1 Аналитический обзор литературы
1.1 Требования к карбиду кремния для производства интегрированного Шоттки-pn диода
В данном курсовом проекте будет исследован материал – карбид кремния.
Чистый карбид кремния стехиометрического состава — бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 2000оС — в кубической типа сфалерита (β−SiC) и при более высоких температурах — в гексагональной (α−SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций α−SiC.
Монокристаллический SiC используют для изготовления радиационностойких светодиодов, обладающих очень высокой надежностью и стабильностью работы. Его можно использовать для изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов.
Из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки. Поликристаллический SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисторов). Для этих целей изготавливают многофазовые материалы на основе порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высокотемпературные нагреватели, ингитронные поджигатели и волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC — светодиоды и солнечные элементы. SiC является перспективным полупроводниковым материалом для высокотемпературной и высокочастотной электроники [10].
Благодаря высокой химической стабильности, огнеупорности и износостойкости карбид кремния находит широкое применение в качестве огнеупора в металлургической промышленности. Применяется в машиностроении для футеровки термических печей; в химическом аппаратостроении, где он подвержен абразивному воздействию твердых пылевидных продуктов в газовых потоках. Карборунд используется для изготовления коррозионно- и эрозионностойких сопельных вставок, насадок и распылителей; для изготовления деталей теплообменной аппаратуры и деталей насосов для перекачки кислых растворов и других коррозионноактивных жидкостей. Огнеупорные
изделия, а также изделия конструкционного назначения на основе карбида кремния изготовляются с использованием различного вида связок — керамических, кремния, нитрида кремния. Интересно использование карбида кремния в электротехнике - для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.
Благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал (при шлифовании), для резания твердых материалов, точки инструментов [2].
В настоящее время на рынке полупроводниковых приборов появились диоды на основе карбида кремния. Карбид кремния является полупроводником с непрямой зонной структурой (т. е. вероятность излучательной рекомбинации в нем небольшая), с шириной запрещенной зоны от 2,39 до 3,3 эВ, которая у него больше по сравнению с Si и GaAs, что означает больший диапазон рабочих температур (теоретически до ~1000°С, практически до 600°С) и малый ток утечки (менее 70 мкА при 200°С). Кроме того SiС диоды имеют высокую радиационную стойкость. Карбид кремния имеет высокую теплопроводность (на уровне меди), что упрощает проблему теплоотвода, снижает тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si в два раза, что обусловливает их перспективное использование в силовой электронике и является более перспективным материалом по сравнению с GaN для создания мощных приборов [1].
Силовые приборы на основе SiC применяются в устройствах средней (1…10 кВт) и большой мощности (10 Вт…1 МВт), а также в устройствах, работающих при высоких значениях температуры и радиации: для скважинных устройств, для автомобилестроения, турбин, для атомных и космических систем. У силового выпрямительного диода на основе SiC практически отсутствуют обратные токи при комнатной температуре благодаря большой ширине запрещенной зоны. Он имеет большое быстродействие и высокие рабочие температуры, но на протяжении срока службы эти характеристики ухудшаются: увеличиваются токи утечки, снижается пробивное напряжение при обратном включении и увеличивается сопротивление диода в прямом направлении. От этих недостатков свободен SiC-диод Шоттки. Промышленный выпуск мощных SiC-приборов стал возможным при наличии высококачественных подложек. В связи с тем что у диодов на основе SiC полностью отсутствует эффект накопления заряда в n-области, потери (например, в источниках питания) можно снизить до 30…40%, а в корректорах мощности — до 60%. Благодаря положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения (в отличие от кремниевых диодов) диоды можно включать параллельно без дополнительных выравнивающих цепей [8].
Диод Шоттки – это полупроводниковый прибор, основанный на контакте Шоттки (металл/полупроводник), работающий на вентильном эффекте и предназначенный для выпрямления электрического сигнала.
Диод Шоттки по сути является «идеальным диодом», так как имеет низкое прямое падение напряжения и незначительные потери при переключении. К сожалению, такой диод не способен работать с напряжениями более 200 В. Однако, используя карбид-кремниевые подложки (SiliconCarbide - SiC) в качестве основы, можно повысить рабочее напряжение до 1200 В.
