АЛМАЗНЫЙ ДИОД С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

Настоящая полезная модель относится к области электронной техники, в частности к конструкциям и технологиям изготовления полупроводниковых диодов с барьером Шоттки, и может быть использована в сильнотоковой высоковольтной и твердотельной высокочастотной электронике.
В настоящее время, несмотря на значительные успехи электроники на основе кремния или широкозонных полупроводниковых материалов (карбид кремния, нитрид алюминия), существующие диоды не в состоянии удовлетворить растущие потребности электронной техники. Синтетический алмаз по сочетанию важнейших параметров для электронных приборов является одним из самых перспективных широкозонных материалов:
7
- величина критической напряженности электрического поля для алмаза (10 В/см) превышает почти на порядок соответствующие показатели для карбида кремния, что позволяет получать более высокие блокирующие напряжения;
- большая ширина запрещенной зоны материала позволяет создавать больший по сравнению с приборами на основе карбида кремния барьер Шоттки, что в свою очередь приводит к чрезвычайно малым токам утечки в широком диапазоне рабочих температур;
- высокая теплопроводность снижает тепловое сопротивление диодной структуры и позволяет уменьшать размеры силовых приборов;
- химическая инертность и механическая твердость алмаза позволяет создавать надежные приборы для жестких условий эксплуатации;
- радиационная стойкость алмаза позволяет использовать приборы на его основе в условиях естественного космического и искусственного излучений без применения специальных защитных корпусов.
Известны способы изготовления полупроводникового диода с барьером Шоттки на основе эпитаксиальной слоистой алмазной структуры (патент США №6833027 МПК С30В 25/2, H01L 21/04, дата приоритета 2002.09.26; патент США №5352908 МПК H01L 29/872, H01L 29/16 дата приоритета 1993.11.03). При реализации подобных способов выполняют следующие операции. Подготавливают рабочую подложку р-типа проводимости из синтетического монокристалла алмаз сильно легированного бором. Далее с помощью метода химического осаждения из газовой фазы на одной из сторон алмазной подложки формируют слой (пленку) слабо легированного (или высокочистого) монокристаллического алмаза. На обратной стороне алмазной подложки формируют анод в виде омического контакта, например, с использованием подслоя из карбидообразующих переходных металлов (титан, тантал, молибден, ванадий и т.д.). На выращенной пленке слабо легированного алмаза формируют катод в виде контакта с барьером Шоттки, например, с использованием благородных металлов (золото, платина, палладий).
Данные способы позволяют получить диоды с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза с пробивными напряжениями не выше 20-50 В и величиной токов утечки более 10 мА. Кроме того, падение напряжения в открытом состоянии у подобных диодов составляет десятки вольт, что ограничивает диапазон рабочих прямых токов до десятых долей ампер.
Недостатки, связанные с низкими пробивными напряжениями и высокими обратными токами, устраняет способ изготовления диода с барьером Шоттки выбранного за прототип (патент RU 2488912 МПК H01L 21/329, дата заявки 07.06.2011). В данном способе подготовленную и отполированную подложку из синтетического монокристалла алмаза с высокой степенью легирования бором перед осаждением алмазной пленки с низкой степенью легирования бором дополнительно подвергают операции ионно-плазменного травления для удаления поверхностного слоя толщиной минимум 10 мкм. После осаждения алмазной пленки полученную эпитаксиальную слоистую алмазную структуру отжигают. При этом понижение падения напряжения диода в прямом направлении обусловлено уменьшением толщины переходной области вблизи границы подложка-пленка и удалением примесного водорода из структуры. Увеличение напряжения пробоя и уменьшение токов утечки достигают формированием защитной структуры в виде расширенного электрода специального профиля. Для этого защитный диэлектрический слой формируют из нескольких нанесенных последовательно слоев диэлектриков, отличающихся скоростью травления в процессе формирования окна с помощью литографии, что приводит к формированию расширенного электрода с углом наклона стенки электрода к плоскости алмазной пленки менее 20°.
