ДИОД С НИЗКИМ ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электроники, а именно к микроэлектронному конструированию кристаллов, и может быть использована в разработке и изготовлении мощных диодов с низким падением напряжения (диодов Шоттки) для различного применения в силовой электронике.
Известен кремниевый диод Шоттки, состоящий из кремниевой сильнолегированной подложки n-типа проводимости, слаболегированного эпитаксиального слоя того же типа проводимости, что и подложка, и охранного кольца р-типа проводимости, слоя оксида кремния, барьера Шоттки на основе металлов платиновой группы в окне слоя оксида кремния, причем контакт Шоттки сформирован в пределах охранного кольца р-типа проводимости, антидиффузионного слоя на основе молибдена и слоя металлизации на основе алюминия для сварки к нему гибких выводов, отличающийся тем, что слой молибдена нанесен только в контактном окне. Патент РФ на полезную модель RU 163912, H01L 29/872, 15.03.2016. Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является относительно большой обратный ток, и как следствие невысокая надежность диода при превышении пробивного напряжения.
Это обусловлено неоптимальным распределением напряженности электрического поля по периметру контактного окна диода с низким падением напряжения при превышении пробивного напряжения, что приводит к относительно большому обратному току, и как следствие снижает надежность диода с низким падением напряжения.
Полезная модель устраняет недостаток прототипа.
Техническим результатом полезной модели является снижение обратного тока, и как следствие повышение надежности диода при превышении пробивного напряжения.
Технический результат достигается тем, что диод с низким падением напряжения содержит кремниевую сильнолегированную подложку n-типа проводимости, на лицевой стороне которой расположен слаболегированный эпитаксиальный слой n-типа проводимости; слой оксида кремния, расположенный на слаболегированном эпитаксиальном слое n-типа проводимости по периметру с стороны анода; охранное кольцо р-типа проводимости, выполненное в слаболегированном эпитаксиальном слое n-типа проводимости со стороны анода под границей контактного окна слоя оксида кремния; контакт Шоттки, сформированный в пределах охранного кольца р-типа проводимости на слаболегированном эпитаксиальном слое n-типа проводимости; слой алюминиевой металлизации анода, расположенный на контакте Шоттки,
дополнительно содержит делительное кольцо р-типа проводимости, расположенное рядом с охранным кольцом р-типа проводимости с его внешней стороны на таком расстоянии от охранного кольца р-типа проводимости, что при обратном смещении области пространственных зарядов этих колец объединяются; делительное кольцо р-типа проводимости выполнено в слаболегированном эпитаксиальном слое n-типа проводимости со стороны анода; контакт Шоттки выполнен на основе слоя молибдена; устройство также содержит многослойную металлизацию катода из последовательно нанесенных на обратную сторону кремниевой сильнолегированной подложки n-типа проводимости слоев титана, молибдена и никеля, при этом охранное кольцо р-типа проводимости, делительное кольцо р-типа проводимости, слой молибдена и слой алюминиевой металлизации анода расположены соосно и имеют форму прямоугольника с закругленными углами с радиусом кривизны не менее 190 мкм.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где:
1 - кремниевая сильнолегированная подложка n-типа проводимости;
2 - слаболегированный эпитаксиальный слой n-типа проводимости;
3 - охранное кольцо р-типа проводимости;
4 - делительное кольцо р-типа проводимости;
5 - слой оксида кремния;
6 - слой алюминиевой металлизации анода;
7 - слой молибдена;
8 - многослойная металлизация катода.
На фиг. 1 показан диод с низким падением напряжения в разрезе перпендикулярном плоскости анода.
На фиг. 2 показана обратная вольтамперная характеристика (BAX) диода с низким падением напряжения с охранным кольцом 3 р-типа проводимости в сравнении с диодом с низким падением напряжения с защитной областью, состоящей из охранного кольца 3 р-типа проводимости и делительного кольца 4 р-типа проводимости.
