Содержание к диссертации
Введение
ЧАСТЬ I. Принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя и приборы на его основе 22
Глава I. Мощный переключатель микросекундного диапазона — реверсивно-включаемый динистор 22
1.1. Основные физические ограничения коммутационных возможностей приборов тиристорного типа и пути их преодоления 22
1.2. Принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя 29
1.3. Выбор оптимальной конструкции реверсивно включаемого динистора (РВД) 34
1.4. Физика работы РВД как ключевого элемента схем мощных коммутаторов и коммутационные возможности импульсных РВД 45
1.5. Технология изготовления приборов, переключаемых с помощью управляющего плазменного слоя 52
Выводы к гл. 1 60
Глава 2. Высокочастотные РВД для работы в генераторном режиме 63
2.1. Характеристика потерь при коммутации мощности приборами тиристорного типа 63
2.2. Характеристики управления быстродействующих реверсивно-включаемых динисторов 65
2.3. Конструктивные особенности и выходные характеристики высокочастотных РВД 71
2.4. Коммутация импульсов с субмикросекундным фронтом 83
Выводы к гл. 2 87
Глава 3. Реверсивно-включаемые динисторы как новая элементная база мощных полупроводниковых преобразователей 89
3.1. О возможности применения РВД в технике преобразования электроэнергии 89
3.2. Конструктивные варианты РВД для применения в мощных высокочастотных преобразователях 91
3.3. Расчет оптимальных параметров конструктивного варианта РВД на основе p+n'npn+-структуры 96
3.4. Технология изготовления и результаты экспериментального исследования выходных характеристик высоковольтных РВД с повышенным быстродействием 108
Выводы к гл. 3 111
Глава 4. Мощный прибор ключевого типа — реверсивно- управляемый транзистор (РУТ) 113
4.1. Принцип действия и конструктивные особенности РУТ 113
4.2. Физические процессы при работе РУТ 115
4.3. Коммутационные возможности РУТ 118
Выводы к гл. 4 123
ЧАСТЬ II. Технология прямого сращивания как новый инструмент создания силовых приборов для коммутации и преобразования больших мощностей 124
Глава 5. Принципиальные особенности и перспективы технологии прямого сращивания 124
5.1. Общие положения. О природе связей, обеспечивающих процесс прямого сращивания 125
5.2. Модель прямого сращивания кремниевых пластин 127
5.2.1. Гидрофильные поверхности 127
5.2.2. Гидрофобные поверхности 129
5.3. Поверхностная энергия. Механическая прочность 131
5.4. Требования к качеству поверхностей 132
5.4.1. Химическая отмывка пластин 133
5.4.2. Роль морфологии поверхности 136
5.4.3. Причины появления несплошностей ("пузырей") 137
5.5. Электрические свойства границы раздела 138
5.6. Перспективы использования технологии прямого сращивания 139
Выводы к гл. 5 142
Глава 6. Прямое сращивание кремниевых пластин с регулярным мезоскопическим рельефом на интерфейсе 143
6.1. Суть метода и его отличие от традиционных технических решений 143
6.2. Исследование особенностей дефектообразования на границе раздела 147
6.3. Формирование непрерывного интерфейса 155
6.4. Структурные свойства интерфейса при использовании в процедуре сращивания вакуумного отжига 158
6.5. Снижение уровня упругих напряжений в структурах, полученных прямым
сращиванием кремния 164
6.5.1. Рентгено-дифракционное исследование 165
6.5.2. Исследование качества границы сращивания методами просвечивающей ИК-спектрометрии 168
6.5.3. Обсуждение результатов 173
6.6. Прочность интерфейса 176
6.7. Электрические свойства ПСК-структур с рельефным интерфейсом 177
Выводы к гл. 6 185
Глава 7. Прямое сращивание кремниевых пластин с одновременным формированием диффузионных слоев 187
7.1. Образцы и методы исследования 188
7.2. Исследование свойств кремниевых структур, изготовленных прямым сращиванием с одновременной диффузией примесей 189
7.2.1. Диффузия алюминия 189
7.2.2 Исследование структурного качества 191
7.2.3. Электрические свойства рп-переходов, сформированных прямым сращиванием с одновременной диффузией алюминия 197
7.3. Модель прямого сращивания кремниевых пластин с одновременной диффузией алюминия из источника на границе раздела 198
Выводы к гл. 7 201
Глава 8. Конструктивные варианты силовых приборов на основе модифицированной технологии прямого сращивания кремниевых пластин 203
8.1. СиловойПСК-диод 203
8.2. Реверсивно включаемый динистор 203
8.3. Запираемый тиристор 208