2
Описанное техническое решение обладает существенным недостатком, который заключается в высоком значении прямого падения напряжения, составляющим не менее 8 В при прямом токе 20 А/см. Это приводит к высоким резистивным потерям энергии на диодном элементе в момент протекания прямого тока.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании алмазного диода с барьером Шоттки на основе полислойных структур из синтетического монокристалла алмаза характеризующегося пониженным не менее чем в два раза падением напряжения при протекании тока в прямом направлении.
17
-3
Данная задача решается за счет того, что алмазный диод с барьером Шоттки, содержит сильнолегированную бором монокристаллическую алмазную подложку типа р+, контактирующую со слаболегированным бором гомоэпитаксиальным монокристаллическим алмазныным слоем типа p-, защитный диэлектрический слой, расположенный на поверхности слаболегированного слоя, катод в виде электрода с металлическим контактом, формирующим барьер Шоттки, расположенный частично на поверхности слаболегированного слоя и частично на поверхности защитного диэлектрического слоя, и анод, в виде омического контакта, размещенного на сильнолегированной алмазной подложке, причем между слаболегированным монокристаллическим слоем и контактом Шоттки выполнены функциональные зоны в виде концентрических колец или протяженных полос из алмаза n-типа проводимости характеризующегося объемной концентрацией свободных носителей заряда не менее 10 см при комнатной температуре.
Функциональные зоны n-типа проводимости, образуют серии p-n переходов, чередующихся с обычным барьером вида «металл-полупроводник». При небольшом прямом напряжении p-n переходы неактивны, и прямой ток обеспечивает только контакт Шоттки. Таким образом, параметры открытого режима (включающее напряжение и время выключения) остаются сравнимыми обычным диодом с барьером Шоттки.
При этом важно обеспечить, чтобы не менее 50 процентов площади контакта Шоттки находилось на низколегированной области p-типа, т.к. в противном случае значительно уменьшится ток через интерфейс Шоттки при малых прямых напряжениях. Поэтому, функциональные зоны из монокристаллического алмаза n-типа проводимости должны быть выполнены с суммарной площадью, не превышающей 50 процентов площади контакта Шоттки.
При увеличении прямого напряжения происходит открытие p-n переходов и прямой ток значительно повышается за счет инжекции неосновных носителей заряда из алмазных зон n-типа проводимости. При приложении обратного напряжения область обеднения, расположенная под p-n переходами, расширяется так, что значительно понижает ток утечки из-за большей величины потенциального барьера, создаваемого p-n переходами.
17
-3
Это в свою очередь позволяет увеличить уровень легирования слабо легированного слоя p- и понизить последовательное сопротивление диода в открытом состоянии при сохранении тока утечки на прежнем уровне. Требование о концентрации свободных носителей не менее 10 см заряда при комнатной температуре в областях n-типа возникает из необходимости обеспечить достаточный уровень инжекции для двукратного повышения тока диода при приложении высокого прямого напряжения.
При выполнении функциональных зон в виде концентрических колец позволяет выполнить конструкцию диода таким образом, что край металлического контакта Шоттки полностью расположен на последней функциональной зоне n-типа. Это приводит к уменьшению краевого усиления электрического поля и, следовательно, позволяет дополнительно понизить ток утечки диода в закрытом состоянии.
17
-3
Выполнение функциональных зон из алмаза n-типа проводимости, характеризующиеся объемной концентрацией свободных носителей заряда не менее 10 см при комнатной температуре (в совокупности с другими признаками) позволяет достигать технического уровня поставленной задачи.
2
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в понижении не менее чем в 2 раза прямого падения напряжения на диоде при протекании прямого тока плотностью не менее 20 А/см за счет инжекции неосновных носителей заряда из функциональных зон n-типа проводимости при сохранении остальных характеристик диода на прежнем уровне.
Для пояснения сущности предлагаемого технического решения приведена фиг., на которой дана схема алмазного диода с барьером Шоттки.
