DE102010043088A1

DE102010043088A1 - Halbleiteranordnung mit Schottkydiode

Info

Publication number: DE102010043088A1
Application number: DE102010043088A
Authority: DE
Inventors: Ning Qu; Alfred Goerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-03
Also published as: JP5726314B2; JP2013541218A; US9263597B2; WO2012055627A1; US20140001593A1

Abstract

Halbleiteranordnung einer Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD), bestehend aus einem n⁺-Substrat 10, einer n-Epischicht 20, in die n-Epischicht 20 eingeätzten Gräben (Trenchs) 30 mit einer Breite Wt und einem Abstand zum. n⁺-Substrat 10 D_epi, Mesa-Bereichen 40 zwischen den benachbarten Gräben 30 mit einer Breite Wm, einer Metallschicht an der Vorderseite des Chips 50 die ein Schottky-Kontakt ist und als Anodenelektrode dient, und einer Metallschicht an der Rückseite des Chips 60 die ein ohmscher Kontakt ist und als Kathodenelektrode dient, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der Trenchwand mehrere Schottky-Kontakte 70 mit einer Weite D_sk und einem Anstand zwischen den Schottky-Kontakten D_gap sowie zwischen dem Schottky-Kontakt 50 als Anodenelektrode und dem ersten Schottky-Kontakt 70 befinden.