8.4. О некоторых других возможностях применения модифицированной технологии прямого сращивания 213
8.4.1. Исследование свойств Si-SiO^-Si — композиций, изготовленных на основе модифицированной технологии прямого сращивания 213
8.4.2. Формирование SiC-Si - композиций.217
Выводы к гл. 8 222
Заключение: основные результаты и выводы 223
Цитируемая литература : 240
- Физика работы РВД как ключевого элемента схем мощных коммутаторов и коммутационные возможности импульсных РВД
- Расчет оптимальных параметров конструктивного варианта РВД на основе p+n'npn+-структуры
- Исследование особенностей дефектообразования на границе раздела
- Модель прямого сращивания кремниевых пластин с одновременной диффузией алюминия из источника на границе раздела
Введение к работе
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 10 000 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-MOSFET), 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-ГСВТ) с диаметром элементарной ячейки ~ 20 мкм - силовой прибор состоит из нескольких сотен тысяч таких ячеек. Предельное напряжение современных IGBT ~ 3,5 кВ, предельный размер чипа ~ lxl 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 эмиттерными 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.
Цель работы.
Разработка нового класса мощных полупроводниковых приборов для коммутации и преобразования больших электрических мощностей и разработка новых технологических методов изготовления приборов силовой полупроводниковой электроники.
Объект исследования.
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 — реверси вно-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 Si-SiCb-Si - 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.
Научная новизна.
Исследована возможность создания и предложены впервые конструкторско-технологические решения новых мощных полупроводниковых приборов тиристорного типа - реверсивно-включаемых динисторов (РВД), функционирующих на основе принципа коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя, создаваемого реверсивно-инжекционнои 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.
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 p+n'npn+ - 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 открьш 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 Si-SiC>2-Si - 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 dl/dt до ~75 кА/мкс при длительности импульса ~ 30 мкс).
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 'Тигаваттная 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 ~ 20 кА (tH ~ 35 мкс) при времени выключения ~ 6-8 мкс.
По материалам разработок метода прямого сращивания и приборов на его основе получено 4 патента России.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены на следующих национальных и международных конференциях: на Международной конференции по силовой электронике IPEC83 (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 СІШ" (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 (Сайта 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 SSDD'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 КГЕЕМЕ'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. Мюнстера (Германия, 1991); Army Research Lab ARL (Нью-Йорк, 1992), Sandia Ltd., Livermore Lab (США. 1992); университетов Нью-Мексико и г. Оборн (Auburn А1, США, 1993); Корейского
Электротехнологического института (г. Чангвон, Южная Корея, 1995, 1997, 4 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.
Публикации.
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.
Научные положения, выносимые на защиту.
Положение 1. Конструкция двухэлектродного силового полупроводникового прибора тиристорного типа с уплотненной шунтировкой анодного эмиттера и характерным размером чередующихся транзисторных и тиристорных элементов, меньшим толщины слаболегированной n-области, является базовой для создания нового класса твердотельных переключателей, в основе действия которых лежит принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя. Благодаря способности включаться однородно и одновременно по всей площади, такие приборы - реверсивно-включаемые динисторы (РВД), - обладают малыми коммутационными и однородно распределенными по площади квазистатическими потерями, что обеспечивает их уникальные коммутационные характеристики.
