ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ШОТТКИ-pn ДИОД

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике, в частности к конструкции чипов диодов на основе карбида кремния и может использоваться в электронных схемах для защиты от перенапряжения, стабилизации напряжения источников питания, а также в качестве источников опорного напряжения.
Лавинные диоды являются разновидностью выпрямительных диодов, допускающих работу в области электрического лавинного пробоя. Эта особенность позволяет эффективно применять лавинные диоды в качестве элементов защиты цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению. Создание лавинного диода является сложной задачей, связанной с одновременным решением нескольких технических вопросов. С точки зрения физики работы прибора, необходимо добиться ситуации, когда электрическое поле в диоде при обратном смещении будет однородно, без значительной концентрации силовых линий в небольших областях объема диода. В этом случае пробой будет осуществляться по всему объему базы диода без деструктивных последствий. Для получения такого результата необходимо решить две задачи: создать эффективную охранную систему на краю анодного контакта и избежать высоких допробойных токов утечки. В настоящее время широко распространено использование лавинных диодов на основе кремния и арсенида галлия.
+
+
Известно, что допробойные токи утечки в pn-диодах, как правило, заметно меньше, чем в диодах на основе переходов металл-полупроводник. Так известен лавинно-пролетный диод со структурой n-n-p(см. патент RU 2168800, МПК H01L 29/864, опубликован 10.06.2001), содержащий первый металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый слой n+типа проводимости, активный монокристаллический кремниевый слой n типа проводимости, вырожденный монокристаллический кремниевый слой p+типа проводимости и второй многослойный металлический контакт. Первый металлический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния. На внешней поверхности первого металлического контакта выращен вырожденный монокристаллический кремниевый слой n+типа проводимости цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый слой n типа проводимости и вырожденный монокристаллический кремниевый слой p+типа проводимости, поверх которого нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока.
Недостатком известного лавинно-пролетного диода являются низкие температуры работы и невысокие напряжения пробоя из-за использования в качестве материала диода кремния - полупроводника с небольшой шириной запрещенной зоны, а так же конструктивных особенностей, связанных с применением данного диода в СВЧ-технике.
В диодах на основе широкозонных материалов использование структур pin-диодов ведет к большим энергетическим потерям при протекании тока в прямом направлении из-за большой контактной разности потенциала pn-перехода. Для уменьшения падения напряжения при протекании прямого тока в диодах на основе карбида кремния вместо структур pin-диодов создают структуры на основе контактов Шоттки. Величина барьерного потенциала контакта Шоттки заметно меньше (0.7-1.5 эВ - в зависимости от использованного метала), чем контактная разность потенциалов pn-перехода. Однако в случае контакта Шоттки максимальное электрическое поле оказывается на границе метал-полупроводник, что приводит к высоким допробойным утечкам.
Поэтому эффективным оказывается использование интегрированных Шоттки-pn переходов. Падение напряжения при протекании тока в прямом направлении в таких диодах лишь немногим больше, чем в диодах Шоттки, а поведение при обратном смещении повторяет поведение pin-диодов.
15
-3
Известен интегрированный Шоттки-pn диод (см. патент RU 2390880, МПК H01L 29/872, опубликован 27.05.2010), включающий сильнолегированную подложку из карбида кремния n-типа проводимости, эпитаксиальный слой из карбида кремния n-типа проводимости толщиной (10-13) мкм с концентрацией примеси (1-2)10 см, расположенный на ее верхней стороне, и никелевый омический контакт на обратной стороне подложки. Выполненные в эпитаксиальном слое планарные p-n-переходы с легированными бором p-областями с определенной одинаковой глубиной залегания. Часть p-n-переходов расположена под никелевым Шоттки контактом. Остальные p-n-переходы выполнены в виде покрытой слоем оксида кремния охранной структуры, состоящей из основного p-n-перехода и плавающих охранных колец. Все p-n-переходы в области металлургической границы имеют диффузионный профиль распределения примесей, а отношение глубины их залегания к толщине эпитаксиального слоя удовлетворяет определенному соотношению.
Известный интегрированный Шоттки-pn диод выдерживает обратное напряжение 1800 В, но в нем пробой происходит по краю охранной системы и носит деструктивных характер.
Известен интегрированный Шоттки-pn диод (см. патент RU 157852, МПК H01L 29/872, опубликован 20.12.2015), состоящий из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, контактного окна анода в слое диэлектрика, распределенных рядов полос локальных планарных p-n-переходов в контактном окне анода. Локальные планарные переходы выполнены в виде прямоугольников, размеры которых выбирают из определенных соотношений. Соседние ряды полос прямоугольников располагают в шахматном порядке вдоль их длинной стороны, расстояние между полосами p-n-переходов выбирают из определенного соотношения.
