DE2616576B2

DE2616576B2 - Schottky-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2616576B2
Application number: DE2616576A
Authority: DE
Inventors: Takahide Ikeda; Michio Hachioji Tokio Ishikawa (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-04-16
Filing date: 1976-04-14
Publication date: 1979-04-05
Also published as: JPS51120674A; DE2616576C3; US4089020A; DE2616576A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schottky-Diode der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen r> Gattung.

Eine derartige Schottky-Diode ist aus »IEEE Transactions on Electron Devices« Band ED-21, Nr. 6 (Juni 1974), Seiten 317 bis 323 bekannt Bei der bekannten Diode handelt es sich um eine reine Schottky-IMPATT-Diode bei der die Halbleiterschicht die mit der auf ihr angeordneten Elektrode den Schottky-Kontakt bildet, N-Ieitend ist und die zwischen dieser Halbleiterschicht um dem N+-leitenden Halbleitersubstrat angeordnete Halbleiterschicht geringer dotiert ist als die beiden benachbarten Bereiche, jedoch den gleichen Leitungstyp aufweist wie diese. Bei der bekannten Schottky-Diode geht es darum, durch Wahl der geeigneten Störstoffkonzentration und Dicken der beiden N-leitenden Halbleiterschichten einen möglichst hohen Wirkungsgrad beim Betrieb im GHz-Bereich zu erzielen. Der Wirkungsgrad ist dabei als Quotient aus dem Spannungsabfall in Sperrichtung an der mittleren gering dotierten Halbleiterschicht und der Durchbruchspannung der Diode definiert

Derartige reine Schottky-Dioden zeichnen sich zwar durch hohe Ansprechgeschwindigkeiten aus und eignen sich deshalb für sehr hohe Frequenzen, weisen jedoch den Nachteil auf, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung bei hohen Stromdichten sowie der Leckstrom ω bei Vorspannung in Sperrichtung groß sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterdiode zu schaffen, die die hohe Ansprechgeschwindigkeit reiner Schottky-Dioden mit einem geringen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung bei hohen Stromdichten und geringem Leckstrom bei Vorspannung in Sperrichtung verbindet

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den

kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Danach besteht zwischen der mit der Elektrode einen Schottky-Kontakt bildenden P-leitenden Halbleiterschicht und der benachbarten N-Halbleiterschicht ein PN-Übergang, weshalb es sich bei der erfindungsgemäßen Diode nicht mehr um eine reine Schottky-Dkxb sondern um einen Mischtyp aus einer Schottky-Diode und einer Sperrschichtdiode handelt

Aufgrund der Tatsache, daß die Dicke der P-leitenden Schicht geringer ist als die Diffusionslänge der aus der benachbarten N-leitenden Schicht in die P-leitende Schicht injizierten Elektronen, werden das Diffusionspotential der PN-Sperrschicht und die Wirksamkeit der Injektion von Minoritätsträgern aus der P-Ieitenden Schicht hauptsächlich durch die Gesamtmenge an Störsloffen in der P-Ieitenden Schicht gesteuert und hängen nur minimal von der Form der Störstoffverteilung ab. Daher lassen sich die Sperrschichteigenschaften der Diode durch die gesamte Störstoffmenge in der P-leitenden Halbleiterschicht steuern. Da die Eigenschaften der Diode in Durchlaßrichtung vom Diffusionspotential abhängen, nimmt bei kleineren Stromdichten der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung mit zunehmendei Störstoffmenge der P-leitenden Schicht zu. Andererseits wird bei hohen Stromdichten, bei denen der spezifische Widerstand der N-leitenden Schicht eine wichtige Rolle spielt der Effekt der Leitfähigkeitsmodulation wichtiger, und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung steigt mit zunehmender Störstoffmenge in der P-leitenden Schicht langsamer.

Halbleiter-Leistungsdioden werden hauptsächlich in einem Stromdichtebereich von 100 bis 300 A/cm² verwendet Die erfindungsgemäße Diode eignet sich speziell für diesen hohen Stromdichtebereich, da es zur Verringerung der Verlustleistung besonders darauf ankommt, den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung so klein wie möglich zu machen.