Положение 2. Разработанные конструктивные варианты импульсных РВД имеют рекордные для полупроводниковых переключателей микросекундного диапазона значения коммутируемого тока и допустимой скорости его нарастания (единичный элемент площадью ~ 20 см коммутировал ток 250 кА с dl/dt до ~75 кА/мкс при длительности импульса ~ 30 мкс). Промышленное освоение комплекса конструкторских и технологических работ позволило наладить массовое производство РВД с диаметром рабочего элемента 76, 56, 40 и 25 мм, составивших новую элементную базу для построения самых мощных в мире полупроводниковых переключателей, испытанных как в России, так и за рубежом.
Положение 3. Малые коммутационные потери, однородность распределения потерь по площади и возможность получения малого времени выключения в мощных системах открывают возможность для работы РВД в области высоких частот вплоть до субмегагерцового диапазона. Разработанные конструктивные варианты тонкобазовых РВД с повышенной нагрузочной способностью представляются весьма перспективной элементной базой для высокочастотных генераторов мощных импульсов (f — 100 кГц, Рср.~ 1 Мвт).
Положение 4. Создание нового класса реверсивно-включаемых динисторов применительно к решению проблем силовой преобразовательной техники — со сниженным в 3-4 раза временем выключения, малыми потерями во включенном состоянии и высоким напряжением переключения — является возможным как за счет формирования неоднородного распределения времени жизни неосновных носителей заряда в n-базе четырехслойной р+прп+-структуры путем ее протонного облучения со стороны анодного эмиттера, так и за счет использования пятислойных p+n'npn+ -структур с оптимизированными параметрами слоев. Разработана методика расчета оптимальных параметров p+n'npn+ - структуры.
Положение 5. Экспериментально показано, что принцип коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя может быть распространен на приборы транзисторного типа. Конструктивно такой прибор - реверсивно-управляемый транзистор (РУТ) - представляет собой n+pNn+ -структуру с большой рабочей площадью без управляющего электрода со сплошным п+р - эмиттерным переходом. Процесс коммутации тока протекает до тех пор, пока есть избыточный заряд в приколлекторном плазменном резервуаре. Развита качественная модель физических процессов в РУТ, определяющих его работу. РУТ могут быть использованы для формирования мощных импульсов тока микросекундного диапазона.
Положение 6. Разработаны лабораторная и промышленная технология изготовления РВД и РУТ, базирующаяся на традиционном — диффузионном -методе. Предложена модифицированная технология прямого сращивания кремния (ПСК), принципиальными особенностями которой являются наличие регулярного рельефа мезоскопической глубины на границе сращивания и отказ от кристаллографического соответствия при соединении пластин в пары. Предложена технология, сочетающая в едином цикле процессы модифицированного сращивания и формирования диффузионных слоев из источника, расположенного непосредственно на интерфейсе.
Положение 7. Наличие регулярного рельефа при прямом сращивании открывает возможность управления поведением структурных дефектов и снижения уровня упругих напряжений на границе раздела, что способствует улучшению её структурного и электрического качества. Это подтверждается результатами сравнительного исследования структурных, механических и электрических свойств композиций, сформированных традиционным и модифицированным методом. Соединение кремниевых пластин в водном растворе нитрата алюминия А1(ЫОз)з приводит к увеличению площади их первоначального сцепления, что, согласно развитой модели, имеет место за счет встраивания А1-ОН групп между адсорбированными молекулами воды в цепочки соединения пластин друг с другом.
Положение 8. Модифицированная технология прямого сращивания кремния (ПСК), так же, как и ее сочетание с традиционным диффузионным методом, послужила основой для создания приборов силовой полупроводниковой электроники с качественно новыми, по сравнению с традиционными, электрофизическими характеристиками, а также может быть успешно использована для разработки Si-SiC>2-Si - структур и изготовления композиций, содержащих, кроме кремния, другие полупроводниковые материалы.
