FR2975531A1

FR2975531A1 - Vertical controlled Schottky diode for use in forward type rectifier, has driver surrounded by insulator that extends in thin layer according to direction, and interdependent control electrode secured to conducting material

Info

Publication number: FR2975531A1
Application number: FR1154215A
Authority: FR
Inventors: Frederic Lanois
Original assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Current assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-23

Abstract

The diode has a semiconductor substrate (3) strongly doped with a conductivity. A thin layer (1) is slightly doped with the conductivity. Grooves are filled with a driver (7) that is surrounded by an insulator (9) extending in the thin layer according to a direction. Parallel bands (11) of another conductivity extend in the thin layer according to another direction orthogonal with the former direction. An electrode on an upper face of the diode forms a Schottky contact with the thin layer. An interdependent control electrode is secured to a conducting material.

Description

B10741 - 10-T0-1097 1 DIODE SCHOTTKY VERTICALE CONTROLEE B10741 - 10-T0-1097 1 CONTROLLED VERTICAL SCHOTTKY DIODE

Domaine de l'invention La présente invention concerne une diode Schottky verticale contrôlée pour présenter une chute de tension en direct aussi faible que possible et un courant de fuite en inverse aussi faible que possible. La présente invention concerne égale-ment une application particulière d'une telle diode à un montage redresseur, couramment appelé redresseur ou alimentation de type "FORWARD". Etat de la technique La figure 1 représente de façon simplifiée le secondaire d'une alimentation de type FORWARD. Ce circuit est destiné à fournir une tension redressée VDC aux bornes d'une résistance ou autre charge à partir d'une tension alternative VAC. Le montage comprend, entre les bornes T1 et T2 d'une source de tension alternative VAC, deux diodes Dl et D2 connectées en série et en inverse. Dans l'exemple représenté où l'on souhaite que la tension VDC soit positive, les deux diodes ont leurs anodes interconnectées. Le circuit comprend aux bornes de la diode D2 une bobine L en série avec un ensemble formé d'un condensateur C et d'une résistance R montés en parallèle, la résistance constituant la charge du circuit. Field of the Invention The present invention relates to a controlled vertical Schottky diode to have as low a forward voltage drop as possible and a reverse leakage current as low as possible. The present invention also relates to a particular application of such a diode to a rectifier circuit, commonly called a "FORWARD" rectifier or power supply. STATE OF THE ART FIG. 1 is a simplified representation of the secondary of a FORWARD-type power supply. This circuit is intended to provide a rectified voltage VDC across a resistor or other load from an AC voltage VAC. The arrangement comprises, between the terminals T1 and T2 of an AC voltage source VAC, two diodes D1 and D2 connected in series and in reverse. In the example shown where it is desired that the voltage VDC is positive, the two diodes have their anodes interconnected. The circuit comprises across the diode D2 a coil L in series with an assembly formed of a capacitor C and a resistor R connected in parallel, the resistor constituting the load of the circuit.

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2 Quand la borne T1 (la borne supérieure dans la représentation de la figure) de la source de tension alternative VAC est positive, un courant I1 circule depuis cette borne T1 en passant par la bobine L, la résistance de charge R et la diode Dl vers la borne T2 de la tension d'alimentation alternative VAC. La diode D2 est alors connectée en inverse et doit supporter pratiquement toute la tension de l'alimentation alternative VAC. Elle doit donc être apte à supporter une forte tension en inverse. 2 When the T1 terminal (the upper terminal in the representation of the figure) of the AC voltage source VAC is positive, a current I1 flows from this terminal T1 through the coil L, the load resistor R and the diode D1 to terminal T2 of the AC supply voltage VAC. The diode D2 is then connected in reverse and must support virtually all the voltage of the AC power supply VAC. It must therefore be able to withstand a strong reverse voltage.

Quand la borne T1 est négative, la diode Dl est en inverse et un courant de roue libre I2 circule dans la bobine L, la charge R et la diode D2. Dans cette configuration, la diode Dl est en inverse et doit supporter pratiquement toute la tension de l'alimentation alternative. When the terminal T1 is negative, the diode D1 is in inverse and a freewheeling current I2 flows in the coil L, the load R and the diode D2. In this configuration, the diode D1 is in reverse and must support virtually all the voltage of the AC power supply.

Ainsi les diodes Dl et D2 doivent avoir une tension de claquage élevée en inverse, et bien entendu présenter une chute de tension en direct aussi faible que possible. On va montrer qu'il se pose un problème pour réaliser de telles diodes qui présentent aussi un faible courant de fuite en inverse. Thus the diodes D1 and D2 must have a high breakdown voltage in reverse, and of course have a direct voltage drop as low as possible. It will be shown that there is a problem for producing such diodes which also have a low leakage current in reverse.