Description

Stand der Technik
Bei dieser Erfindung handelt es sich um Schottkydiode, die sich für Hochspannungsanwendung eignet und gleichzeitig eine niedrige Flussspannung und eine kleine Schaltverlustleistung aufweist.
Für Hochspannungsanwendung werden in der Regel Hochspannungs-PN-Dioden eingesetzt. Vorteile der Hochspannungs-PN-Dioden sind der niedrige Sperrstrom und die hohe Robustheit. Die Nachteile sind einerseits die hohe Flussspannung UF und andererseits die hohe Schaltverlustleistung.
In einer Hochspannungs-PN-Diode wird die Spannung hauptsächlich von dem schwach dotierten Gebiet übernommen, d. h. die Raumladungszone dehnt sich hauptsächlich in dem schwach dotierten Gebiet aus. Die Dotierkonzentration und die Dicke dieses schwach dotierten Gebiets werden von der vorgegebenen Durchbruchspannung bestimmt. Eine hohe Durchbruchspannung bedeutet niedrige Dotierkonzentration und große Dicke dieses schwach dotierten Gebiets.
Bei Betrieb mit hoher Stromdichte in Flussrichtung herrscht in Hochspannungs-PN-Dioden Hochinjektion, d. h. Elektronen und Löcher werden in das schwach dotierte Gebiet injiziert. Bei Hochinjektion ist deren Konzentration höher als die Dotierkonzentration des schwach dotierten Gebiets. Dadurch wird die Leitfähigkeit des schwach dotierten Gebiets moduliert, d. h. die Leitfähigkeit wird erhöht. Dies reduziert die Flussspannung in vorteilhafter Weise. Allerdings beginnt der Strom einer Hochspannungs-PN-Diode bei Raumtemperatur erst ab etwa einer Flussspannung UF = 0.7 V zu fließen. Unter normalen Betriebsbedingungen, z. B. bei einer Stromdichte > 100 A/cm², steigt UF auf Werte bis über 1 V an. Damit verbunden ist eine entsprechend hohe, unerwünschte Verlustleistung. Da eine Hochspannungs-PN-Diode ein dickes schwach dotiertes Gebiet benötigt, ist daher der Spannungsabfall in der Flussrichtung über dem schwach dotierten Gebiet, trotz der Leitfähigkeitsmodulation, relativ groß.
Die Ladungsträger Elektronen und Löcher, die während des Betriebs in der Flussrichtung in das schwach dotierte Gebiet injiziert und dort gespeichert sind, müssen beim Abschalten, z. B. bei einer abrupten Stromkommutierung, erst abgebaut werden, bevor die Hochspannungs-PN-Diode überhaupt in der Lage ist wieder Sperrspannung zu übernehmen. Daher fließt der Strom bei einer abrupten Stromkommutierung zuerst in Sperrrichtung weiter, bis die gespeicherten Ladungsträger abgebaut bzw. ausgeräumt sind. Dieser Strom wird auch als Ausräumstrom oder Reverse Recovery Current bezeichnet. Dieser Vorgang, also die Höhe und die Dauer des Ausräumstroms, ist in erster Linie von der Menge der im schwach dotierten Gebiet gespeicherten Ladungsträger bestimmt. Je mehr die Ladungsträger vorliegen, desto höher ist der Ausräumstrom. Ein höherer Ausräumstrom bedeutet auch eine höhere Abschaltverlustleistung. Aus der Integration des Abschaltstroms über die Zeit erhält man die Speicherladung Qrr (Reverse Recovery Charge), die eine wichtige Größe zur Beschreibung der Abschaltverlustleistung ist und möglichst klein sein soll.
Bei der Auslegung Hochspannungs-PN-Dioden muss man immer Kompromisse zwischen der Durchbruchspannung, der Flussspannung und der Abschaltverlustleistung schließen.
Im Vergleich zu Hochspannungs-PN-Dioden ist die Abschaltverlustleistung bei Hochspannungs-Schottkydioden deutlich geringer. Die Hochspannungs-Schottkydiode ist ein sog. Majoriätsladungsträger-Bauelement, in dem auch bei hoher Stromdichte im Betrieb in der Flussrichtung keine Hochinjektion vorkommt, also keine Injektion von Elektronen und Löchern in das schwach dotierten Gebiet während des Betriebs in Flussrichtung stattfindet.
Da bei einer Hochspannungs-Schottkydiode keine Hochinjektion mit Leitfähigkeitsmodulation auftritt, fällt beim Betrieb mit hohen Strömen am schwach dotierten Gebiet allerdings eine hohe Spannung ab. Dies beschränkt bisher den Einsatz von hochsperrenden Schottkydioden auf sehr kleine Ströme.
Hochspannungs-Schottkydioden in Siliziumtechnik für hohe Ströme sind daher nicht bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Hochspannungs-Schottkydiode in Trenchtechnik (STSBD = Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode) mit niedriger Flussspannung vorgeschlagen, die bei hohen Stromdichten betrieben werden kann und eine kleine Abschaltverlustleistung aufweist. Die bislang gültige Beschränkung auf kleine Flussströme wird damit aufgehoben.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD) dieser Erfindung stellt eine Trenchstruktur mit mehreren gefloateten Schottky-Kontakten an der Trenchwand dar. Dadurch bildet sich im Mesa-Bereich eine periodisch homogene Feldverteilung und eine nahezu lineare Spannungsverteilung aus. Die Dotierkonzentration für eine vorgegebene Durchbruchspannung kann etwa um den Faktor 5 bis 10 höher gewählt werden als bei einer konventionellen Hochspannungs-PN-Diode oder -Schottkydiode. Dadurch wird ein sehr vorteilhafter Designkompromiss zwischen Durchbruchspannung, Flussspannung und Abschaltverlustleistung erzielt.
Besonderer Vorteil der Erfindung:
Im Vergleich zu Hochspannungs-PN-Dioden: niedrigere oder vergleichbare Flussspannung bei hoher Stromdichte, aber deutlich kleinerer Abschaltverlustleistung.