Физика работы РВД как ключевого элемента схем мощных коммутаторов и коммутационные возможности импульсных РВД
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 dl/dt до 75 кА/мкс при длительности импульса 30 мкс).
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 Тигаваттная 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 20 кА (tH 35 мкс) при времени выключения 6-8 мкс.
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 IPEC83 (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 СІШ" (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 (Сайта 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 SSDD 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 КГЕЕМЕ 2000 (Южная Корея, 2000), на весеннем симпозиуме Международного материаловедческого общества MRS 2001 (Сан- Франциско, США, 2001).
Расчет оптимальных параметров конструктивного варианта РВД на основе p+n'npn+-структуры
Традиционный высоковольтный тиристор, широко используемый для преобразования электрической энергии в диапазоне очень больших мощностей и низких частот, по праву считается самым мощным полупроводниковым прибором ключевого типа. Однако попытки использования этих приборов в области импульсной техники для быстрой коммутация очень больших мощностей (сотни мегаватт и выше) в микросекундном диапазоне длительностей импульсов неизбежно наталкиваются на физические ограничения фундаментального характера.
Полупроводниковая структура тиристора состоит из четырех расположенных друг над другом в одном монокристалле слоев чередующегося типа проводимости (п+рпр+-структура) [6-8]. Эти слои образуют три рп-перехода; при прямом включении два крайних перехода (эмиттеры) включены в проводящем направлении, а центральный (коллектор) блокирует приложенное к прибору напряжение. Фундаментальным ограничением величины коммутируемой тиристором мощности и скорости ее коммутации является неодномерность процесса включения при воздействии управляющего сигнала.
Переключение инициируется пропусканием импульса тока в цепи управления вдоль тонкого базового р-слоя; этот ток вызывает инжекцию из п+-эмиттера. Из-за большого сопротивления растекания р-слоя инжекция первоначально локализуется в узкой (несколько десятых долей миллиметра) области п+-эмиттера на границе с р-базой, где происходит переключение с образованием канала, заполненного электронно-дырочной плазмой (плазменного канала) [9-11]. Рассчитанная в [12] ширина области первоначального включения 200 мкм хорошо согласуется с экспериментально полученными значениями [13, 14]. Вначале регенеративного этапа анодный ток нарастает очень быстро и стремится к значению, определяемому сопротивлением внешней цепи. Лишь после окончания регенеративного этапа область включения распространяется по всей площади прибора за счет диффузионного и полевого переноса носителей из включенной области в невключенную [12,15,16,20,21,23]. Скорость распространения составляет около 50-100 мкм/мкс [17,18]; и величина ее зависит от геометрических и электрофизических параметров тиристора [19-22].
Очевидно, что медленное распространение включенного состояния имеет решающее значение для нагрузочной способности тиристора по току, в особенности для скорости нарастания тока di/dt Так как ток в течение времени распространения включенного состояния практически соответствует стационарному прямому току, протекающему через прибор, могут возникнуть сверхвысокие потери мощности, которая выделяется преимущественно в базовых слоях. Сильнее всего при этом перегружается первичный канал тока. Температура в нем при резко нарастающем токе, т.е. высоких значениях di/dt, быстро достигает значений, приводящих тиристор к разрушению [12]. Критическая температура, определенная по экспериментальным наблюдениям [10,24,25], составляет около 400С.
Для увеличения допустимой скорости нарастания тока (di/dt on и его амплитуды 1ш используют разветвление управляющего электрода [26]. При этом значение управляющего тока тиристора существенно увеличивается, а потери рабочей площади могут достигать до 50%. Кроме того, при увеличении длины границы эмиттер-база возникает опасность локализации процесса включения (из-за возможных технологических неоднородностей) даже при больших плотностях тока управления [27].
