Способ изготовления алмазного диода Шоттки Российский патент 2024 года по МПК H01L21/329 H01L29/872 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых диодов с барьером Шоттки, и может быть использовано в сильно-токовой высоковольтной и твердотельной высокочастотной электронике.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время, несмотря на значительные успехи кремниевой электроники, существующие диоды на основе кремния не в состоянии удовлетворить растущие потребности промышленности. Синтетический алмаз по сочетанию важнейших параметров для электронных приборов является одним из самых перспективных широкозонных материалов по следующим причинам:

- величина критической напряженности электрического поля для алмаза (10⁷ В/см) превышает почти на порядок соответствующие показатели для карбида кремния, что позволяет получать более высокие блокирующие напряжения;

- большая ширина запрещенной зоны приводит к чрезвычайно малым токам утечки в широком диапазоне рабочих температур;

- высокая теплопроводность снижает тепловое сопротивление кристалла 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 B2, МПК С30В 29/04, опубл. 21.12.2004; патент США № 5352908, МПК H01L 29/48, опубл. 04.10.1994). При реализации подобных способов выполняют следующие операции. Подготавливают рабочую подложку p-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 напряжениями пробоя U_MAX не более 20-50 В и величиной токов утечки I_LEAK более 10 мА. Кроме того, падение напряжения в открытом состоянии U_ON у подобных диодов составляет десятки вольт, что ограничивает диапазон рабочих прямых токов I_ON до десятых долей ампер.

Недостатки, связанные с низкими напряжениями пробоя U_MAX и высокими токами утечки I_LEAK, устраняет известный способ изготовления диода с барьером Шоттки, выбранный за прототип (патент RU 2488912 C2, МПК H01L 21/329, опубл. 27.07.2013). В этом известном 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 U_MAX и уменьшение токов утечки I_LEAK 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°.

Это известное техническое решение позволяет создавать диоды Шоттки с различными сочетаниями значений дифференциального сопротивления в открытом состоянии (R_ON) и напряжениями пробоя (U_MAX). Сопротивление в открытом состоянии складывается из сопротивления легированной подложки и сопротивления дрейфового (рабочего) слоя: R_ON=R_SUB+R_DRIFT. При этом за счет подбора параметров дрейфового слоя можно подобрать соотношение толщины w_drift и уровня легирования дрейфового слоя B_drift таким, чтобы минимизировать сопротивление R_DRIFT для заданного (требуемого) U_MAX. Кроме того, существуют альтернативные конструкции диодов, позволяющие дополнительно снизить падение напряжения на дрейфовом слое в прямом направлении. Например, в полезной модели RU174126 U1 МПК: H01L 29/872 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.

Во всех случаях сопротивление подложки R_SUB остается неизменным и дает вклад в общее сопротивление в открытом состоянии R_ON. Для высоко-токовых диодов (плотность тока I_ON > 20 А/см² при U_ON = 4 В и менее) сопротивление подложки становится определяющим. Это приводит к высоким резистивным потерям энергии на диодном элементе в момент протекания прямого тока.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в понижении падения напряжения на легированной бором подложке при протекании прямого тока через диод.

Указанная задача решается в настоящем изобретении тем, что в способе изготовления алмазного диода Шоттки, включающем подготовку полированием проводящей подложки из синтетического монокристалла алмаза, легированного бором, химическое осаждение из газовой фазы на одну из сторон полированной подложки алмазной пленки с низкой степенью легирования бором, формирование на обратной стороне полированной подложки анода в виде омического контакта и формирование на алмазной пленке катода с контактом в виде барьера Шоттки, согласно настоящему изобретению, в качестве проводящей легированной бором алмазной подложки используют алмазную пластину, вырезанную из ростовых секторов {001} и/или {113} монокристалла алмаза с кубооктаэдрическим габитусом, выращенного методом температурного градиента при высоких давлении и температуре в аппаратах высокого давления типа «тороид» со средним уровнем легирования бором в диапазоне от 10¹⁷ до 10¹⁹ атом/см³ и степенью компенсации акцепторной примеси не более 1%.

Кроме того, согласно одному из вариантов настоящего изобретения, перед формированием омического контакта производят дополнительное утонение алмазной подложки с использованием травления в плазме до толщины от 50 до 5 мкм.