Im Vergleich zu Hochspannungs-Schottkydioden: deutlich niedrigere Flussspannung bei hoher Stromdichte.
Zeichnung
Es zeigen:
Struktur der Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD) als Ausführungsbeispiel der Erfindung
Feldverteilung der STSBD dieser Erfindung beim Durchbruch (Simulation): Cut entlang der Trenchwand. Im Vergleich: Hochspannungs-PN-Diode, Hochspannungs-Schottkydiode
Spannungsverteilung der STSBD dieser Erfindung beim Durchbruch (Simulation): Cut entlang der Trenchwand
Vergleich Flussspannung VF von STSBD dieser Erfindung mit Hochspannungs-PN-Diode und -Schottkydiode, Stromdichte bis 100 A/cm² (Simulation)
Zeitlicher Spannungs- und Stromverlauf beim Abschalten, Vergleich zwischen STSBD dieser Erfindung und Hochspannungs-PN-Diode (Simulation)
Struktur einer weiteren Ausführungsform einer Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD) dieser Erfindung.
Struktur einer weiteren Ausführungsform einer Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD) dieser Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Aufbau und Funktion der erfindung mit möglichen Alternativen
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD) ist in im Querschnitt dargestellt. Die STSBD besteht aus einem n⁺-Substrat 10, einer n-Epischicht 20, in die n-Epischicht 20 eingeätzten Gräben (Trenchs) 30 mit einer Breite Wt und einem Abstand zum n⁺-Substrat 10 D_epi, Mesa-Bereichen 40 zwischen den benachbarten Gräben 30 mit einer Breite Wm, einer als Schottky-Kontakt wirkenden Metallschicht an der Vorderseite des Chips 50 – der Anodenelektrode -, einer Metallschicht an der Rückseite des Chips 60 – der Kathodenelektrode -, und weiteren Schottky-Kontakten 70 an der Trenchwand mit einer Weite bzw. einem Abstand D_sk und einem Abstand zwischen den Schottky-Kontakten D_gap. Die Metallschicht 50 bedeckt die Trenchwand bis zu einer Tiefe D_anode und mit einem Abstand D_gap zum ersten Schottky-Kontakt 70. Die Schottky-Kontakte 70 an der Trenchwand floaten. Der letzte gefloatete Schottky-Kontakt überdeckt den Trenchboden.
Bei der STSBD dieser Erfindung fließen Ströme in der Flussrichtung von dem Schottky-Kontakt 50 als Anodenelektrode durch den Mesa-Bereich 40, den Epi-Bereich zwischen dem Trenchboden und dem n⁺-Substrat 10, zur Metallschicht an der Rückseite des Chips 60 als Kathodenelektrode. Über die gefloateten Schottky-Kontakte 70 werden Ströme nur weiter geleitet, da sie niederohmige Strompfade darstellen.
Der Rückseitenkontakt stellt einen ohmschen Kontakt dar. Alle anderen Metall-Halbleiterkontakte sind Schottky-Konatkte.
In der Sperrrichtung bildet sich in der unter dem Schottky-Kontakt 50 befindlichen n-Epischicht 20 eine Raumladungszone aus. Die Raumladungszone dehnt sich mit steigender Spannung in der Richtung Trenchboden aus. Falls die Raumladungszone bei einer Spannung V1 den ersten gefloateten Schottky-Kontakt erreicht, wird diese Spannung V1 von dem ersten gefloateten Schottky-Kontakt übernommen. Die Raumladungszone dehnt sich mit weiter steigender Spannung in der Richtung Trenchboden weiter aus. Die Spannung an dem ersten gefloateten Schottky-Kontakt bleibt unverändert.
Analog erreicht die Raumladungszone bei einer höheren Spannung Vn den n-ten gefloateten Schottky-Kontakt. Dabei übernimmt der n-te gefloatete Schottky-Kontakt die Spannung Vn. Wiederum bleibt bei weiter steigender Spannung die Spannung am n-ten gefloateten Schottky-Kontakt unverändert.
Falls die Weite D_sk und der Abstand D_gap in der STSBD-Struktur für alle Schottky-Kontakte 70 gleich gewählt sind, liegt im Mesa-Bereich 40 eine periodisch homogene Feldverteilung vor. Dieser Sachverhalt wird als Simulationsergebnis in gezeigt. Die Feldverteilung im Mesa-Bereich wiederholt sich nach einem Abstand D_sk + D_gap immer wieder, bis schließlich der Trenchboden erreicht ist. Die Spannungsverteilung im Mesa-Bereich 40, wie als Simulationsergebnis in dargestellt, ist dann weitergehend linear. Im Vergleich zu konventionellen Hochspannungs-PN-Dioden oder–Schottkydioden, deren Feldverteilungen ebenfalls in zu sehen sind, lässt sich bei der STSBD dieser Erfindung bei einer vorgegebenen Dicke des schwach dotierten Gebiets eine wesentlich höhere Spannung unterbringen.
Im Sperrzustand kann eine STSBD dieser Erfindung elektrisch als eine Reihenschaltung von mehreren Niederspannungsdioden aufgefasst werden. Im Vorwärtsbetrieb hingegen fällt, im Unterschied zu einer gewöhnlichen Reihenschaltung von Dioden, nur eine Flussspannung ab, nämlich der Flussspannung der Schottkydiode, die sich aus Anodenmetall 50 und n-Epischicht 20 zusammensetzt. Daher kann, im Vergleich zu konventionellen Hochspannungs-PN-Dioden oder -Schottkydioden bei vergleichbaren Durchbruchsspannungen, die Dotierkonzentration des schwach dotierten Gebiets 20 bei einer STSBD dieser Erfindung deutlich höher gewählt werden, beispielsweise um einen Faktor 5 bis 10. Dadurch fällt am hochohmigen n-Gebiet 20 wesentlich weniger Spannung ab, bzw. es können bei vergleichbarer Flussspannung wesentlich höhere Flussströme fließen.
Sowohl gegenüber konventionellen Hochspannungs-Schottkydioden als auch gegenüber konventionellen Hochspannungs-PN-Dioden führt dies zu Vorteilen bei der Flussspannung. In ist dies an Hand von Simulationsergebnissen dargestellt.

