ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ШОТТКИ-PN ДИОД НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике, в частности, к конструкции чипов высоковольтных диодов Шоттки на основе карбида кремния, и может использоваться в импульсных преобразователях электроэнергии в составе силовых высоковольтных диодно-транзисторных модулей.
В простейшем конструктивном исполнении диод Шоттки (рис. 1a) представляет собой полупроводниковый кристалл (как правило, n-типа проводимости) (1) со слаболегированным эпитаксиальным слоем (2), снабженный двумя металлическими контактами - барьерным (последний называют Шоттки-контактом (3)) и омическим (4). Проблемой в таких диодах является низкое, по сравнению с плоскостными диодами, максимальное обратное напряжение. Преждевременный пробой обычно возникает на крае металлического Шоттки-контакта, где эквипотенциальные линии электрического поля имеют сильную кривизну. Для того чтобы максимально приблизить напряжение пробоя диода Шоттки к напряжению пробоя плоскостного диода, используют различные конструктивно-технологические решения.
Известна конструкция высоковольтного диода Шоттки на основе 4H-SiC, в которой для снижения концентрации силовых линий электрического поля на поверхности эпитаксиального n-слоя вблизи края металлического Шоттки-контакта используется так называемая полевая обкладка (рис. 1b) [1]. Данная конструкция предусматривает формирование расширенного металлического Шоттки-контакта (3), выходящего на поверхность диэлектрического покрытия (5) (его называют полевым оксидом). Полевая обкладка, находящаяся под одним и тем же отрицательным потенциалом, что и Шоттки-контакт, снижает кривизну эквипотенциальных линий поля вблизи края Шоттки-контакта, повышая тем самым максимальное обратное напряжение. Принципиальным недостатком такой конструкции является то, что преждевременный пробой все же может происходить, но уже не на крае Шоттки-контакта, а на крае металлической полевой обкладки. В частности, максимальное обратное напряжение диода, описанного в работе [1], составляет 47% от теоретически достижимого.
15
-3
13
-2
13
-2
13
-2
15
-3
2
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели по совокупности признаков является конструкция высоковольтного интегрированного Шоттки-pn диода на основе 4H-SiC в которой для снижения концентрации силовых линий электрического поля на поверхности эпитаксиального n-слоя вблизи края металлического Шоттки-контакта используются планарные охранные pn-переходы (рис.1c) (принято за прототип). Охранные переходы формируют с помощью локальной ионной имплантацией акцепторов с последующим высокотемпературным термическим отжигом для восстановления кристаллической решетки и электрической активации введенной акцепторной примеси. Система "плавающих" охранных p-колец уменьшает кривизну эквипотенциальных линий поля вблизи края Шоттки-контакта и повышает тем самым напряжение пробоя. Диод, описанный в [2], содержит сильнолегированную подложку карбида кремния n-типа (1), выращенный на ней эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа толщиной 12 мкм с концентрацией примеси 2*10 см (2), слой SiO (5), основной охранный борный p-n переход шириной 50 мкм, глубиной 2 мкм (имплантированная доза 9*10 см), четыре плавающих охранных борных кольца шириной 10 мкм каждое, с интервалом 5 мкм, глубиной 2 мкм (имплантированная доза 9*10 см), борную подконтактную структуру с pn-переходами шириной по 8 мкм каждый, с интервалом 10 мкм, глубиной 2 мкм (имплантированная доза 9*10 см) (6). На обратной стороне подложки сформирован омический контакт (4). Максимальное обратное напряжение прибора составило 1800 В (72% от теоретически предельного значения для n-слоя толщиной 12 мкм, с концентрацией доноров 2*10 см). Недостатком прототипа является почти на 30% меньшее значение максимального обратного напряжения по сравнению с теоретически возможным.
Сущность заявляемого технического решения и его отличие от прототипа
2
Целью предлагаемой полезной модели является повышение максимального обратного напряжения по сравнению с прототипом. Предлагаемая полезная модель решает задачу увеличения максимального обратного напряжения диода Шоттки простым способом - добавлением поверх слоя SiO дополнительного слоя оксида алюминия со встроенным отрицательным электрическим зарядом.