Устройство содержит (фиг. 1) кремниевую сильнолегированную подложку 1 n-типа проводимости, на лицевой стороне которой расположен слаболегированный эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости; слой 5 оксида кремния, расположенный на слаболегированном эпитаксиальном слое 2 n-типа проводимости по периметру со стороны анода; охранное кольцо 3 р-типа проводимости, выполненное в слаболегированном эпитаксиальном слое 2 n-типа проводимости со стороны анода под границей контактного окна слоя 5 оксида кремния; контакт Шоттки, сформированный в пределах охранного кольца 3 р-типа проводимости на слаболегированном эпитаксиальном слое 2 n-типа проводимости; слой 6 алюминиевой металлизации анода, расположенный на контакте Шоттки, дополнительно содержит делительное кольцо 4 р-типа проводимости, расположенное рядом с охранным кольцом 3 р-типа проводимости с его внешней стороны на таком расстоянии от охранного кольца 3 р-типа проводимости, что при обратном смещении области пространственных зарядов этих колец 3, 4 объединяются; делительное кольцо 4 р-типа проводимости выполнено в слаболегированном эпитаксиальном слое 2 n-типа проводимости со стороны анода; контакт Шоттки выполнен на основе слоя 7 молибдена; устройство также содержит многослойную металлизацию 8 катода из последовательно нанесенных на обратную сторону кремниевой сильнолегированной подложки 1 n-типа проводимости слоев титана, молибдена и никеля, при этом охранное кольцо 3 р-типа проводимости, делительное кольцо 4 р-типа проводимости, слой 7 молибдена и слой 6 алюминиевой металлизации анода расположены соосно и имеют форму прямоугольника с закругленными углами с радиусом кривизны не менее 190 мкм.
Эпитаксиальная структура, состоящая из кремниевой сильнолегированной подложки 1 n-типа проводимости и слаболегированного эпитаксиального слоя 2 n-типа проводимости, окисляется, и проводятся фотолитографические операции для создания охранного кольца 3 р-типа проводимости и делительного кольца 4 р-типа проводимости. Затем проводится легирование бором эпитаксиального слоя 2 n-типа проводимости методом ионной имплантации или диффузией и осуществляется разгонка примеси для образования p-n переходов. Затем в слое 5 оксида кремния вытравливается контактное окно и напыляется тонкий слой 7 молибдена. После проведения фотолитографических операций и термической обработки эпитаксиальной структуры со слоем 7 молибдена в вакууме при температуре 505±5°С образуется барьерный контакт Шоттки на основе слоя 7 молибдена. Далее проводится утонение кремниевой сильнолегированной подложки 1 n-типа проводимости методом шлифовки. Затем проводится напыление слоя 6 алюминиевой металлизации анода на эпитаксиальную структуру со стороны эпитаксиального слоя 2 n-типа проводимости, проводятся фотолитографические операции и последовательное напыление многослойной металлизации 8 катода на кремниевую сильнолегированную подложку 1 n-типа проводимости. Многослойная металлизация 8 катода состоит из слоев титана, молибдена и никеля.
Удельные сопротивления и толщины кремниевой сильнолегированной подложки 1 n-типа проводимости, слаболегированного эпитаксиального слоя 2 n-типа проводимости, охранного кольца 3 р-типа проводимости и делительного кольца 4 р-типа проводимости подбираются исходя из требуемого максимального обратного и прямого напряжений при заданных обратных и прямых токах и в общем случае на технический результат не влияют. В конкретном примере (фиг. 2) использованы следующие параметры: удельное сопротивление кремниевой сильнолегированной подложки 1 n-типа проводимости 0,003-0,005 Ом⋅см, толщина 360-400 мкм; удельное сопротивление слаболегированного эпитаксиального слоя 2 n-типа проводимости 2,2-2,7 Ом⋅см, толщина 8,7-9,2 мкм; удельное сопротивление охранного кольца 3 р-типа проводимости и делительного кольца 4 р-типа проводимости 0,005-0,012 Ом⋅см, толщина 0,7-1,5 мкм. Толщины слоя 5 оксида кремния, слоя 6 алюминиевой металлизации, слоя 7 молибдена, многослойной металлизации 8 катода являются стандартными и обеспечиваются технологическими процессами их изготовления.
Охранное кольцо 3 р-типа проводимости, делительное кольцо 4 р-типа проводимости, слой 7 молибдена и слой 6 алюминиевой металлизации анода расположены соосно и имеют форму прямоугольника с закругленными углами с радиусом кривизны не менее 190 мкм. При радиусе кривизны менее 190 мкм, вероятность лавинного пробоя в области закругления охранного кольца 3 р-типа проводимости и делительного кольца 4 р-типа проводимости возрастает, что приводит к снижению пробивного напряжения и росту обратного тока диода.
Устройство работает следующим образом.