17
-3
На сильнолегированной бором монокристаллической алмазной подложке 4 типа р+ размещен слаболегированный гомоэпитаксиальный монокристаллический алмазный слой 3 типа p-. На поверхности гомоэпитаксиального слоя р-3 расположена защитная структура 2 из диэлектрика. Катод 1 в виде электрода с металлическим контактом, формирующим барьер Шоттки, размещен частично на поверхности слоя p-3 и частично на поверхности защитной структуры 2. Анод 5 в виде трехслойного омического контакта (Ti/Pt/Au) размещен на сильнолегированной подложке р+4. На поверхности гомоэпитаксиального слоя р-3 под контактом Шоттки 1 выполнены функциональные зоны 6 в виде концентрических колец или протяженных полос из алмаза n-типа проводимости характеризующегося объемной концентрацией свободных носителей заряда не менее 10 см при комнатной температуре.
Устройство работает следующим образом. Расположенные под контактом Шоттки функциональные зоны n-типа проводимости, образуют серии р-n переходов, чередующихся с обычным барьером вида «металл-полупроводник». При небольшом прямом напряжении р-n переходы неактивны, и прямой ток обеспечивает только контакт Шоттки. Таким образом, параметры открытого режима (включающее напряжение и время выключения) остаются сравнимыми обычным диодом с барьером Шоттки. Однако при увеличении прямого напряжения происходит открытие p-n переходов и прямой ток значительно повышается за счет инжекции неосновных носителей заряда из алмазных зон n-типа проводимости. При приложении обратного напряжения область обеднения, расположенная под p-n переходами, расширяется так, что значительно понижает ток утечки из-за большей величины потенциального барьера, создаваемого p-n переходами. Это в свою очередь позволяет увеличить уровень легирования слабо легированного слоя р- и понизить последовательное сопротивление диода в открытом состоянии при сохранении тока утечки на прежнем уровне.
18
-3
15
-3
15
-2
В качестве варианта реализации предлагаем устройство со следующей структурой. В качестве сильнолегированной монокристаллической алмазной подложки р+ выбрана пластина размерами 4×4×0.4 мм кристаллической ориентации (001) из синтетического монокристалла алмаза типа IIb с концентрацией легирующей примеси бора 10 см. На поверхности подложки размещен гомоэпитаксиальный монокристаллический алмазный слой р- толщиной 20 мкм, полученный в установке для газофазного осаждения с использованием ВЧ плазмы. Концентрация бора в алмазном слое р- составляет 4×10 см. Между слаболегированным монокристаллическим слоем и контактом Шоттки выполнены функциональные зоны в виде протяженных полос из алмаза n-типа проводимости шириной 0.5 мкм и расстоянием между функциональными зонами 5 мкм путем имплантации ускоренных ионов фосфора с энергией 180 кэВ и дозой 2×10 см. Для восстановления радиационного повреждения кристаллической структуры функциональных алмазных зон n-типа проводимости, вызванного имплантацией, проведен высокотемпературный отжиг при температуре 1400°С в течение 1 часа. Высокотемпературный отжиг производился в вакуумной камере для исключения графитизации поверхности алмазных слоев за счет взаимодействия кислородом.
-
На всей поверхности сильнолегированной подложки р+ размещен анод в виде омического трехслойного контакта размером 4×4 мм, путем последовательного вакуумного магнетронного напыления слоя титана (30 нм, 200 Вт, 10 мин) с отжигом при 800°С в вакууме, слоя платины (50 нм, 100 Вт, 5 мин) и слоя золота (150 нм, 100 Вт, 5 мин). На поверхности слаболегированного слоя р расположена защитная структура и катод в виде металлического контакта размером 3×3 мм формирующего барьер Шоттки, полученный путем вакуумного магнетронного напыления никеля (50 нм, 150 Вт, 5 мин).
Описанная реализация алмазного диода с барьером Шоттки характеризуется прямым падением напряжения 3.9 В при протекании прямого тока 1.8 А что соответствует плотности тока 20 А/см2. Таким образом, достигнуто более чем двукратное понижение прямого падения напряжения по сравнению с алмазным диодом с барьером Шоттки выбранного в качестве прототипа.