Первым индустриальным применением карбида кремния стали в 2001 году SiC-диоды Шоттки. В данный момент компания STMicroelectronics производит карбид-кремниевые диоды на четырехдюймовых пластинах, используя новейшие технологии изготовления подложек.
Высокая плотность мощности - второе преимущество SiC-диодов над обычными кремниевыми диодами. Это дает возможность удвоения частоты преобразования без ухудшения характеристик переключения, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты индуктивных компонентов схемы. Более того, сокращаются помехи, создаваемые работой преобразователя на основе SiC-диодов, что опять-таки позволяет упростить фильтры по питанию и сократить их размеры [11].
В данной работе будет исследоваться прибор микроэлектроники - интегрированный Шоттки-рn диод на основе карбида кремния.
Интегрированный Шоттки-рn диод на основе карбида кремния включает сильнолегированную подложку из карбида кремния n-типа и эпитаксиальный слой из карбида кремния n-типа толщиной (10-13) мкм с концентрацией примеси (1-2)1015 см‐3, расположенный на ее верхней стороне. В эпитаксиальном слое создаются планарные р-n переходы с легированными бором р-областями с одинаковой глубиной залегания, часть которых расположена под никелевым Шоттки контактом, а остальные выполняются в виде покрытой слоем оксида кремния охранной структуры. Охранная структура состоит из основного р-n перехода и плавающих охранных колец. На обратной стороне подложки расположен никелевый омический контакт, а все упомянутые р-n переходы в области металлургической границы имеют диффузионный профиль распределения примесей, а отношение глубины их залегания к толщине эпитаксиального слоя удовлетворяет соотношению:
0,08≤h/d≤0,20 (1.1)
гдеh – глубина залегания р-n переходов;
d – толщина эпитаксиального слоя.
Прибор обеспечивает увеличение напряжения пробоя интегрированного карбидкремниевого Шоттки-рn диода при удешевлении прибора. Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно - к конструкции высоковольтных выпрямительных диодов типа диодов Шоттки на основе карбида кремния, и может быть использовано в широкой гамме электронных устройств, например в качестве быстродействующих выпрямителей в схемах коммутации, плотности мощности и повышения КПД.
Особенностью работы карбидкремниевых диодов Шоттки (ДШ) импульсного преобразования напряжения для увеличения частоты помимо большого напряжения лавинного пробоя является отсутствие токов обратного восстановления при переключении ДШ из проводящего направления в запорное, что обеспечивает чистые формы сигнала и уменьшает энергетические потери во время переходных процессов, причем практически независимо от температуры окружающей среды, величины прямого тока в открытом состоянии и скорости переключения тока.
При конструировании высоковольтных 4H-SiC ДШ необходимо предпринимать специальные меры для устранения преждевременного краевого пробоя и для подавления объемных токов утечки, возникающих при больших величинах электрического поля на границе раздела металл-полупроводник.
Для того чтобы максимально приблизить напряжение пробоя ДШ к напряжению пробоя плоскостного перехода, используют различные методы, среди которых довольно популярным является формирование системы плавающих охранных p-n переходов, как правило, с помощью ионной имплантации акцепторных примесей.
В последнее время для подавления объемных токов утечки альтернативой диодам Шоттки стали рассматриваться интегрированные Шоттки-pn диоды. Такие интегрированные Шоттки-pn диоды получили название JBS (Junction Barrier Schottky) diode или MPS (Merged PiN Schottky) diode (в отечественных статьях - JBS-диоды). В активной области диода под Шоттки контактом формируют локальные p-n переходы (как правило, с помощью ионной имплантации акцепторных примесей), которые перемежаются с Шоттки областями. При работе JBS-диода в прямом направлении ток протекает через Шоттки области, так что падение напряжения на JBS-диоде в прямом направлении оказывается сравнимым с падением напряжения на ДШ. Расстояние между p-областями подбирается таким образом, чтобы при обратном напряжении области пространственного заряда (ОПЗ) соседних p-n переходов, расширяющиеся вглубь n-области, смыкались. В этом случае электрическое поле в плоскости Шоттки контакта оказывается меньшим по величине по сравнению с ДШ, и, как следствие, токи утечки из металла в полупроводник также оказываются меньшими по величине.