Pour réaliser les diodes Dl et D2, on a proposé d'utiliser des diodes Schottky du type de celle illustrée de façon partielle en coupe et en perspective en figure 2. Cette diode est formée à partir d'une couche épitaxiée 1 faiblement dopée de type N sur un substrat 3 fortement dopé de type N. La couche 1 faiblement dopée de type N est revêtue d'une métallisation 5, formant un contact de type Schottky avec cette couche 1. La face supérieure de la structure est revêtue d'une première électrode principale, en l'occurrence une électrode d'anode A, et la face inférieure de la structure est revêtue d'une deuxième électrode principale, en l'occurrence une électrode de cathode K. La structure décrite jusqu'à présent constitue une diode Schottky verticale. Dans une telle diode, divers compromis, difficiles à satisfaire, doivent être respectés pour obtenir à la fois une faible chute de tension en direct, une B10741 - 10-T0-1097 In order to produce the diodes D1 and D2, it has been proposed to use Schottky diodes of the type of that partially illustrated in section and in perspective in FIG. 2. This diode is formed from a lightly doped epitaxial layer 1 of the type N on a strongly doped N-type substrate 3. The N-type lightly doped layer 1 is coated with a metallization 5, forming a Schottky type contact with this layer 1. The upper face of the structure is coated with a first main electrode, in this case an anode electrode A, and the lower face of the structure is coated with a second main electrode, in this case a cathode electrode K. The structure described up to now constitutes a diode Schottky vertical. In such a diode, various compromises, difficult to satisfy, must be respected to obtain at the same time a small direct voltage drop, a B10741 - 10-T0-1097

3 forte tension de claquage en inverse et un faible courant de fuite en inverse. Ainsi, on a développé des diodes Schottky contrôlées. Ces diodes comprennent en outre, comme cela est représenté en figure 2, des rainures parallèles dont chacune contient un matériau conducteur 7 entièrement entouré d'un isolant 9, couramment de l'oxyde de silicium. Les conducteurs 7 sont connectés à une électrode de grille G (non représentée). L'électrode de grille G est connectée à un potentiel supérieur à celui de l'électrode d'anode pendant les phases où la diode Schottky doit être passante pour accroître la conduction à l'état passant en "enrichissant" les parties 10 de la couche 1 de type N comprises entre les rainures, ou au moins les zones situées au voisinage de ces rainures. L'électrode de grille G est connectée à un potentiel inférieur à celui de l'électrode d'anode pendant les phases où la diode Schottky est connectée en inverse pour "appauvrir" (déserter) les parties 10 de la couche 1 de type N comprises entre les rainures. Dans de telles structures, on profite en direct de l'enrichissement des parties 10. En conséquence, celles-ci doivent correspondre à une forte proportion de l'épaisseur de la couche 1. Il s'ensuit que la tenue en tension en inverse doit être faite également dans les régions 10. Ceci engendre un fort champ électrique au voisinage des angles inférieurs des conduc- teurs 7 et, pour prévenir une avalanche prématurée de la diode, conduit à l'utilisation d'un isolant 9 de forte épaisseur (de l'ordre de 0,8 }gym pour une tension d'avalanche d'environ 120 V). La grille fonctionne de façon satisfaisante en direct pour réduire la résistance de la diode Schottky mais devient peu efficace en inverse et ne peut plus assurer le pincement de la région comprise entre les rainures car la forte épaisseur d'oxyde retarde le phénomène de pincement qui devrait permettre de limiter le courant de fuite. 3 high breakdown voltage in reverse and a low leakage current in reverse. Thus, controlled Schottky diodes have been developed. These diodes further comprise, as shown in Figure 2, parallel grooves each containing a conductive material 7 completely surrounded by an insulator 9, usually silicon oxide. The conductors 7 are connected to a gate electrode G (not shown). The gate electrode G is connected to a potential greater than that of the anode electrode during the phases in which the Schottky diode must be conducting in order to increase the on-state conduction by "enriching" the parts of the layer 1 of type N between the grooves, or at least the areas located in the vicinity of these grooves. The gate electrode G is connected to a potential lower than that of the anode electrode during the phases when the Schottky diode is connected in reverse to "deplete" (parts of the N-type layer 1 included). between the grooves. In such structures, one benefits directly from the enrichment of the parts 10. Consequently, these must correspond to a large proportion of the thickness of the layer 1. It follows that the resistance in reverse voltage must This also generates a strong electric field in the vicinity of the lower corners of the conductors 7 and, to prevent a premature avalanche of the diode, leads to the use of an insulator 9 of great thickness (of the order of 0.8 μm for an avalanche voltage of about 120 V). The gate operates satisfactorily live to reduce the resistance of the Schottky diode but becomes ineffective in reverse and can no longer ensure the pinching of the region between the grooves because the high oxide thickness retards the pinch phenomenon which should allow to limit the leakage current.