Для изготовления подложек алмазных диодов Шоттки с вертикальной геометрией используют объемные легированные бором алмазные монокристаллы. При росте кристалла по методу температурного градиента при высоких давлении и температуре (TG-HPHT) легирование происходит за счет захвата примеси через ростовые грани кристалла. При этом скорости захвата примесей определяются поверхностной энергией и кинетикой присоединения атомов углерода и примесей на конкретной ростовой грани. Известно, что при среднем уровне легирования алмаза бором в диапазоне 10¹⁷-10¹⁹ атом/см³ происходит рост кристаллов кубооктаэдрического габитуса (в облике кристалла во время всего синтеза присутствуют грани или ростовые сектора {001}, {113}, {111}). Проведенные авторами настоящего изобретения исследования показали, что ростовые сектора {001} и {113} кристаллов демонстрируют в 25 раз меньшее удельное сопротивление при комнатной температуре за счет пониженной (не более 1%) степени компенсации акцепторной примеси (другими словами, степени компенсации основной примеси паразитными донорными примесями). Это происходит вероятно из-за того, что соотношение скорости захвата бор/азот на секторах {001}, {113} выше, чем на секторе {111}. Малая степень компенсации приводит к сравнительно большой степени ионизации примеси (высокой концентрации свободных носителей заряда) уже при комнатной температуре, что в свою очередь обеспечивает малое удельное сопротивление алмазной пластины, не более 5 Ом×см.

В процессе роста гомоэпитаксиального алмазного слоя дислокации, присутствующие в монокристаллической алмазной подложке, неизбежно наследуются в растущий слой. Вертикальные сквозные дислокации в гомо-эпитаксиальном слое приводят к увеличению токов утечки диода (I_LEAK). В свою очередь, было обнаружено, что сектора роста {001} и {113} легированного бором монокристалла алмаза кубооктаэдрического габитуса имеют лучшее кристаллическое совершенство и меньшую концентрацию дислокаций.

Таким образом, настоящее изобретение основано на том, что при изготовлении диода Шоттки используют подложку из синтетического монокристалла алмаза с малым удельным сопротивлением и высоким структурным совершенством, что достигается за счет выбора ростовых секторов {001}, {113} (областей) объемного легированного бором монокристалла алмаза кубооктаэдрического габитуса, из которых вырезают подложку.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схема раскроя алмазного легированного монокристалла кубооктаэдрического габитуса для подготовки пластины-подложки, используемой в способе по настоящему изобретению;

Фиг. 2 - схема алмазного диода Шоттки, изготовленного способом по настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Способ по настоящему изобретению осуществляют следующим образом.

Выращивают синтетический монокристалл 1 алмаза с кубооктаэдрическим габитусом методом температурного градиента при высоких давлении и температуре в аппаратах высокого давления типа «тороид». Средний уровень легирования алмаза бором составляет от 10¹⁷ до 10¹⁹ атом/см³, а степень компенсации акцепторной примеси в алмазе составляет не более 1%. Из ростовых секторов {001} и/или {113} выращенного монокристалла 1 вырезают алмазную пластину, которую затем используют в качестве проводящей легированной бором алмазной подложки 2. Схема раскроя такого монокристалла 1 показана на фиг. 1. Подложку 2 полируют.

На одну из сторон полированной подложки 2 методом химического осаждения из газовой фазы наносят алмазную пленку 3 с низкой степенью легирования бором. На другой (обратной) стороне полированной подложки 2 формируют анод в виде омического контакта 4. На алмазную пленку 3 наносят катод 5 с контактом в виде барьера Шоттки 6.

Промышленная применимость

Пример.

Синтетический алмазный монокристалл 1 кубооктаэдрического габитуса типа IIb выращивают методом температурного градиента при высоких давлении и температуре (t=1500°C, p=5,5 ГПа) в ростовой среде Fe-Al-C-B с необходимой добавкой бора в концентрации 4×10¹⁷ атом/см³ и степенью компенсации акцепторной примеси не более 1%. Из ростовых секторов {001} и/или {113} выращенного монокристалла 1 с использованием лазерного раскроя (автоматизированная система с наносекундным лазером) вырезают пластину кристаллографической ориентации (001) размерами 4×4 мм. Вырезанную пластину полируют с обеих сторон с утонением до толщины 0,1-0,2 мм. Полировку проводят с использованием оборудования фирмы Dialit (Израиль) для высококачественной механической шлифовки и полировки поли- и монокристаллов алмазов. Полученную полированную пластину используют в качестве среднелегированной монокристаллической p+ алмазной подложки 2 для изготовления диода Шоттки. Такая подложка обладает удельным сопротивлением при комнатной температуре ρ = 4,7 Ом×см. На поверхности подложки 2 выращивают гомоэпитаксиальный монокристаллический слой p- алмазной пленки 3 толщиной 6 мкм в установке для газофазного осаждения с использованием ВЧ плазмы. Концентрация бора в слое p- составляет 1×10¹⁶ атом/см³. На противоположной поверхности среднелегированной подложки p+ размещают анод в виде омического трехслойного контакта 4 размером 3,3×3,3 мм (площадь 0,1 см²), 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 p- алмазной пленки 3 путем вакуумного магнетронного напыления платины (50 нм, 150 Вт, 5 мин) формируют катод 5 в виде металлического контакта размером 3,3×3,3 мм с барьером Шоттки.