Для изготовления JBS-диодов с заданными электрическими характеристиками (сопротивление в прямом направлении, напряжение пробоя, допробойные токи утечки) необходимо правильно подобрать толщину и уровень легирования эпитаксиального n-слоя, спроектировать геометрию структуры (выбрать число плавающих охранных p-колец, их ширину и зазор между ними, ширину локальных p-областей под Шоттки контактом и расстояние между ними, определить глубину залегания p-n переходов и т.д.), отработать методы формирования омических контактов, методы формирования локальных p-n переходов и Шоттки контактов и др.
Данный диод обладает существенно большим напряжением пробоя по сравнению с прототипом, как в абсолютных величинах (1800 В против 1200 В), так и в относительных (72% от теоретического предела против 43%) в связи с существенно более глубоким залеганием p-n переходов и с их геометрией, а именно - с нерезкой границей, т.е. с расширенной зоной перекомпенсации в области металлургической границы p-n перехода, при этом уменьшается также стоимость прибора за счет отсутствия необходимости использования сложных устройств и приемов при его изготовлении.
Экспериментально было определено, что зависимость напряжения пробоя интегрированного Шоттки-pn диода с борными охранными p-n переходами от глубины залегания этих p-n переходов имеет максимум. Положение этого максимума зависит от концентрации примеси в эпитаксиальном слое и его толщины. Выяснено, что напряжение пробоя большее, чем в прототипе, достигается при глубине залегания p-n перехода, составляющей от 0.08 до 0.20 от толщины эпитаксиального слоя. Кроме того, все p-n переходы в предлагаемом приборе, в отличие от p-n переходов с резкой границей в прототипе, выполнены с нерезкой границей, т.е. концентрация акцепторных примесей (бора) в переходе плавно уменьшается вглубь эпитаксиального слоя, образуя протяженную область перекомпенсации, что также, как показывают эксперименты, приводит к увеличению напряжения пробоя.
Таким образом, в предлагаемом диапазоне зависимости глубины залегания p-n переходов от толщины эпитаксиального слоя и при нерезкой границе p-n переходов (при соразмерных с прототипом других параметрах прибора) напряжение пробоя заявляемого устройства будет выше, чем у прототипа. При этом предлагаемое устройство является более простым и дешевым, т.к. технология его создания не требует формирования дополнительных p-структур над p+-областями, а также использования для ионной имплантации очень точной и дорогой субмикронной фотолитографии (с точностью до десятых долей мкм).
Структура интегрированного Шоттки-рn диода на основе карбида кремния показана на рисунке 1.1.
1 - подложка; 2- эпитаксиальный слой; 3 - плавающие охранные кольца; 4 - подконтактная p-n структура (JBS-структура); 5 - слой SiO2; 6 - контакт Шоттки; 7 - основной охранный переход; 8 - омический контакт.
Рисунок 1.1 – Структура интегрированного Шоттки-рn диода на основе карбида кремния.
Высоколегированная подложка 1 выполнена из карбида кремния n-типа, на ее верхней стороне расположен эпитаксиальный слой 2 из карбида кремния n-типа. В этом слое расположены выполненные из бора с определенной глубиной залегания, подконтактная p-n структура 4 (состоящая из нескольких p-n переходов), интегрированная с никелевым контактом Шоттки 6, и охранная структура, состоящая из основного охранного p-n перехода 7 и плавающих охранных колец 3 ввидеp-n переходов, слой 5 оксида кремния расположен над охранной структурой, а никелевый омический контакт 8 - на обратной стороне подложки 1 [5].
Устройство работает следующим образом. При приложении прямого напряжения электроны из контакта Шоттки 6 через зазоры между подконтактной структурой 4, преодолевая потенциальный барьер между металлом Шоттки контакта и карбидом кремния, перемещаются через эпитаксиальный слой 2 и подложку1 к омическому контакту 8. При приложении обратного напряжения происходит быстрое смыкание ОПЗ между элементами структуры 4, что препятствует протеканию тока утечки через объем прибора. Слой оксида кремния 5 иосновнойохранныйпереход7 уменьшают напряженность поля на краю контакта Шоттки 6 за счет увеличения радиуса его кривизны на краю металлического контакта. Плавающие охранные кольца 3 способствуют дальнейшему распространению ОПЗ в сторону края контакта Шоттки 6, увеличивая максимальное блокируемое обратное напряжение.