Полупроводниковые приборы для быстрой коммутации больших мощностей и новые технологические методы их изготовления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор технических наук Костина, Людмила Серафимовна

Оглавление диссертации доктор технических наук Костина, Людмила Серафимовна

ЧАСТЬ I. ПРИНЦИП КОММУТАЦИИ мощности с помощью УПРАВЛЯЮЩЕГО ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ И ПРИБОРЫ НА ЕГО ОСНОВЕ.

Глава I. Мощный переключатель микросекундного диапазона — реверсивно-включаемый динистор.

1.1. Основные физические ограничения коммутационных возможностей приборов тиристорного типа и пути их преодоления.

1.2. Принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя.

1.3. Выбор оптимальной конструкции реверсивно включаемого динистора (РВД).

1.4. Физика работы РВД как ключевого элемента схем мощных коммутаторов и коммутационные возможности импульсных РВД.

1.5. Технология изготовления приборов, переключаемых с помощью управляющего плазменного слоя.

Глава 2. Высокочастотные РВД для работы в генераторном (ф режиме.

2.1. Характеристика потерь при коммутации мощности приборами тиристорного типа.

2.2. Характеристики управления быстродействующих реверсивно-включаемых динисторов.

2.3. Конструктивные особенности и выходные характеристики высокочастотных РВД.

2.4. Коммутация импульсов с субмикросекундным фронтом.

Глава 3. Реверсивно-включаемые динисторы как новая элементная база мощных полупроводниковых преобразователей.

3.1. О возможности применения РВД в технике преобразования электроэнергии.

3.2. Конструктивные варианты РВД для применения в мощных высокочастотных преобразователях.

3.3. Расчет оптимальных параметров конструктивного варианта РВД на основе р+п'прп+- структуры.

3.4. Технология изготовления и результаты экспериментального исследования выходных характеристик высоковольтных РВД с повышенным быстродействием.

Глава 4. Мощный прибор ключевого типа — реверсивно-управляемый транзистор (РУТ).

4.1. Принцип действия и конструктивные особенности РУТ.

4.2. Физические процессы при работе РУТ.

4.3. Коммутационные возможности РУТ.

Ш Выводы к гл. 4.

ЧАСТЬ II. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО СРАЩИВАНИЯ КАК НОВЫЙ ИНСТРУМЕНТ СОЗДАНИЯ СИЛОВЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ КОММУТАЦИИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БОЛЬШИХ МОЩНОСТЕЙ.

Глава 5. Принципиальные особенности и перспективы технологии прямого сращивания.

5.1. Общие положения. О природе связей, обеспечивающих процесс прямого сращивания.

5.2. Модель прямого сращивания кремниевых пластин.

5.2.1. Гидрофильные поверхности.

5.2.2. Гидрофобные поверхности.

5.3. Поверхностная энергия. Механическая прочность.

5.4. Требования к качеству поверхностей.

5.4.1. Химическая отмывка пластин.

5.4.2. Роль морфологии поверхности.

5.4.3. Причины появления несплошностей ("пузырей").

5.5. Электрические свойства границы раздела.

5.6. Перспективы использования технологии прямого сращивания.

Глава 6. Прямое сращивание кремниевых пластин с регулярным мезоскопическим рельефом на интерфейсе.

6.1. Суть метода и его отличие от традиционных технических решений.

6.2. Исследование особенностей дефектообразования на границе раздела.

А 6.3. Формирование непрерывного интерфейса.

6.4. Структурные свойства интерфейса при использовании в процедуре сращивания вакуумного отжига.

6.5. Снижение уровня упругих напряжений в структурах, полученных прямым сращиванием кремния.

6.5.1. Рентгено-дифракщонное исследование.

6.5.2. Исследование качества границы сращивания методами просвечивающей ИК-спектрометрии.

6.5.3. Обсуждение результатов.

6.6. Прочность интерфейса.

6.7. Электрические свойства ПСК-структур с рельефным интерфейсом.