Aus »RCA-Review« Band 31 (März 1970), Seiten 3 bis 19 ist zwar eine Halbleiterdiode bekannt, bei der zwischen einer auf einem N+-leitenden Substrat angeordneten N-leitenden Halbleiterschicht und einer Elektrode eine weitere P-leitende Halbleiterschicht angeordnet ist Diese P-leitende Schicht weist jedoch an ihrer der Elektrode zugewandten Oberfläche eine derart hohe Störstoffkonzentration auf, daß sie mit der Elektrode keinen Schottky-Kontakt bildet Bei der aus dieser Druckschrift bekannten Diode handelt es sich vielmehr um eine reine PN-Diode.

Aus dem Buch von Helmut F.Wolf »SILICON SEMICONDUCTOR DATA« Pergamon Press 1969, Seiten 44, 45 und 506 bis 509 sind ferner gewisse Zusammenhänge zwischen der Störstoffkonzentration, dem spezifischen Widerstand, der Elektronen-Diffusionslänge und der Betriebstemperatur bei Halbleiterbauelementen bekannt

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2, ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Diode im Patentanspruch 3 gekennzeichnet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert Darin zeigen

F i g. 1 bis 3 Querschnitte zur Erläuterung eines Herstellverfahrens für eine Diode;

Fig.4 die Verteilung der Störstoffkonzentration in der Diode; und

Fig. 5 ein Beispiel experimenteller Ergebnisse bezüglich der Sperrschichteigenschaften der Diode.

Gemäß Fig. 1 wird auf der Oberfläche eines N-leitenden Siliciumsubsuats 2 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 ilcm und einer Dicke von 150 μ eine N-Ieitende Siliciumschicht 3 mit einem spezifischen Widerstand von 6Ω«η und einer Dicke von 6μπι epitaxial aufgewachsen. In einem Obs/Hächenteil der N-leitenden Schicht 3 wird nach der Methode der selektiven Diffusion ein ringförmiger P-leitender Bereich 4 mit hoher Störstoffkonzentration and einer Dicke von 2μΐη erzeugt. Eine auf der Oberfläche aufgetragene SiOrMaskenschicht 5 weist ein von dem ringförmigen Bereich 4 begrenztes kreisrundes Fenster auf.

Durch dieses Fenster hindurch werden in den kreisförmigen Teil Borionen 7 mit einer Dosis von 10¹²cm-² und einer Beschleunigungsenergie von 100 KeV implantiert, so daß die in Fig.2 dargestellte P-leitende Schicht 6 mit einer Dicke von etwa 0,6 μιη gebildet wird. Die implantierten Schichten werden bei einer Temperatur von 800⁰C zehn Minuten lang in trockener Atmosphäre geglüht Der die P-Ieitende Schicht 6 umgebende ringförmige Bereich 4 verhindert eine Verschlechterung der Eigenschaften der zwischen der P-Ieitenden Schicht 6 und der N-leitenden Schicht 3 gebildeten Sperrschicht Der Bereich 4 dient also als 2¹» Schutzring für die Sperrschicht

Auf die gesamte Oberfläche wird eine Al-Schicht aufgetragen, aus der durch selektives Ätzen nach der bekannten photolithographischen Methode die in F i g. 3 gezeigte Al-Elektrode I gebildet wird. Auf der anderen Seite des Substrats 2 wird ein Ohm'scher Kontakt 9 hergestellt

Die Sperrschichteigenschaften einer auf dieser Weise erhaltenen Diode wurden gemessen, wobei sich herausstellte, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrich- r. tung 0,73 V bei einer Stromdichte von 100 A/cm² und die Spannungsfestigkeit in Sperrichtung 120 V betrugen. Ein solcher Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ist um 0.1 bis 0,2 V kleiner als bei herkömmlichen Dioden, deren Spannungsfestigkeit in der gleichen Größenordnung liegt wie die der hier beschriebenen Diode.