2
2
3
Поставленная цель достигается в конструкции диода Шоттки, показанной на рис.2. Структура диода содержит подложку n-типа проводимости (1) с выращенным на ней эпитаксиальным n-слоем (2). На поверхности n-слоя сформирован Шоттки-контакт (3), а на тыльной стороне пластины - омический (4). Поверхность эпитаксиального слоя за пределами Шоттки-контакта пассивирована слоем термического окисла SiO (5), на который нанесен слой AlO (7) со встроенным отрицательным (по знаку) электрическим зарядом (7a). В эпитаксиальном n-слое ионной имплантацией создается основной охранный переход и плавающие охранные кольца, а под контактом Шоттки - структура pn-переходов (6).
2
3
2
3
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемую конструкцию диода добавлен дополнительный слой AlO со встроенным отрицательным (по знаку) электрическим зарядом, позволяющий получить большее максимальное обратное напряжением по сравнению с прототипом как в абсолютных величинах (2200 В против 1800 В), так и в относительных (88% от теоретического предела против 72%) в связи с уменьшением величины напряженности электрического поля в областях охранных колец при обратном смещении по сравнению с прототипом из-за влияния отрицательного заряда, расположенного в слое AlO.
2
3
2
3
11
13
-2
Авторы экспериментально установили, что при термическом отжиге слоев AlO при температурах 800-900°C, осажденных на поверхность окисленного 4H-SiC электронно-лучевым напылением в вакууме, в диэлектрике возникает встроенный отрицательный заряд, плотность которого составляет 10-10 см. Необходимая плотность встроенного заряда на единицу площади поверхности рассчитывается в каждом конкретном случае, исходя из уровня легирования и толщины эпитаксиального n-слоя, и может регулироваться как изменением плотности объемного заряда в осажденном слое AlO за счет изменения условий отжига, так и изменением его толщины.
Конкретный пример выполнения
+
+
15
-3
13
-2
11
-2
2
2
3
Согласно формуле изобретения были изготовлены диоды на основе коммерческой 4H-SiC пластины с эпитаксиальной n(подложка)-n-структурой. Удельное сопротивление n-подложки составляет ~0.02 Ом см, а ее толщина ~350 мкм. Выращенный с помощью газофазной эпитаксии n-слой имеют толщину 12 мкм и концентрацию доноров 2*10 см. В эпитаксиальном слое созданы основной охранный борный pn-переход шириной 50 мкм, четыре плавающих охранных борных кольца шириной 10 мкм каждое, с интервалом 5 мкм, борная подконтактная структура с pn-переходами шириной по 8 мкм каждый, с интервалом 10 мкм. Глубина всех pn-переходов 2 мкм, имплантированная доза - 9*10 см. На эпитаксиальном слое сформирован слой термического окисла SiO толщиной 70 нм, на котором расположен слой AlO толщиной 60 нм со встроенным отрицательным зарядом плотностью 9*10 см. Через окна в окислах нанесен Ni контакт Шоттки толщиной 100 нм. На обратной стороне подложки сформирован омический контакт.
По сравнению с прототипом предлагаемый диод показал большее максимальное обратное напряжение: 2200 В против 1800 В (88% от теоретического предела против 72%).
Список литературы
1. V. Saxena, J.N. Su, A.J. Steckl. High-Voltage Ni - and Pt-SiC Schottky Diodes Utilizing Metal Field Plate Termination, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 46, NO. 3, MARCH 1999.
2. Пат. 2390880, Российская Федерация, МПК H01L 29/872. Интегрированный Шоттки-pn диод на основе карбида кремния / Грехов И.В., Иванов П.А., Потапов А.С. и др..; заявитель и патентообладатель ООО «Мегаимпульс». - №2009120423; заявл. 25.05.09; опубл. 27.05.10