Глава 7. Прямое сращивание кремниевых пластин с одновременным формированием диффузионных слоев.

7.1. Образцы и методы исследования.

7.2. Исследование свойств кремниевых структур, изготовленных прямым сращиванием с одновременной диффузией примесей.

7.2.1. Диффузия алюминия.

7.2.2. Исследование структурного качества.

7.2.3. Электрические свойства рп-переходов, сформированных прямым сращиванием с одновременной диффузией алюминия.

7.3. Модель прямого сращивания кремниевых пластин с одновременной диффузией алюминия из источника на границе раздела.

Глава 8. Конструктивные варианты силовых приборов на основе модифицированной технологии прямого сращивания кремниевых пластин.

8.1! Силовой ПСК-диод.

8.2. Реверсивно включаемый динистор.

8.3. Запираемый тиристор.

8.4. О некоторых других возможностях применения модифицированной технологии прямого сращивания.

8.4.1. Исследование свойств З/'-Л'бТг-Л' — композиций, изготовленных на основе модифицированной технологии прямого сращивания.

8.4.2. Формирование 5/С-&' - композиций.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физика полупроводников», 01.04.10 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полупроводниковые приборы для быстрой коммутации больших мощностей и новые технологические методы их изготовления»

Силовое полупроводниковое приборостроение, ставящее своей главной задачей разработку и организацию производства мощных полупроводниковых приборов для коммутации и преобразования электрической энергии в широком интервале мощностей и частот, является в настоящее время быстро развивающейся областью науки и техники.

Как правило, для каждой области применения создаются специализированные типы приборов с оптимальным сочетанием параметров, диапазон которых весьма широк: рабочее напряжение от 100 до 10 ООО В, ток — от единиц до 5-6 тысяч ампер (а в импульсе - до 300 000 А), время переключения — от сотен пикосекунд до сотен микросекунд. Последнее десятилетие отмечено "вторжением" методов и приемов микроэлектроники в силовое приборостроение, что позволило создать полупроводниковую элементную базу для преобразователей малой и средней мощности с уникальными характеристиками переключения [1,2,3].

Преобразователи малой мощности сейчас базируются, в основном, на мощных полевых транзисторах (МОПТ-МОБРЕТ), представляющих собой, по сути дела, силовую интегральную схему, состоящую из сотен тысяч ячеек с характерным размером

15 мкм. Достоинством прибора является малая мощность в цепи управления, очень высокое быстродействие, определяемое дрейфовыми процессами при переносе тока основными носителями (десятки наносекунд), - область рабочих частот простирается до сотен мегагерц; рабочий ток не превышает несколько десятков ампер, рабочее напряжение — 200-300 В.

В среднем диапазоне мощностей и частот (сотни киловатт; десятки килогерц) основным пробором сейчас является биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ-ЮВТ) с диаметром элементарной ячейки

20 мкм - силовой прибор состоит из нескольких сотен тысяч таких ячеек. Предельное напряжение современных ЮВТ

3,5 кВ, предельный размер чипа 1x1 см2, а ток через него

100 А. Приборы на большие токи (до 1200 А) получают параллельным соединением чипов в одном корпусе. Принципиальные достоинства IGBT - малая мощность, потребляемая в цепи управления для включения и выключения, а также высокое быстродействие, благодаря чему прибор практически вытеснил из всех областей применения классический биполярный транзистор.