В отличие от стандартного диода с двумя областями p и n типа, выпрямляющие свойства диода с низким напряжения обуславливаются только одним типом легирования полупроводника и выпрямляющим контактом к нему - диод Шоттки. Такой диод обладает следующими главными преимуществами: низкая величина прямого падения напряжения, более высокое быстродействие, выпрямляющие свойства сохраняются при больших частотах и плотностях электрического тока. Получение выпрямляющего контакта для определенного типа проводимости полупроводника зависит от соотношения между значениями работы выхода электронов из полупроводника и металла. Для кремния n-типа работа выхода электронов из полупроводника должна быть меньше, чем работа выхода электронов из металла.
При повышенной напряженности электрического поля в диоде с низким падением напряжения, по периметру контактного окна слоя 5 оксида кремния происходит рост обратного тока и снижение пробивного напряжения, что со временем может привести к выгоранию слоя 6 алюминиевой металлизации анода или к тепловому пробою охранного кольца 3 р-типа проводимости. Пробой происходит в цилиндрической части охранного кольца 3 р-типа проводимости, где концентрируется максимальное электрическое поле. Дополнительное делительное кольцо 4 р-типа проводимости способствует дальнейшему распределению электрического поля к периметру диода с низким падением напряжения за счет увеличения радиуса скругления линий напряженности электрического поля, тем самым увеличивая максимальное пробивное напряжение и уменьшая обратный ток диода с низким падением напряжения.
Охранное кольцо 3 р-типа проводимости и делительное кольцо 4 р-типа проводимости выполнены в слаболегированном эпитаксиальном слое 2 n-типа проводимости со стороны анода. Расстояние между охранным кольцом 3 р-типа проводимости и делительным кольцом 4 р-типа проводимости подбирается в зависимости от требуемого максимального обратного напряжения таким образом, чтобы при обратном смещении, близком к пробивному напряжению, области пространственных зарядов этих колец 3, 4 объединялись и образовывали защитную область. Если при обратном смещении, близком к пробивному напряжению, объединение областей пространственных зарядов не произойдет, то напряженность электрического поля по периметру контактного окна будет распределяться менее эффективно, что приведет к росту обратного тока диода с низким падением напряжения при превышении пробивного напряжения.
Слой 6 алюминиевой металлизации анода может выходить за пределы контакта Шоттки, это зависит от технологии изготовления.
Слой 7 молибдена создает барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов (разностью работ выхода) молибдена и кремния, так называемый контакт Шоттки.
Многослойная металлизация 8 катода из последовательно нанесенных на обратную сторону кремниевой сильнолегированной подложки 1 n-типа проводимости слоев титана, молибдена и никеля, обеспечивает пайку диода с низким падением напряжения в корпус. Толщины слоев титана, молибдена и никеля могут быть различными, это не влияет на технический результат.
На фиг. 2 приведена обратная вольтамперная характеристика диода с низким падением напряжения с охранным кольцом 3 р-типа проводимости в сравнении с диодом с низким падением напряжения с защитной областью, состоящей из охранного кольца 3 р-типа проводимости и дополнительного делительного кольца 4 р-типа проводимости. Пробивное напряжение диода с охранным кольцом 3 р-типа проводимости составляет около 90 В, а диода с защитной областью, состоящей из охранного кольца 3 р-типа проводимости и дополнительного делительного кольца 4 р-типа проводимости - около 120 В. Обратный ток, например, при обратном напряжении 90 В составляет 50 мкА у диода с охранным кольцом 3 р-типа проводимости, а у диода с защитной областью, состоящей из охранного кольца 3 р-типа проводимости и дополнительного делительного кольца 4 р-типа проводимости - 19 мкА. Приборно-технологическим моделированием и экспериментальным путем показано, что использование защитной области, состоящей из охранного кольца 3 р-типа проводимости и делительного кольца 4 р-типа проводимости, приводит к более равномерному протеканию тока по защитной области и снижению обратного тока диода с низким падением напряжения при превышении пробивного напряжения за счет того, что напряженность электрического поля по периметру контактного окна распределяется более эффективно. Поэтому предлагаемое техническое решение позволяет снизить обратный ток, и как следствие повысить надежность диода с низким падением напряжения при превышении пробивного напряжения.
Таким образом, использование дополнительного делительного кольца 4 р-типа проводимости позволяет достичь заявленного технического результата, а именно снизить обратный ток, и как следствие повысить надежность диода при превышении пробивного напряжения.