Уменьшение величины мощности, потребляемой в цепи управления, может быть достигнуто за счет регенеративного усиления тока управления в тиристорах с инжектирующим управляющим электродом [28,29] и с дополнительным "плавающим" или с дополнительным "закороченным" эмиттером [30,31]. В таких конструкциях в структуру основного тиристора встраивается дополнительный тиристор малой площади, анодный ток которого после его переключения относительно малым током управления служит током управления основного тиристора. Для уменьшения тока управления дополнительного тиристора применяют несколько ступеней регенеративного усиления [32,33], каждая из которых может усиливать ток управления практически на порядок [34]. Тиристоры такой конструкции способны коммутировать импульсы тока с амплитудой в несколько десятков килоампер со скоростью нарастания тока в несколько килоампер в микросекунду [35].
Однако, при решении многих задач импульсной коммутации больших мощностей необходимо коммутировать токи до сотен килоампер при di/dt ЮкА/мкс. Для осуществления такой коммутации необходимо одновременное и однородное по площади введение в базовые слои тиристорной структуры избыточных носителей [36], заряд которых существенно превышал бы критическую величину, необходимую для включения [37].
Исследование особенностей дефектообразования на границе раздела
Рассмотрим на качественном уровне физические процессы, протекающие в базовых слоях тиристорной структуры с асимметричной вольтамперной характеристикой при ее переключении путем кратковременного изменения полярности приложенного между анодом и катодом прямого напряжения в закрытом состоянии. Этот способ переключения был впервые предложен в [51,52].
Схематическое изображение асимметричного тиристора (AT), включающего в себя дополнительный n -слой, расположенный между анодным р+-эмиттером и n-базой, и систему цилиндрических шунтов — выходов под металлический контакт р- и п - слоев внутреннего рпп - диода представлено на рис. 1. Приложенное к тиристору напряжение обратной полярности является прямым для рпп1- диода, через который начинает протекать ток инжекции, приводящий к накоплению электронно-дырочной плазмы во внутренних слоях тиристорной структуры. Крайние низковольтные диффузионные эмиттерные п+р- и р+п - переходы вначале оказываются запертыми, затем, по мере увеличения приложенного напряжения, пробиваются, и инжекция неосновных носителей заряда в широкую п-базу осуществляется практически по всей площади тиристорной структуры с максимумом в районе шунтов. Примерное распределение плотности носителей тока показано на рис.1.
Очевидно, что соответствующим выбором амплитуды и длительности импульса тока, протекающего через асимметричный тиристор при подаче на него напряжения обратной полярности, можно обеспечить достаточно большую плотность накопленного в п-базе заряда электронно-дырочной плазмы. Поэтому, когда после прекращения протекания этого тока (тока накачки) к тиристору вновь прикладывается прямое напряжение, следует ожидать, что он включится быстро и однородно, и прямой ток окажется распределенным равномерно по всей площади прибора.
Такой принцип управления — в противовес традиционному способу включения биполярных приборов путем протекания управляющего тока в цепи эмиттер-база — был назван принципом коммутации мощности с помощью управляющего плазменного слоя.
Экспериментальная проверка возможностей описанного механизма переключения осуществлялась в схеме, представленной на рис. 2. Испытуемый асимметричный тиристор AT подключался с помощью игнитронов ИР1 и ИР2 сначала к заряженной линии ФЛ1, обеспечивающей накопление (накачку) заряда, достаточного для стабильного включения AT, а затем к силовому контуру с заряженной формирующей линией ФЛ2. Линия ФЛ1 развивала импульс тока накачки, протекающего через AT в обратном направлении, амплитудой до 1,5 кА с временем нарастания 0,5 мкс. Длительность импульса определялась задержкой включения игнитронного разрядника ИР2 относительно ИР1 и находилась в пределах 1,5-3,5 мкс. Линия ФЛ2 позволяла при напряжении 2 кВ сформировать импульс тока длительностью 50 мкс с амплитудой 50 кА и передним фронтом около 7 мкс. Таким образом, в схеме оказывалось возможным производить коммутацию тока с di/dt 7кА/мкс.