В диапазоне мощностей до нескольких мегаватт и частот до нескольких килогерц элементную базу преобразователей составляют, в основном, запираемые тиристоры (3T-GTO). Для того чтобы осуществить выключение GTO запирающим импульсом тока в цепи управления, его катодный эмиттер изготавливается в виде большого числа отдельных ячеек шириной 200-300 мкм, окруженных базовым слоем. Предельные параметры GTO очень высокие (средний рабочий ток до 1000 А, блокируемое напряжение до 6 кВ, время выключения — десятки микросекунд). Однако, наличие в GTO больших коммутационных потерь при выключении приводит к необходимости использовать дополнительные мощные RC-цепи — снабберы. Существенно улучшает ситуацию недавно разработанный фирмой ABB метод выключения GTO мощным импульсом базового тока, практически равным по амплитуде силовому току и нарастающим быстрее, чем характерное время регенеративных процессов в тиристоре. В этих условиях обеспечивается строго синхронное и быстрое прекращение инжекции всеми эмитгерными ячейками, а дальнейшее рассасывание плазмы в п- базе происходит как в обычном биполярном транзисторе. При этом система управления должна быть мощной и обладать предельно малой индуктивностью, поскольку максимальное напряжение в ней не должно превышать напряжение пробоя п+р — эмиттера (

20 В). Конструкция GTO, снабженная подобной системой, была названа Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) [4,5].

В диапазоне очень больших мощностей (десятки мегаватт) и низких частот в силовой преобразовательной технике доминируют высоковольтные тиристоры.

В области импульсной техники коммутация очень больших мощностей (от мегаватт до тераватт) в микросекундном диапазоне длительностей импульсов является серьезной проблемой в физике и технике мощных лазеров, ускорителей и радаров, в новых импульсных магнитных технологиях, системах очистки промышленных выбросов и т.д. Современные мощные переключатели, кроме способности коммутировать очень большие электрические мощности, должны обладать большим сроком службы, высокой надежностью, высоким КПД, устойчивостью к внешним воздействиям и мгновенной готовностью к работе. Именно таким требованиям удовлетворяют полупроводниковые переключатели. Тиристор является самым мощным полупроводниковым ключом в миллисекундном диапазоне. Однако, при коммутации более коротких — субмиллисекундных и микросекундных — импульсов коммутируемая тиристором мощность резко снижается из-за локализации процесса включения в узком (порядка сотни микрон) слое вблизи управляющего электрода и малой скорости распространения включенного состояния. Сложность осуществления однородного и одновременного переключения всей рабочей площади единичного выпрямительного элемента являлась главным препятствием при построении мощных импульсных систем на основе твердотельных ключей.

В [51,52] был предложен способ переключения тиристора с обратной проводимостью, находящегося в прямом блокирующем состоянии, путем подачи между анодом и катодом дополнительного импульса обратной полярности. Согласно [52], при этом может быть осуществлено быстрое и однородное переключение всей площади прибора и, соответственно, достигнуто существенное (практически на порядок), увеличение коммутируемой мощности и скорости коммутации в сравнении с их значениями при традиционном способе переключения тиристора по управляющему электроду.

В 1982-1987 гг. в отделе силовой полупроводниковой электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе при участии автора данной работы был выполнен комплекс исследований по развитию новых принципов коммутации больших импульсных мощностей, позволивших впервые в мире резко — на порядки величины — поднять предельную импульсную мощность, коммутируемую полупроводниковыми приборами.

При выполнении предъявляемой к защите работы исследования велись по двум основным направлениям: 1) разработка и исследование новых силовых полупроводниковых приборов, реализующих принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя, — реверсивно включаемых динисторов (РВД) и реверсивно управляемого транзистора (РУТ); 2) развитие и использование новых технологических методов применительно к созданию силовых полупроводниковых приборов большой площади, а именно, разработка модифицированной технологии прямого сращивания кремния (ПСК) и ее комбинаций с традиционным диффузионным методом.

Основным материалом для изготовления приборов силовой полупроводниковой электроники является кремний, а традиционные технологии, лежащие в основе промышленного производства, - диффузия, эпитаксия, ионная имплантация. Все эти технологии, при разной степени сложности и определенной ограниченности возможностей, одинаково энергоемки, экологически небезопасны и недешевы. Разработка новых технологических методов, — экономически выгодных, экологически неопасных, способных обеспечить максимум конечного продукта при минимуме затрат энергии и сырья, - представляется весьма актуальной задачей.