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4 Résumé de l'invention Un mode de réalisation de la présente invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des diodes Schottky contrôlées connues. SUMMARY OF THE INVENTION An embodiment of the present invention aims to overcome at least some of the disadvantages of known controlled Schottky diodes.

Un mode de réalisation de la présente invention vise à réaliser une diode Schottky contrôlée qui présente une faible chute de tension en direct et un très faible courant de fuite en inverse même pour des tensions inverses supérieures à une centaine de volts. An embodiment of the present invention aims at producing a controlled Schottky diode which has a low direct voltage drop and a very low reverse leakage current even for reverse voltages greater than a hundred volts.

Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une diode Schottky contrôlée de type vertical comprenant un substrat semiconducteur fortement dopé d'un premier type de conductivité ; une couche mince faiblement dopée du premier type de conductivité ; des rainures remplies d'un conducteur entouré d'un isolant s'étendant dans ladite couche mince selon une première direction ; des bandes parallèles du deuxième type de conductivité s'étendant dans ladite couche mince selon une deuxième direction orthogonale à la première direction ; une première électrode sur la face supérieure de la diode formant un contact Schottky avec ladite couche mince ; une deuxième électrode sur la face inférieure de la diode ; et une électrode de commande solidaire dudit matériau conducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat est en silicium et le matériau conducteur est 25 entouré d'oxyde de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les rainures ont une profondeur de l'ordre de 3 à 5 }gym, et les bandes ont une profondeur de l'ordre de 0,5 }gym et sont espacées d'environ 1 }gym. 30 Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un redresseur de type "FORWARD" comprenant deux diodes Schottky telles que ci-dessus, connectées en série et en inverse, la cathode de l'une étant connectée à la grille de l'autre. Thus, an embodiment of the present invention provides a vertical type controlled Schottky diode comprising a highly doped semiconductor substrate of a first conductivity type; a thinly doped thin layer of the first conductivity type; grooves filled with a conductor surrounded by an insulator extending in said thin layer in a first direction; parallel bands of the second conductivity type extending in said thin layer in a second direction orthogonal to the first direction; a first electrode on the upper face of the diode forming a Schottky contact with said thin layer; a second electrode on the underside of the diode; and a control electrode integral with said conductive material. According to one embodiment of the present invention, the substrate is silicon and the conductive material is surrounded by silicon oxide. According to one embodiment of the present invention, the grooves have a depth of the order of 3 to 5 μm, and the strips have a depth of about 0.5 μm and are spaced apart by about 1 μm. Fitness. One embodiment of the present invention provides a "FORWARD" rectifier comprising two Schottky diodes as above, connected in series and in reverse, the cathode of one being connected to the gate of the other.

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Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 5 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, représente schématiquement le secondaire d'une alimentation de type FORWARD ; la figure 2, décrite précédemment, est une vue en coupe et en perspective d'un exemple de diode Schottky contrôlée selon l'état de la technique ; la figure 3 représente le secondaire d'une alimentation de type FORWARD utilisant des diodes Schottky contrôlées ; et la figure 4 est une vue en coupe et en perspective 15 illustrant une diode Schottky contrôlée selon un mode de réalisation de la présente invention. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des campo- 20 sants semiconducteurs, les figures 2 et 4 ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 3 représente un schéma du secondaire d'une alimentation de type FORWARD, similaire à celui de la figure 1, 25 mais dans lequel les diodes Dl et D2 sont remplacées par des diodes contrôlées CD2 et CD1. La grille de la diode CD2 est reliée à la cathode de la diode CD1 et la grille de la diode CD1 est reliée à la cathode de la diode CD2. Ainsi, quand l'une des diodes CD2 ou CD1 est en direct, sa grille est reliée à un 30 potentiel fortement positif par rapport à celui de sa cathode, et l'autre diode est en inverse, sa grille étant reliée à un potentiel fortement négatif par rapport à celui de sa cathode. Un avantage de ce schéma est qu'il est autocontrôlé. Il n'est pas nécessaire de prévoir de circuit de contrôle externe. La 35 simple connexion illustrée permet d'obtenir l'effet recherché. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following description of particular non-limiting embodiments in connection with the accompanying drawings in which: FIG. previously, schematically represents the secondary of a FORWARD-type power supply; FIG. 2, previously described, is a sectional perspective view of an example of a Schottky diode controlled according to the state of the art; FIG. 3 represents the secondary of a FORWARD type power supply using controlled Schottky diodes; and Fig. 4 is a sectional and perspective view illustrating a controlled Schottky diode according to one embodiment of the present invention. For the sake of clarity, the same elements have been designated by the same references in the various figures and, moreover, as is customary in the representation of the semiconducting resistors, FIGS. 2 and 4 are not plotted in FIG. ladder. DETAILED DESCRIPTION FIG. 3 represents a diagram of the secondary of a FORWARD type power supply, similar to that of FIG. 1, but in which diodes D1 and D2 are replaced by controlled diodes CD2 and CD1. The gate of the diode CD2 is connected to the cathode of the diode CD1 and the gate of the diode CD1 is connected to the cathode of the diode CD2. Thus, when one of the diodes CD2 or CD1 is live, its gate is connected to a highly positive potential with respect to that of its cathode, and the other diode is in inverse, its gate being connected to a potential strongly negative in relation to that of its cathode. An advantage of this scheme is that it is self-controlled. It is not necessary to provide an external control circuit. The single connection illustrated illustrates the desired effect.

