistor combination for a monolithic optoelectronic integrated circuit
RU91222U1 (en) * 2009-09-29 2010-01-27 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН POWERFUL FIELD CONTROLLED FIELD CONTROLLER

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010107584A (en) 2011-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10847608B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
US10950717B2 (en) Semiconductor device having semiconductor regions with an impurity concentration distribution which decreases from a respective peak toward different semiconductor layers
Kaji et al. Ultrahigh-voltage SiC pin diodes with improved forward characteristics
US9870923B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device
Feng et al. Space-modulated junction termination extension for ultrahigh-voltage pin diodes in 4H-SiC
JP3968912B2 (en) diode
Lutz Axial recombination centre technology for freewheeling diodes
US11948976B2 (en) Vertical MOSFET having trench gate structure containing silicon carbide
Han et al. Design of GaN/AlGaN/GaN super-heterojunction schottky diode
JP4096838B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
Baliga Silicon carbide power devices
Kim et al. An optimal design for 1.2 kV 4H-SiC JBSFET (junction barrier Schottky diode integrated MOSFET) with deep P-well
Kizilyalli et al. Recent Progress in Wide-Bandgap Semiconductor Devices for a More Electric Future
US20180286683A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing thereof
Duan et al. 1.7-kV vertical GaN pn diode with triple-zone graded junction termination extension formed by ion-implantation
Matsudai et al. 1200V SC (Schottky controlled injection)-diode, an advanced fast recovery concept with high carrier lifetime
Baliga The asymmetrical field-controlled thyristor
Baburske et al. A new diode structure with inverse injection dependency of emitter efficiency (IDEE)
RU172077U1 (en) SILICON CARBIDE SILICON DRIFT DIODE
RU2472248C2 (en) High-voltage high-temperature quick-acting thyristor with field control
RU2472249C2 (en) Crystal of ultrafast high-voltage high-current arsenide-gallium diode
Mehrotra et al. Comparison of high voltage rectifier structures
RU92242U1 (en) POWERFUL HIGH VOLTAGE BIPOLAR TRANSISTOR WITH ISOLATED SHUTTER WITH ANTI-PARALLEL FAST TEMPERATURE-RESISTANT DIODE
JP2017098318A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
RU2801075C1 (en) Ultrafast high voltage gallium arsenide diode crystal

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140304