Разработка нового класса мощных полупроводниковых приборов для коммутации и преобразования больших электрических мощностей и разработка новых технологических методов изготовления приборов силовой полупроводниковой электроники.

Объектом исследования служили созданные в ходе работы различные конструктивные варианты приборов, переключаемых с помощью управляющего плазменного слоя, а также композиции и приборы, полученные и изготовленные на основе развитой в работе модифицированной технологии прямого сращивания кремния и ее сочетания в едином технологическом цикле с традиционным диффузионным методом. Задачи работы.

1. Исследование возможности создания и разработка силовых полупроводниковых приборов, реализующих принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя: поиск конструкторско-технологических решений, обеспечивающих однородное и одновременное переключение плазменно-управляемых приборов по всей рабочей площади; исследование коммутационных возможностей новых приборов; разработка методики выбора оптимальных конструктивных и электрофизических параметров реверсивно-включаемых динисторов (РВД); создание и внедрение в промышленное производство различных типов РВД как для импульсной коммутации мощности, так и для работы в области высоких частот вплоть до субмегагерцового диапазона; создание плазменно управляемых приборов транзисторного типа — реверсивно-управляемых транзисторов (РУТ) и исследование их коммутационных характеристик.

2. Разработка модифицированной технологии прямого сращивания кремния (ПСК), направленной на возможность создания на ее основе силовых приборов большой площади: исследование поведения дислокаций и непрерывности границы сращивания; сравнительное исследование механических свойств композиций с гладким и рельефным интерфейсом; сравнительное исследование электрических свойств рп-структур, сформированных традиционным и модифицированным методом; исследование возможности использования новой технологии для разработки БьБЮг-З! - структур и изготовления композиций, содержащих, кроме кремния, другие полупроводниковые материалы.

3. Разработка метода создания многослойных полупроводниковых структур, сочетающего в едином технологическом цикле процессы модифицированного сращивания и формирования диффузионных слоев из источника, расположенного непосредственно на интерфейсе: исследование поведения примесей Ш и V групп на границе раздела; исследование структурного качества границы раздела; разработка модели, объясняющей улучшение непрерывности границы раздела при соединении пластин в водном растворе нитрата алюминия; создание на основе развитого метода конструктивных вариантов силовых приборов (диодов, динисторов, запираемых тиристоров) и исследование их характеристик в сравнении с характеристиками приборов, изготовленных по традиционной диффузионной технологии.

Исследована возможность создания и предложены впервые конструкторско-технологические решения новых мощных полупроводниковых 4 приборов тиристорного типа - реверсивно-включаемых динисторов (РВД), функционирующих на основе принципа коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя, создаваемого реверсивно-инжекционной накачкой.

Показано, что величина заряда, обеспечивающего при реверсивно-инжекционном управлении однородное и одновременное переключение всей рабочей площади прибора, находится в существенной зависимости от технологических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВД.

Показано, что, благодаря способности включаться однородно и одновременно, РВД обладают малыми коммутационными и однородно распределенными по площади квазистатическими потерями, что обеспечивает уникальные коммутационные характеристики этих приборов. ф

Разработана методика расчета оптимальных параметров РВД на основе пятислойной р+п'прп+-структуры. Показано, что оптимальное соотношение между напряжением переключения, временем выключения и падением напряжения во включенном состоянии в высоковольтных РВД с повышенным быстродействием может быть достигнуто как за счет создания этих приборов на основе пятислойных р+п'прп+ - структур с оптимизированными параметрами слоев, так и за счет формирования неоднородного распределения времени жизни неосновных носителей заряда в п-базе четырехслойной р+прп+-структуры путем ее протонного облучения со стороны анодного эмиттера.

Проведено экспериментальное исследование процесса коммутации тока с помощью управляющего плазменного слоя двухэлектродными полупроводниковыми структурами транзисторного типа — реверсивно-управляемыми транзисторами (РУТ). Развита качественная модель физических процессов в РУТ, определяющих его работу.