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6 Toutefois, l'utilisation de diodes Schottky du type de celle illustrée en figure 2 est problématique pour des tensions VAC élevées. En effet, comme on l'a indiqué précédemment, la couche d'isolement de grille doit alors être épaisse, conduisant à l'inefficacité de la grille pour limiter le courant de fuite en inverse. Ainsi, on prévoit ici, pour ce type de montage, d'utiliser une diode Schottky contrôlée, modifiée de la façon illustrée en figure 4 pour devenir une diode contrôlée Schottky/bipolaire. En figure 4, les mêmes éléments qu'en figure 2 sont désignés par de mêmes références. On a omis en figure 4, par souci de clarté, de représenter la couche de contact Schottky 5 et la couche d'électrode supérieure d'anode A. En plus des éléments représentés en figure 2, la diode de la figure 4 comprend, dans la couche épitaxiée 1 faiblement dopée de type N, des bandes 11 parallèles entre elles et dopées de type P. Ces bandes s'étendent selon une direction sensible-ment orthogonale aux rainures contenant les conducteurs de grille 7. However, the use of Schottky diodes of the type illustrated in FIG. 2 is problematic for high VAC voltages. Indeed, as indicated above, the gate insulation layer must then be thick, leading to the inefficiency of the gate to limit the leakage current in reverse. Thus, it is provided here for this type of assembly, to use a controlled Schottky diode, modified in the manner illustrated in Figure 4 to become a Schottky / bipolar controlled diode. In Figure 4, the same elements as in Figure 2 are designated by the same references. For the sake of clarity, FIG. 4 omits representing the Schottky contact layer 5 and the upper anode electrode layer A. In addition to the elements represented in FIG. 2, the diode of FIG. the N-type slightly doped epitaxial layer 1, P-doped and P-doped strips 11. These strips extend in a direction substantially orthogonal to the grooves containing the gate conductors 7.

En direct, la diode de la figure 4 fonctionne sensiblement comme la diode de la figure 2. Quand la diode est polarisée à l'état passant et que les conducteurs 7 sont polarisés positivement, la conductivité de la région 10 entre les rainures augmente du fait de l'enrichissement résultant de la polarisa- tion positive des conducteurs 7. C'est dans le fonctionnement en inverse que la diode de la figure 4 présente un avantage important par rapport à celle de la figure 2. En effet, dans les régions 13 situées entre les bandes 11, il se produit un appauvrissement (une désertion), c'est-à-dire que la zone N apparaît comme beaucoup moins dopée et vide de porteurs dans cette région 13. C'est cette désertion dans ces régions 13 qui "protège" la diode Schottky en inverse contre les courants de fuite sans que la grille ait à intervenir. On notera que les régions désignées par B10741 - 10-T0-1097 Directly, the diode of FIG. 4 operates substantially like the diode of FIG. 2. When the diode is biased in the on state and the conductors 7 are positively polarized, the conductivity of the region 10 between the grooves increases because It is in the inverse operation that the diode of FIG. 4 has a significant advantage over that of FIG. 2. In fact, in the regions 13 between the bands 11, there is an impoverishment (a desertion), that is to say that the zone N appears as much less doped and empty of carriers in this region 13. It is this desertion in these regions 13 which "protects" the Schottky diode in reverse against leakage currents without the grid having to intervene. It should be noted that the regions designated by B10741 - 10-T0-1097