In Fig.4 ist die Störstoffverteilung bei der Diode schematisch dargestellt, wobei mit der Bezugsziffer 1 die Al-Elektrode bezeichnet ist

Die Sperrschichteigenschaften wurden dadurch ge- 4·;

messen, daß die Störstoffkonzentration in der P-Ieitenden Schicht bei nach dem obigen Verfahren hergestellten Siliciumdioden geändert wurde, deren N-leitende Schicht eine Dicke von 4 bis 15 μιη und einen spezifischen Widerstand von 1 bis 20 Qcm hatte. Fi g. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Stromdichte in A/cm² und dem Spannungsabfall in V in Durchlaßrichtung bei einer Diode, die durch Implantieren von Borionen mit einer Beschleunigungsenergie von 100 KeV mit unterschiedlichen Dosen in eine N-leitende Schicht mit einer Dicke von ΙΟμιτι und einem spezifischen Widerstand von 10 Qcm hergestellt wurde. Die Dosen der implantierten Störstoffionen betrugen, wie in Fig.5 eingetragen, zwischen 10¹¹ und 10¹⁵Cm-². Diejenige Kurve, bei der die Dosis der implantierten Störstoffionen Null beträgt, zeigt dabei die Sperrschichteigenschaften einer herkömmlichen Schottky-Diode.

Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ist der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im Bereich einer Störstoffdosis von 10" bis 10¹³cm~² bei Stromdichten zwischen 100 und 300 A/cm² gering. Die Ergebnisse sind fast gleich denen, die bei N-leitenden Schichten mit einer Dicke von 4 bis 15 μπι und einem spezifischen Widerstand zwischen I und 20 Hern erhalten werden. Das in diesem Experiment verwendete N-leitende Siliciumsubstrat hatte eine Dicke von 158 μιη und einen spezifischen Widerstand von 0,01 Qcm.

Es hat sich auch bestätigt, daß der Leckstrom in Sperrichtung bei Dioden, bei denen die P-Ieitende Schicht mit Störstoffen in einer Dosis zwischen 10" und 10¹³ cm-² dotiert ist um ein bis zwei Größenordnungen kleiner ist als bei herkömmlichen Schottky-Dioden, und daß die Erholungszeit in Sperrichtung, in der der Sperrstrom beim Umschalten der an der Diode liegenden Spannung von der Durchlaß- in die Sperrichtung einen stationären Zustand erreicht (Sperrverzug), die Hälfte bis ein Drittel derjenigen Zeit beträgt, die solche Dioden erfordern, bei denen die Dosis der in die P-leitende Schicht implantierten Ionen 10¹⁵cm-² und darüber beträgt. Allerdings sollte dann, wenn die Dicke der N-leitenden Schicht mehr als 15 μιη beträgt, die Dosis der in die P-leitende Schicht implantierten Ionen größer sein als 10¹³ cm-², da der Spannungsabfall infolge des Serienwiderstandes in dieser Schicht zu groß ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schottky-Diode mit einem N+-leitenden Halbleitersubstrat mit geringem spezifischen Widerstand, einer auf einer Oberfläche des Substrats geformten N-leitenden Halbleiterschicht mit hohem spezifischen Widerstand und einer Diode zwischen 4 und 15 um, und einer darauf geformten weiteren Halbleiterschicht, deren Dicke geringer ist als die ι ο Elektronen-Diffusionslänge und die mit der auf ihr angeordneten Elektrode einen Schottky-Kontakt bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Halbleiterschicht (6) P-leitend ist, eine Dicke von höchstens 5 um und eine gesamte Störstoff men- ι s ge pro Fläche von 10" bis 10» cm-² aufweist, und daß die N-leitende Halbleitei-schicht (3) einen spezifischen Widerstand von 1 bis 20 £lcm hat

2. Schottky-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Ieitende Halbleiterschicht (6) von einem ringförmigen P-Ieitenden Bereich (4) hoher Störstoffkonzentration umgeben ist

3. Verfahren zur Herstellung der Schottky-Diode nach Anspruch 1, wobei auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats die N-leitende Halbleiterschicht epitaxial gezüchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der P-leitenden Halbleiterschicht P-Störstoffionen durch eine auf der N-leitenden Halbleiterschicht vorgesehene Maske hindurch implantiert werden. to