Предложена модифицированная технология прямого сращивания, принципиальной особенностью которой является изготовление регулярного рельефа мезоскопической глубины и отказ от кристаллографического соответствия при соединении пластин в пары. Новый метод открыл возможность управления поведением структурных дефектов и снижения уровня упругих напряжений на границе раздела, что способствовало улучшению её структурного и электрического качества. Проведено сравнительное исследование структурных, механических и электрических свойств композиций, сформированных традиционным и модифицированным методом. Предложен метод создания многослойных полупроводниковых структур, сочетающий в едином технологическом цикле процессы прямого сращивания и формирования диффузионных слоев из источника, расположенного непосредственно на интерфейсе. Развита модель, объясняющая увеличение площади первоначального сцепления пластин при соединении их в водном растворе нитрата алюминия.

Показано, что развитая в работе технология прямого сращивания носит универсальный характер и может быть успешно использована не только для создания приборов большой площади силовой электроники, но также для разработки 81-8102-81 - структур и изготовления композиций, содержащих кремний и другие полупроводниковые материалы.

Практическая значимость работы.

Результаты проведенных исследований положены в основу разработки целого класса силовых полупроводниковых приборов, не имеющих по совокупности своих параметров мировых аналогов и составивших новую элементную базу для построения мощных импульсных систем с уникальными характеристиками переключения.

Разработанные конструктивные варианты реверсивно-включаемых динисторов (РВД) имеют рекордные для полупроводниковых переключателей микросекундного диапазона значения коммутируемого тока и допустимой скорости его нарастания (единичный элемент площадью

20 см2 коммутировал импульсный ток амплитудой 250 кА с с11/ск до —75 кА/мкс при длительности импульса

В рамках ряда национальных и международных программ в ФТИ им. Иоффе на основе РВД, изготовленных как в лабораторных условиях, так и в условиях промышленности, были созданы мощные РВД-ключи различного назначения. Самый мощный в мире полупроводниковый переключатель был разработан во ВНИИ экспериментальной физики (Арзамас-16) и успешно испытан в Сандийской Национальной лаборатории (США): три параллельные сборки РВД коммутировали ток в 0.5 МА при длительности импульса 500 мкс.

Создание нового класса силовых полупроводниковых приборов, функционирующих на основе принципа коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя, с последующей организацией их промышленного производства является вкладом в развитие нового научно-технического направления "Гигаваттная полупроводниковая электроника," которое в настоящее время приобрело мировое признание.

Создан также новый класс реверсивно-включаемых динисторов, составивших элементную базу для построения мощных преобразователей для работы в диапазоне частот от единиц до десятков килогерц. За вклад в решение проблемы быстрой коммутации больших мощностей силовыми полупроводниковыми приборами нового типа автору в составе группы исследователей в 1987 году была присуждена Государственная премия по физике. По материалам разработки импульсных и высокочастотных РВД получено 6 авторских свидетельств, 1 патент России и 2 зарубежных патента.

Предложенный и защищенный патентами модифицированный метод прямого сращивания кремния (ПСК) открыл возможность применения малоэнергоемкой, экологически неопасной и достаточно экономичной технологии для разработки силовых приборов большой площади с качественно новыми электрическими характеристиками. Создана конструкция полупроводникового прибора с полным управлением (запираемого тиристора), отличающаяся простотой изготовления, надежностью в работе и способностью функционировать в существенно более широком диапазоне преобразуемых мощностей, чем существующие аналоги. Впервые в мировой практике изготовлены ПСК-приборы большой площади: диоды с рабочей площадью не менее 12см2 (диаметр кремниевого диска

40 мм) с характеристиками не хуже диффузионных аналогов, быстродействующие реверсивно-включаемые динисторы, способные коммутировать импульсы тока амплитудой

35 мкс) при времени выключения

По материалам разработок метода прямого сращивания и приборов на его основе получено 4 патента России.

