RU157852U1 - Силовой диод шоттки на карбиде кремния - Google Patents

Abstract

Силовой диод Шоттки на карбиде кремния, 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, отличающийся тем, что локальные планарные переходы выполнены в виде прямоугольников, размеры которых выбирают из соотношений:с=2·а+b, гдеа - ширина полосок p-n-переходов;b - расстояние между полосками p-n-переходов в рядах;с - длина полосок p-n-переходов,и располагают соседние ряды полос прямоугольников в шахматном порядке вдоль их длинной стороны, при чем расстояние между полосами p-n-переходов b выбирают из соотношения:гдеW - ширина обедненной области при рабочем напряжении;xj - глубина р-n-перехода;К - коэффициент разбегания p-n-перехода при диффузии, К≈0,1-0,8

Description

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции создания высоковольтных полупроводниковых диодов, и может быть использована для создания интегрированных Шоттки - pn диодов на основе карбида кремния. Диоды уже находят широкое применение в IGBT модулях в качестве антипараллельных диодов, в корректорах коэффициента мощности и постепенно вытесняют высоковольтные быстро восстанавливающиеся диоды (БВД) на основе кремния.

Диоды с барьером Шоттки на основе карбида кремния имеют то преимущество, что способны блокировать большое обратное напряжения при относительно высоком уровне легирования базы, а высокий уровень легирования, в свою очередь, обеспечивает небольшое сопротивление в прямом направлении. Технические решения при изготовлении карбидокремниевых диодов Шоттки различными фирмами-производителями во многом сходны. В рабочей области ДШ могут применяться интегрированные системы типа JBS (Junction Barrier Schottky diode, JBS-диод), в которых локальные p-n-переходы перемежаются с контактами Шоттки (см., например, статью S.J. Kim, S. Kim, S.С. Kim, I.H. Kang, K.H. Leeand, Т. Matsuoka // MaterialsScienseForum. Vol. 556-557, 2007, p. 869 и патент США WO 2006122252 H01L 29/872, опубл. 16.11.06 г.).

При включении диода в прямом смещении через него протекает ток большой плотности. При приложении обратного напряжения носители заряда, которые находятся в базе диода, могут стягиваться в шнуры. Плотность тока в шнурах может значительно превышать рабочую плотность, что приводит к локальному повышению температуры и выгоранию областей диода. Для предотвращения теплового разрушения внедряют по всей площади диода Шоттки полосы p+ областей. Эти области выполняют в виде сплошных концентрических или линейных полос, чередующихся с полосами контакта Шоттки. При повышении температуры сопротивление легированных полупроводников между p+ областями растет до температуры вырождения. Так как сопротивление участка, где проходит шнур тока, повышается, то величина тока в шнуре уменьшается. То есть происходит отрицательная обратная связь между локальным шнурованием тока и сопротивлением участка шнурования. И, таким образом, значительно повышается устойчивость диода к высоким плотностям тока и высоким скоростям переключения. Чтобы увеличить предельную энергию лавинного пробоя вводят несколько сотен p+ полос. p+ полосы делят шнур обратного тока на множество мелких. Это снижает мгновенную температуру полупроводника и увеличивает устойчивость ко вторичному пробою.

Расстояния между pn-переходами выбирают исходя из глубины залегания pn-перехода. Например, при глубине pn-перехода 5 мкм расстояние между полосами pn-переходами может быть от 8 мкм до 19 мкм, так что бы обеспечивалась необходимая устойчивость к воздействию энергии лавинного пробоя при обратном смещении (см. патент США 7071525 B2 U.S. C.L. 257/471 от 4.07.06 г.).

Недостатком данных устройств является повышенное падение напряжения при работе диодов в прямом направлении из-за уменьшения эффективной площади контакта Шоттки и повреждение контакта Шоттки при проведении сварки гибких выводов к его металлизации.

Указанный недостаток частично решен в устройстве по патенту США 6861723 B2 U.S. C.L. 257/471 от 1.03.05 г, в котором описан силовой диод Шоттки, с интегрированным p-n-переходом, причем для снижения токов утечки в местах присоединения выводов ширину p-n-перехода от цента к краю выбирают больше в несколько раз, чем ширина p-n-перехода от центра к краю рабочих участках диода. Для снижения влияния p-n-переходов полосы режут на прямоугольные участки в виде квадратов, центры которых расположены в узлах квадратной сетки кристалла. Эффективная площадь контакта Шоттки увеличивается и прямое падение напряжения на диоде Шоттки уменьшается.

Недостатком устройства являются то, что эффективность работы pn-переходов в виде квадратов в узлах квадратной сетки для повышения устойчивости к лавинному пробою является слабой из-за того, что квадраты не останавливают область разогрева, и область разогрева мало отличается от области разогрева диода Шоттки без p-n-перехода.

Целью полезной модели является увеличение эффективной площади контакта Шоттки для снижения прямого падения напряжения при сохранении устойчивости к лавинному пробою.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от известного устройства, в предлагаемой полезной модели силового диода Шоттки на карбиде кремния, состоящего из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, контактного окна анода в слое диэлектрика и распределенных рядов полос локальных планарных p-n-переходов в контактном окне анода, отличающийся тем, что локальные планарные p-n-переходы выполнены в виде прямоугольников, размеры которых выбирают из соотношений:

c=2·a+b, где

a - ширина полосок p-n-переходов;

b - расстояние между полосами p-n-переходов;

с - длина полосок p-n-переходов. и располагают соседние ряды полос прямоугольников в шахматном порядке вдоль их длинной стороны, при чем расстояние между полосами p-n-переходов b выбирают из соотношения:

, где

W - ширина обедненной области при рабочем напряжении;

xj - глубина pn-перехода;

K - коэффициент разбегания локального планарного p-n-перехода при термообработке, K≈0.1-0.8

Существенным отличием предлагаемой полезной модели является выбор размеров локальных планарных p-n-переходов в контактном окне анода и взаимное их расположение между собой. Размер ширины полос «а» p-n-переходов определяется глубиной диффузии и разрешающей способностью фотолитографии и для силовых диодов Шоттки он лежит в интервале 1-5 мкм.