a) Vergleich mit konventionellen Hochspannungs-Schottkydioden: Bei der STSBD ist die Flussspannung im Bereich hoher Stromdichte viel niedriger, da die Dotierkonzentration des schwach dotierten Gebiets wesentlich höher ist.
b) Vergleich mit konventionellen Hochspannungs-PN-Dioden: Da durch geeignete Wahl des Barrierenmetalls die Flussspannung – gemessen bei niedrigen Stromdichten – einer STSBD kleiner als die vergleichbare Flussspannung einer PN-Diode gewählt werden kann, bleibt die Flussspannung auch bei höheren Strömen kleiner. Bis zu einer Stromdichte von etwa 100 A/cm² bleibt beispielsweise die Flussspannung kleiner als 0,7 V und somit unterhalb einer PN-Flussspannung.

Einen wesentlichen Vorteil gegenüber konventionellen Hochspannungs-PN-Dioden stellt insbesondere das schnelle, leistungsarme Ausschaltverhalten der STSBD dar. Da die STSBD dieser Erfindung eine Schottkydiode und in Folge dessen ein Majoritätsladungsträger-Bauelement ist, ist die Abschaltverlustleistung signifikant kleiner als die einer Hochspannungs-PN-Diode. Ein Beispiel des Vergleichs zwischen der STSBD dieser Erfindung und der Hochspannungs-PN-Diode ist in dargestellt.
Bei der Designüberlegung lassen sich die folgenden Struktur-Parameter optimieren:

D_anode (Weite des Schottky-Kontakts 50 als Anodenelektrode, die die Trenchwand bedeckt); Trade off zwischen Leckstroms und Flussspannung;

D_sk (Weite der gefloateten Schottky-Kontakte 70 an der Trenchwand): beeinflusst Entkopplung der einzelnen periodischen Bereichen im Mesa;

D_gap (Abstand zwischen den gefloateten Schottky-Kontakte 70 an der Trenchwand), beeinflusst Linearität der Spannungsverteilung im Mesa-Bereich;

Wt (Breite des Trenchbereichs 30), beeinflusst Flussspannung;

Wm (Breite des Mesa-Bereichs 40), Trade off zwischen Leckstrom und Flussspannung;

D_epi (Abstand zwischen dem Trenchboden und dem n⁺-Substrat 10) Trade off von gesamter Durchbruchspannung und der Spannung des letzten Schottky-Kontakts beim Durchbruch.
Die . bis zeigen Simulationsergebnisse einer 200 V-STSBD mit 12 gefloateten Schottky-Kontakten mit den folgenden Strukturparametern und Dotierkonzentrationen:
Dotierkonzentration der n-Epischicht = 1E16/cm³
Dotierkonzentration des n⁺-Substrats = 1E19/cm³
D_anode = 4 μm
D_sk = 0.4 μm
D_gap = 1.0 μm
Wt = Wm = 0.8 μm
D_epi = 5 μm
In ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Im Unterschied zu der ersten Anordnung gemäß überbrücken die floatenden Schottkykontakte 70 den gesamten Trenchbereich 30. Zwischen den Schottkykontakten 70 befindet sich jeweils dielektrische Schichten 80, so dass die einzelnen floatenden Schottkykontakte 70 elektrisch voneinander bzw. von dem Anodenkontakt 50 isoliert sind. Als dielektrische Schichten finden bevorzugt Oxidschichten Verwendung.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in aufgezeigt. Es ähnelt dem Aufbau aus dem vorangegangenen Beispiel gemäß . Im Gegensatz dazu sind die dielektrischen Schichten 80 durch n-dotiertes Polysilizium oder Silizium 90 ersetzt. Bevorzugt entspricht die Dotierung der Schichten 90 der Dotierung der n-Epischicht 20.