Результаты работы были доложены на следующих национальных и международных конференциях: на Международной конференции по силовой электронике 1РЕС83 (Токио, Япония, 1983), на IV научно-технической конференции стран СЭВ по преобразовательной технике (Бухарест, Румыния, 1982), на совещании "Преобразовательная техника в энергетике-ПТЭН-84" (Ленинград 1984), на П Всесоюзной конференции "Основные направления технологии и исследования СПП" (Молодечно, 1984), на П Всесоюзном совещании "Перспективы развития технологического оборудования, новых материалов и технологических процессов для повышения эффективности производства СПП" (Белая Церковь, 1985), на П Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии для термоядерных исследований и промышленной технологии" (Свердловск, 1985), на Всесоюзном совещании "Импульсная и высокочастотная РВД-электроника" (Ленинград, 1989), на Международном симпозиуме по применению импульсной мощности ISPP'2000 (Чангвон, Корея, 2000), на VI Всероссийском симпозиуме "Электротехника 2010 год" (Москва, 2001), на 45-й международной конференции по силовым преобразователям PCIM'2002 (Нюрнберг, Германия, 2002), на Международном симпозиуме по мощным полупроводниковым приборам ISPSD'94 (Давос, Швейцария, 1994), на конференции Европейского материаловедческого общества (Страсбург, 1995), на 54-й Международной конференции по полупроводниковым приборам (Санта Барбара, США, 1996), на 3-м Европейском симпозиуме по рентгеновской топографии (Палермо, Италия, 1996), на 5-й Международной конференции по свойствам и применению диэлектрических материалов ICPADM'97 (Сеул, Южная Корея, 1997), на 3-ей Всероссийской конференции по физике полупроводников "Полупроводники 97" (Москва, 1997), на 10 Международном симпозиуме по приборам со статической индукцией SSID'97 (Сендай, Япония, 1997), на Европейской конференции по силовой электронике ЕРЕ'97 (Трондхейм, Норвегия, 1997), на 4-м Международном семинаре по силовым полупроводниковым приборам ISPS'98 (Прага, Чехия, 1998), на Европейской конференции по геттерированию, дефектам и полупроводниковым технологиям GADEST'99 (Швеция, 1999), на 4-й Всероссийской конференции по физике полупроводников "Полупроводники'99" (Новосибирск, 1999), на 2-й Всероссийской конференции по физике и технологии кремния "Кремний'2000" (Москва 2000), на 22-й Международной конференции по микроэлектронике MIEL'2000 (Ниш, Сербия, 2000), на весеннем материаловедческом симпозиуме КШЕМЕ'2000 (Южная Корея, 2000), на весеннем симпозиуме Международного материаловедческого общества MRS'2001 (Сан- Франциско, США, 2001), а также на семинарах Мюнхенского Технического университета, фирмы Siemens, Технического университета г. Мюнсгера (Германия, 1991); Army Research Lab ARL (Нью-Йорк, 1992), Sandia Ltd., Livermore Lab (США. 1992); университетов Нью-Мексико и г. Оборн (Auburn Al, США, 1993); Корейского

Электротехнологического института (г. Чангвон, Южная Корея, 1995, 1997, * 1999-2000); компании "Корейская Электроника"-КЕС (г. Тэгу, Южная Корея, 1995); Европейского Центра по использованию синхротронного излучения (Гренобль, Франция, 1997), Парижского университета (Париж, Франция, 1998), Научно-исследовательского института полупроводников КНР (пров. Хэбей, г. Шидзядзюань, Китай, 1998), Университета и научно-технологического института г. Поханг (Южная Корея, 2002), Московского Государственного университета (МГУ им. Ломоносова) и ФТИ им. Иоффе.

По материалам диссертации опубликовано 77 печатных работ, в т.ч. 6 авторских свидетельств, 5 патентов России, 1 патент Франции, 1 патент Великобритании.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 2-х частей, 8 глав, заключения, списка цитируемых работ из 213 наименований и приложения в виде 9 актов внедрения. Объем диссертации составляет 263 страницы, включая 89 рисунков и 6 таблиц.