Соотношение сопротивлений нагрузок для линий выбрано таким, что R«i»R „2, поэтому доля разрядного тока от силовой линии, поступающего на перезаряд ФЛ1, пренебрежимо мала. Диод Д блокировал обратное напряжение, которое возникало в случае рассогласования ФЛ2 с нагрузкой R кг; Rm - сопротивление коаксиального измерительного шунта.
Осциллограммы переходных процессов накачки (накопления включающего заряда) и последующего включения AT приведены на рис. 3. Рис.За показывает изменение тока в интервале накачки At и в процессе разряда силовой линии ФЛ2, а рис.Зб - изменение напряжения на тиристоре. В процессе включения AT возникает скачок напряжения Um, который за время tyer спадает до величины Uo, соответствующей остаточному падению напряжения при полностью включенной структуре тиристора. Полученную форму кривых можно объяснить следующим образом. В момент перемены полярности анодного напряжения с обратной на прямую в р-базе п+рпп р+- структуры (время пролета электронов через р-базу) не поставляет электроны в п-область. Поэтому коллекторный переход начинает восстанавливаться, и в прилегающей к нему окрестности п-базы возникает обедненный слой с повышенным сопротивлением. В условиях нарастания анодного тока это приводит к быстрому росту напряжения на тиристоре до величины Um. Подъем прямого напряжения происходит в течение времени Ц 0,4 мкс, что хорошо совпадает с расчетным значением Tq . Затем, при t Ц, начинается процесс регенеративного накопления заряда, и структура переходит в режим стабильного включения.
Модель прямого сращивания кремниевых пластин с одновременной диффузией алюминия из источника на границе раздела
Источником инжекции при ее запуске являются внутренние п- и р- слои. Контур включающего тока замыкается, благодаря пробою низковольтных эмиттеров (внешние р+п - и п+р-переходы). Запуск этой структуры весьма эффективен, поскольку отсутствие шунтов позволяет свести к минимуму убывание накопленного заряда при возвращении напряжения на приборе к исходной полярности после окончания импульса тока накачки. Таким образом, основная часть накапливаемого во внутреннем диоде заряда, составляющая как минимум 60-70% от интеграла тока накачки lHdt, участвует затем в регенерации плазмы при включении. Однако, возможная неоднородность пробоя внешних р+п - и п+р- переходов приводит, соответственно, к неоднородности распределения включающего заряда (заряда накачки). Кроме того, вследствие отсутствия выходов р-базового слоя под металлический контакт, такая конструкция отличается плохой температурной стабильностью напряжения переключения и малой стойкостью к эффекту dU/dt.
Более удачная модификация структуры РВД, в которой с целью устранения указанного выше недостатка введена плотная периодическая (с интервалом 200 мкм) шунтировка катодного п+р-эмиттера, показана на рис.5а. Физическими источником дырок при запуске этого варианта являются элементы шунтировки катода, а электронов - пробой р+п -эмиттера, поставляющий в диод электроны. Поскольку протяженность катодных участков между полосами шунтов под металлическим контактом весьма мала (200мкм), поперечное падение напряжения в р-базе на них не может быть велико, и пробой прилегающих к шунту окрестностей катодного эмиттера при протекании тока накачки может не происходить. Это вносит определенную неоднородность в процесс накопления включающего заряда, который локализуется непосредственно под омическими контактами шунтов. Эффективность такого включающего заряда мала [54], поскольку большая часть его дырочной компоненты затем экстрагируется и рекомбинирует на контакте с металлом, а электронная его часть перетекает в прианодную, тоже весьма неэффективную область. Этим же недостатком должен обладать и конструктивный вариант РВД с плотной двусторонней шунтировкой, описанный нами выше. Тем не менее, эксперименты показали, что подобные конструкции обеспечивают рекордные значения амплитуд и скоростей нарастания анодного тока, если амплитуды тока накачки заведомо велики (до 1-2 кА).