Использование среднелегированной бором подложки 2, вырезанной из ростовых секторов {001} и/или {113} объемного легированного бором монокристалла 1 алмаза кубооктаэдрического габитуса, значительно понижает последовательное сопротивление диода в открытом состоянии R_ON (не менее чем в 2 раза) и, следовательно, снижает прямое падение напряжения U_ON. Кроме того, подложка, вырезанная из ростовых секторов {001} и/или {113} объемного легированного бором монокристалла алмаза кубооктаэдрического габитуса, обладает высоким кристаллическим совершенством (концентрация дислокаций 10² см^-2 и менее). Это позволяет выращивать на указанной подложке гомоэпитаксиальную алмазную пленку 3 с высоким кристаллическим совершенством, которая обеспечивает пониженные токи утечки и повышенное напряжение пробоя диода Шоттки в закрытом состоянии. В совокупности это приводит к пониженным электрическим (омическим) потерям при использовании диода в силовых электрических цепях.

Дополнительного снижения последовательного сопротивления R_SUB, вносимого легированной бором подложкой 1, можно достичь путем ее утонения. Пределом механической полировки пластины алмаза считают толщину 100 мкм. Дальнейшее утонение обеспечивают плазменным травлением в плазме, например, во фторсодержащей плазме) до толщины от 50 до 5 мкм.

Алмазный диод с барьером Шоттки, изготовленный способом по настоящему изобретению, характеризуется прямым падением напряжения 4В при протекании прямого тока I_ON = 10 А, что соответствует плотности тока J_ON = 100 А/см². Высокие значения прямого тока достигаются за счет резистивного саморазогрева устройства. Таким образом, достигнуто более чем двукратное увеличение прямого тока при напряжении U_ON = 4 В по сравнению с алмазным диодом с барьером Шоттки, изготовленным способом по патенту RU 2488912.

Изобретение относится к электронной технике и используется в способе изготовления алмазного диода Шоттки. Способ включает подготовку полированием подложки 2 из синтетического монокристалла 1 алмаза, легированного бором, химическое осаждение из газовой фазы на одну из сторон полированной подложки 2 алмазной пленки с низкой степенью легирования бором, формирование на обратной стороне полированной подложки 2 анода в виде омического контакта и формирование на алмазной пленке катода с контактом Шоттки. В качестве подложки 2 используют алмазную пластину, вырезанную из ростовых секторов {001} и/или {113} монокристалла алмаза с кубооктаэдрическим габитусом, выращенного методом температурного градиента при высоких давлении и температуре в аппаратах высокого давления типа «тороид» со средним уровнем легирования бором в диапазоне от 10¹⁷ до 10¹⁹ атом/см³ и степенью компенсации акцепторной примеси не более 1%. Технический результат - понижение падения напряжения на легированной бором подложке 2 при протекании прямого тока через диод. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления алмазного диода Шоттки, включающий подготовку полированием подложки из синтетического монокристалла алмаза, легированного бором, химическое осаждение из газовой фазы на одну из сторон полированной подложки алмазной пленки с низкой степенью легирования бором, формирование на обратной стороне полированной подложки анода в виде омического контакта и формирование на алмазной пленке катода с контактом Шоттки, отличающийся тем, что в качестве проводящей легированной бором алмазной подложки используют алмазную пластину, вырезанную из ростовых секторов {001} и/или {113} монокристалла алмаза с кубооктаэдрическим габитусом, выращенного методом температурного градиента при высоких давлении и температуре в аппаратах высокого давления типа «тороид» со средним уровнем легирования бором в диапазоне от 10¹⁷ до 10¹⁹ атом/см³ и степенью компенсации акцепторной примеси не более 1%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед формированием омического контакта производят дополнительное утонение алмазной подложки с использованием травления в плазме до толщины от 50 до 5 мкм.