Недостатком известного интегрированного Шоттки-pn диода является то, что он не может работать в лавинном режиме без деструкции.
+
+
+
+
o
o
Известен дрейфовый диод с резким восстановлением (см. патент RU 172077, МПК H01L 29/861, опубликован 28.06.2017), включающий сильнолегированную подложку n-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращены слаболегированный слой n-типа проводимости, слой p-типа проводимости и сильнолегированный слой p-типа проводимости. На верхней стороне слоя p-типа проводимости и на нижней стороне подложки сформированы соответственно анодный и катодный омические контакты. В слое p-типа проводимости, в слое p-типа проводимости и в слое n-типа проводимости вне контура анодного омического контакта сформирована полуизолирующая область.
В известном дрейфовом диоде конструкция охранной системы позволила исключить краевой пробой, а pn-переход позволил добиться однородного пробоя по объему кристалла, сделав возможным работу диода в лавинном режиме. Недостатком известного дрейфового диода является использование pin структуры, следствием чего является большое падение напряжения на диоде при протекании тока в прямом направлении (а, следовательно, и большая потеря энергии).
o
o
Известен интегрированный Шоттки-pn диод (см. патент US 9865749, МПК H01L 21/28, H01L 29/06, H01L 29/868, H01L 29/872, опубликован 09.01.2018), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Шоттки-pn диод-прототип включает сильнолегированную подложку из кремния n-типа проводимости, на одной стороне которой эпитаксиально выращен слой из кремния n-типа проводимости, структура из планарных p-n-переходов в слое n-типа проводимости, интегрированных с контактом Шоттки, слой оксида кремния, которым закрыт верх эпитаксиального слоя вне p-n-переходов, и омический контакт на другой стороне подложки
Известный интегрированный Шоттки-pn диод способен работать в лавинном режиме, однако лишь на небольших электрических напряжениях - до 400 В.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка интегрированного Шоттки-pn диода, который бы работал в лавинном режиме при большей величине электрического напряжения.
o
o
o
o
Поставленная задача решается тем, что интегрированный Шоттки-pn диод содержит сильнолегированную подложку n-типа проводимости, на одной стороне которой выращены эпитаксиальный слой n-типа проводимости, структура из планарных р-n переходов в слое n-типа проводимости, интегрированных с контактом Шоттки, расположенном на слое n-типа проводимости, и омический контакт на другой стороне подложки. Диод выполнен из карбида кремния политипа 4Н, а вне контура контакта Шоттки сформирована полуизолирущая область на глубину слоя n-типа проводимости.
Настоящий интегрированный Шоттки-pn диод поясняется чертежом, на котором показана в поперечном разрезе структура интегрированного Шоттки-pn диоде.
o
0
⋅
15
-3
Диод включает сильнолегированную подложку в виде пластины 1 из 4H-SiC n-типа проводимости, на которой эпитаксиально выращен слой 2 n-типа проводимости, например, с концентрацией примеси (1-10)10 см и толщиной (10-100) мкм. В слое 2 расположена выполненная из бора структура из планарных р-n переходов 3, интегрированная с контактом 4 Шоттки. Вне контура контакта 4 Шоттки сформирована полуизолирующая область 5 на глубину слоя 2 n-типа проводимости. На другой стороне пластины 1 сформирован омический контакт 6. В настоящем п интегрированном Шоттки-pn диоде пробивные поля увеличены в несколько раз, что позволяет достичь существенно более высоких значений напряжения лавинного пробоя. При этом охранная функция полуизолирующей области 5 оказывается эффективной для того, чтобы защитить диод от краевого пробоя вплоть до образования лавины в подконтактном объеме диода.
o
o
o
⋅
15
-3
⋅
-2
2
Пример. В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен диод на основе коммерческой 4H-SiC пластины со сформированной структурой соответствующих слоев. Удельное сопротивление сильно легированной подложки n-типа проводимости составляло 0,02 Омсм, а ее толщина 350 мкм. Выращенный газофазной эпитаксией слой n-типа проводимости имел толщину 20 мкм и концентрацию доноров 510 см. В эпитаксиальном слое n-типа проводимости имплантацией бора сформирована структура из планарных p-n переходов глубиной 2 мкм, шириной 10 мкм и интервалом 5 мкм. Поверх эпитаксиального слоя n-типе проводимости сформирован контакт Шоттки из титана площадью 110 см. На другой стороне подложки был сформирован омический контакт. Вне контура контакта Шоттки была сформирована охранная полуизолирующая область. По сравнению с диодом-прототипом настоящий диод показал напряжение лавинного пробоя 1560 В, что примерно в 4 раза выше, чем у диода-прототипа.