В варианте 2 шунтировка катода выполняет две функции: обеспечивает требуемую утечку при блокировке и, в то же время, является источником дырок в период накачки. С целью увеличения эффективности запуска нам представляется возможным разделить эти функции. Для этого необходимо перенести шунтировку в анодный эмиттер, а роль поставщика дырок оставить исключительно за лавинным пробоем низковольтного катодного п+р-перехода, как это показано на рис. 56. Поскольку локальные закоротки анода как шунты сравнительно малоэффективны [37], «планарный» рисунок шунтировки должен быть надлежащим образом уплотнен. Структура прибора не содержит п -слоя вблизи анода и не имеет выходов р-базы под металлический контакт в катоде. Система анодных шунтов образована тонкими (15-50 мкм) перекрещивающимися взаимно перпендикулярными полосами с расстоянием между ними 50-200 мкм. С целью усиления эффективности инжекции электронов при реверсивном запуске каналы анодных шунтов содержат локальные инжектирующие п+-участки.
Из приведенных качественных аргументов следует, что как структура с прианодным n -слоем и утечкой в катоде (рис. 5а), так и структура с уплотненной шунтировкой анода (рис. 56) могут быть основой для создания РВД. С целью проверки возможностей этих структур были изготовлены две серии образцов указанных типов на основе кремния с исходным удельным объемным сопротивлением р = 100 Ом-см, рассчитанные на напряжение 2,5 3,0 кВ. Они были также одинаковы по рабочей площади (4 см2), толщине n-базы (wn=420 мкм) и времени жизни дырок в слаболегированной ее части (тр = 20 мкс).
На рис.6а,б приведены осциллограммы тока и напряжения при коммутации больших токов (до 20 кА) реверсивно-включаемыми динисторами типа а (рис.5а) и б (рис.5б) соответственно. Параметры импульса тока накачки в обоих случаях были одинаковы (амплитуда 700 А, длительность - 1 мкс).
Из осциллограмм напряжения видно, что время установления стационарного состояния для обоих типов структур практически одинаково и достаточно мало ( 6 мкс), что косвенно свидетельствует об одномерном характере процесса включения. Однако, у прибора б величина остаточного напряжения (12 В) меньше, чем у прибора а (16 В); значительно меньше у него и амплитуды всплесков напряжения как в период накачки, так и при нарастании анодного тока. Суммарные потери энергии при включении (коммутационные) и во время протекания прямого тока (статические), как показало графическое интегрирование, у прибора б оказались также меньше примерно на 35%. На рис. 7 а,б приведены осциллограммы процесса переключения приборов "а" и "б" в диапазоне малых значений амплитуды импульса тока накачки при постоянной длительности этого импульса. Хорошо видно, что существует некоторое оптимальное значение амплитуды тока накачки 1нопг. При Ін ІнОІГГ (кривые 1) включение прибора происходит сразу же после смещения структуры в прямом направлении. Скорость нарастания тока через прибор в этом случае ограничивается наружными индуктивными элементами цепи, а стационарное состояние, как следует из динамики напряжения, устанавливается за время, свойственное одномерному процессу включения. Если 1н 1нопт (кривые 2), возникает промежуточный этап: после короткого всплеска анодный ток резко падает по амплитуде, а последующее его нарастание развивается медленно с постоянной времени, типичной для обычных способов включения [37,12]. Одновременно с появлением задержки возрастает амплитуда прямого смещения и длительность установления стационарного состояния. Кратковременный выброс тока имеет, очевидно, ту же природу, что и в диодах с накоплением заряда при их переключении с прямого смещения на обратное: В области малых токов, когда регенерация в тиристорных секциях сильно ослаблена, этот выброс соответствует диффузионной экстракции накопленного приколлекторного заряда. В течение этапа задержки анодный ток ограничивается прибором. Поскольку такое включение, как правило, сопровождается локализацией токопрохождения, режим с Ін Ін01" следует считать нежелательным. Величина IHOIIT составила 100-200 А для прибора "а" и 5-10 А для прибора "б". Это указывает на более высокую эффективность механизма запуска РВД во втором случае и согласуется с проведенным выше качественным анализом.