7 les références 13 et 10 sont incluses dans une seule et même partie de la couche 1. En conclusion, dans la diode de la figure 4, pour la conduction en direct, la polarisation négative de la grille amé- liore la conduction, tandis que, en inverse, ce sont les bandes P qui agissent pour déserter les régions 13 et la grille ne sert alors qu'à obtenir la tenue en tension souhaitée. A titre d'exemple d'ordres de grandeur, pour une diode Schottky destinée à supporter une tension inverse de l'ordre de 10 100 volts l'épaisseur de la couche épitaxiée 1 pourra être de l'ordre de 8 }gym, les régions conductrices 7 pourront avoir une largeur de l'ordre de 3 }gym et une profondeur de l'ordre de 3 à 5 }gym, et 15 être espacées d'environ 1,5 }gym, la couche d'oxyde de silicium 9 pourra avoir une épaisseur de l'ordre de 0,8 }gym, les bandes 11 de type P pourront avoir une largeur de l'ordre de 1 }gym et une profondeur de l'ordre de 0,5 }gym, et être espa-20 cées d'environ 1 }gym. Ainsi, une diode contrôlée Schottky/bipolaire du type de celle de la figure 4 pourra présenter, pour les mêmes perfor- mances en direct et en tension inverse, des courants de fuite 5 fois inférieurs à ceux observés avec une diode telle que celle 25 de la figure 2 ayant les mêmes dimensions. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, tous les types de conductivité et les polarisations pourront être inversés. De 30 même les dimensions des divers éléments pourront être adaptées aux conditions d'utilisation désirées. Enfin, bien qu'un seul exemple de circuit d'utilisation ait été décrit, il sera clair que les diodes contrôlées Schottky/bipolaire décrites ici pourront être utilisées dans de nombreuses applications dans 35 lesquelles on cherche à obtenir une diode à chute de tension en B10741 - 10-T0-1097 References 13 and 10 are included in a single part of layer 1. In conclusion, in the diode of FIG. 4, for forward conduction, the negative bias of the gate improves conduction, while , conversely, it is the P bands that act to desert the regions 13 and the grid is then used only to obtain the desired voltage withstand. By way of example of orders of magnitude, for a Schottky diode intended to withstand a reverse voltage of the order of 100 volts, the thickness of the epitaxial layer 1 may be of the order of 8 μm. The conductors 7 may have a width of the order of 3 μm and a depth of the order of 3 to 5 μm, and be spaced apart by about 1.5 μm, the silicon oxide layer 9 being able to having a thickness of the order of 0.8 μm, the P-type strips 11 may have a width of the order of 1 μm and a depth of the order of 0.5 μm, and be 20 cés of about 1} gym. Thus, a Schottky / bipolar controlled diode of the type of that of FIG. 4 can exhibit, for the same performances in direct and in reverse voltage, leakage currents 5 times lower than those observed with a diode such as that of FIG. Figure 2 having the same dimensions. Particular embodiments of the present invention have been described. Various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. In particular, all types of conductivity and polarizations can be reversed. Even the dimensions of the various elements can be adapted to the desired conditions of use. Finally, although only one example of a usage circuit has been described, it will be clear that the Schottky / Bipolar Controlled Diodes described herein can be used in many applications in which a voltage drop diode is sought. B10741 - 10-T0-1097

8 direct aussi faible que possible, présentant une tension de claquage élevée en inverse et un faible courant de fuite en inverse. 8 direct as low as possible, having a high reverse breakdown voltage and a low reverse leakage current.

Claims

REVENDICATIONS1. A vertical type controlled Schottky diode comprising: a highly doped semiconductor substrate (3) of a first conductivity type; a lightly doped thin layer (1) of the first conductivity type; grooves filled with a conductor (7) surrounded by an insulator (9) extending in said thin layer in a first direction; parallel strips (11) of the second conductivity type extending in said thin layer in a second direction orthogonal to the first direction; a first electrode (A-5) on the upper face of the diode forming a Schottky contact with said thin layer; a second electrode (K) on the underside of the diode; and a control electrode integral with said conductive material (7).

The controlled Schottky diode according to claim 1, wherein the substrate is silicon and the conductive material (7) is surrounded by silicon oxide (9).

3. Schottky diode according to claim 1 or 2, wherein the grooves have a depth of the order of 3 to 5 μm, and the strips (11) have a depth of the order of 0.5 μm and 25 μm. are spaced about 1} gym.

4. Rectifier type "FORWARD" comprising two Schottky diodes according to any one of claims 1 to 3, connected in series and in reverse, the cathode of one being connected to the gate of the other.