Ширина полос порядка 1 мкм выбирается при использовании алюминия для формирования локальных p+-областей и фотолитографии с i-линией излучения ртути и пошагового экспонирования, а для полос шириной 3-5 мкм используют бор для формирования локальных p+-областей, контактную фотолитографию с излучением g-линии ртути.

При увеличение расстояния между полосами p-n-переходов «b» больше верхнего предела ширина обедненного слоя напротив середины контакта Шоттки от p+-областей может стать меньше 0,7 ширины обедненной области от контакта Шоттки без p+-областей, что повышает токи через силовой диод при обратном смещении.

Наименьшая величина «b» обусловлена тем, что ширина обедненного слоя от p+-областей напротив в этом случае становится равной ширине обедненной области от чистого контакта Шоттки и дальнейшее уменьшение расстояния не целесообразно, так как уменьшается эффективное сечение контакта Шоттки, это приводит к увеличению прямого падения напряжения при прямом смещение силового диода Шоттки.

Выбор длины полос р-п-переходов c=2·a+b и расположение соседних рядов полос в шахматном порядке позволяет останавливать рост площади разогрева подобно тому, как это делают сплошные p+-полосы, однако эффективная площадь контакта Шоттки увеличивается за счет участков контакта Шоттки, прилегающих к сторонам «а» полос. Падение напряжения на диоде при прямом смещение уменьшается.

Следует отметить, что данную полезную модель можно применять и при концентрической конструкции p-n-переходов в окне контакта Шоттки. Тогда по формуле в качестве длины полосы «с» - будет длинна середины кругового сектора, причем круговые сектора соседних круговых полос необходимо располагать так, что бы они перекрывали зазоры суммарной ширины «b» между секторами. Ширину «а» и зазоры между ними «b» каждого кругового сектора p-n-переходов выбирают такими, что бы сектора pn-переходов всегда перекрывали промежутки в соседних полосах, то есть в центре контакта Шоттки необходимо взять «а» несколько больше и изменять его по удалению от центра, что бы соблюдалось условие перекрытия.

На фигуре 1 приведен вид сверху части предполагаемого силового диода Шоттки. На фигуре 2 приведен его разрез.

Предлагаемый диод Шоттки на карбиде кремния политипа 4Н формируют на кремниевой стороне в эпитаксиальном слое п-типа проводимости толщиной 14 мкм и концентрацией примеси 8·10¹⁵ см^-3 на подложке n-типа из карбида кремния [2] удельным сопротивлением 0,02 Ом·см. Для повышения напряжения пробоя по периферии контакта Шоттки [5] формируют делительные кольца [3], а в самом контакте Шоттки p-n-переходы (JBS-структуры, a=4 мкм, b=13 мкм, c=21 мкм.) [4], имплантацией бора дозой 3·10⁴ атом/см² и диффузией при температуре 1650°C на глубину x_j (для бора глубина x_j≈2 мкм), затем всю эпитаксиальную структуру окисляют до толщины окисла 0,1 мкм [6] при температуре 1150°C. Далее на обратной стороне пластины формируют омический контакт [9], напыляя слой никеля толщиной 0,2 мкм и вжигая при температуре 950°C в течение 3 минут. Затем напыляем титан [7] толщиной 0,1 мкм и алюминий [8] толщиной 3 мкм. При размере кристалла 1,2×1,2 диод Шоттки имеет пробивное напряжения 1400 В и рассчитан на токи до 2 А.

Ниже приведены результаты измерений диодов Шоттки изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах. В образце 1 JBS - структура выполнена в виде сплошных полос локальных планарных p-n-переходов. В образцах 2, 3 и 4 локальные планарные p-n-переходы выполнены в виде прямоугольников. В образце 2 размеры прямоугольников выбраны из соотношений, описанных в полезной модели. В образце 3 значение b больше расчетного, а в образце 4 меньше расчетного.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что конструкция p-n-переходов в виде прямоугольников с рассчитанными размерами, снижает прямое падение напряжения на 10%.

Увеличение расстояния «b» между полосами p-n-переходов повышает токи через силовой диод при обратном смещении, а уменьшение расстояния не целесообразно, т.к это не улучшает электрические параметры диода.

Claims (1)

1. Силовой диод Шоттки на карбиде кремния, 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, отличающийся тем, что локальные планарные переходы выполнены в виде прямоугольников, размеры которых выбирают из соотношений:

   с=2·а+b, где

   а - ширина полосок p-n-переходов;

   b - расстояние между полосками p-n-переходов в рядах;

   с - длина полосок p-n-переходов,

   и располагают соседние ряды полос прямоугольников в шахматном порядке вдоль их длинной стороны, при чем расстояние между полосами p-n-переходов b выбирают из соотношения:

   

   где

   W - ширина обедненной области при рабочем напряжении;

   xj - глубина р-n-перехода;

   К - коэффициент разбегания p-n-перехода при диффузии, К≈0,1-0,8

   

Images