Claims

Halbleiteranordnung einer Super-Trench-Schottky-Barrier-Diode (STSBD), bestehend aus einem n⁺-Substrat (10), einer n-Epischicht (20), in die n-Epischicht (20) eingeätzten Gräben bzw. Trenchs (30) mit einer Breite (Wt) und einem Abstand zum n⁺-Substrat (10) (D_epi), Mesa-Bereichen (40) zwischen den benachbarten Gräben (30) mit einer Breite (Wm), einer Metallschicht an der Vorderseite des Chips (50) die ein Schottky-Kontakt ist und als Anodenelektrode dient, und einer Metallschicht an der Rückseite des Chips (60) die ein ohmscher Kontakt ist und als Kathodenelektrode dient, wobei sich an der Trenchwand mehrere Schottky-Kontakte (70) mit einer Weite bzw. einem Abstand (D_sk) und einem Abstand zwischen den Schottky-Kontakten (D_gap) sowie zwischen dem Schottky-Kontakt (50) als Anodenelektrode und dem ersten Schottky-Kontakt (70) befinden.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottky-Kontakte (70) an der Trenchwand gefloatet sind.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht an der Vorderseite des Chips (50), die ein Schottky-Kontakt ist und als Anodenelektrode dient, die Trenchwand bis zu einer Tiefe (D_anode) bedeckt.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht an der Vorderseite des Chips (50) die Gräben (30) bis zu einer Tiefe (D_anode) ausfüllt.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der letzte gefloatete Schottky-Kontakt den Trenchboden überdeckt und einen Abstand (D_ep)i zum n⁺-Substrat (10) hat.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gegenzeichnet, dass sich die STSBD-Struktur über eine einheitliche Weite der gefloateten Schottky-Kontakte (70) (D_sk) und über einen einheitlichen Abstand zwischen den Schottky-Kontakten (70) sowie zwischen dem Schottky-Kontakt (50) als Anodenelektrode und dem ersten Schottky-Kontakt (70) (D_gap) verfügt.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gegenzeichnet, dass sich die Feldverteilung im Mesa-Bereich nach einem Abstand (D_sk) + (D_gap) periodisch wiederholt.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gegenzeichnet, dass die Spannungsverteilung im Mesa-Bereich nahezu linear ist.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gegenzeichnet, dass die floatenden Schottkykontakte (70) jeweils den gesamten Trenchbereich überdecken und dass sich zwischen den floatenden Schottkykontakten dielektrische Schichten befinden.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gegenzeichnet, dass die floatenden Schottkykontakte (70) jeweils den gesamten Trenchbereich überdecken und dass sich zwischen den floatenden Schottkykontakten Silizium oder Polysilizium befindet.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gegenzeichnet, dass die Dotierkonzentration der Epischicht (20) deutlich höher dotiert ist als in einer konventionellen Hochspannungs-PN-Diode oder -Schottkydiode.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Durchbruchspannung im Bereich > 200 V aufweist.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (30) eine rechteckige Form oder eine U-Form oder ähnliche Form verfügen.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (30) in Streifenanordnung oder als Inseln angeordnet sind, wobei die Inseln kreisförmig, sechseckig oder sonst wie gestaltet sein.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (30) durch Ätzen in die n-Epischicht hergestellt werden.
Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass alle Halbleiterschichten aus dem jeweils gegensätzlichen Leitfähigkeitstyp bestehen und die Bezeichnungen von Anoden- und Katodenanschlüsse vertauscht sind.
Halbleiteranordnung nach einem der vorangestellten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie als Bauelement ausgestaltet ist und eine lötbare Vorder- und Rückseitenmetallisierung besitzt.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente als Einpressdioden ausgestaltet sind und in einem Einpressdiodengehäuse montiert sind.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpressdioden in einem Gleichrichter eines Kfz-Generators eingesetzt sind.