RU2816671C1 - Method of making diamond schottky diode - Google Patents
Method of making diamond schottky diode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816671C1 RU2816671C1 RU2023131763A RU2023131763A RU2816671C1 RU 2816671 C1 RU2816671 C1 RU 2816671C1 RU 2023131763 A RU2023131763 A RU 2023131763A RU 2023131763 A RU2023131763 A RU 2023131763A RU 2816671 C1 RU2816671 C1 RU 2816671C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- substrate
- boron
- doped
- diode
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 69
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 30
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 abstract 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
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.The present invention relates to the field of electronic engineering, in particular to the design and manufacturing technology of semiconductor diodes with a Schottky barrier, and can be used in high-current high-voltage and solid-state high-frequency electronics.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
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:Currently, despite significant advances in silicon electronics, existing silicon-based diodes are not able to meet the growing needs of industry. Based on the combination of the most important parameters for electronic devices, synthetic diamond is one of the most promising wide-gap materials for the following reasons:
- 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;- the value of the critical electric field strength for diamond (10 7 V/cm) exceeds by almost an order of magnitude the corresponding indicators for silicon carbide, which makes it possible to obtain higher blocking voltages;
- большая ширина запрещенной зоны приводит к чрезвычайно малым токам утечки в широком диапазоне рабочих температур;- large band gap leads to extremely low leakage currents over a wide range of operating temperatures;
- высокая теплопроводность снижает тепловое сопротивление кристалла и позволяет уменьшать размеры силовых приборов;- high thermal conductivity reduces the thermal resistance of the crystal and makes it possible to reduce the size of power devices;
- химическая инертность и механическая твердость алмаза позволяет создавать надежные приборы для жестких условий эксплуатации;- the chemical inertness and mechanical hardness of diamond makes it possible to create reliable devices for harsh operating conditions;
- радиационная стойкость алмаза позволяет использовать приборы на его основе в условиях естественного космического и искусственного излучений без применения специальных защитных корпусов.- the radiation resistance of diamond allows the use of devices based on it under conditions of natural cosmic and artificial radiation without the use of special protective housings.
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).There are known methods for manufacturing a semiconductor diode with a Schottky barrier based on an epitaxial layered diamond structure (US patent No. 6833027 B2, IPC C30B 29/04, published 12/21/2004; US patent No. 5352908, IPC H01L 29/48, published 10/04/1994) . When implementing such methods, the following operations are performed. A working substrate of p-type conductivity is prepared from a synthetic diamond single crystal heavily doped with boron. Next, using the chemical vapor deposition method, a layer (film) of lightly doped (or high-purity) single-crystal diamond is formed on one side of the diamond substrate. On the back side of the diamond substrate, an anode is formed in the form of an ohmic contact, for example, using a sublayer of carbide-forming transition metals (titanium, tantalum, molybdenum, vanadium, etc.). A cathode is formed on the grown film of lightly doped diamond in the form of contact with the Schottky barrier, for example, using noble metals (gold, platinum, palladium).
Данные способы позволяют получить диоды с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза с напряжениями пробоя UMAX не более 20-50 В и величиной токов утечки ILEAK более 10 мА. Кроме того, падение напряжения в открытом состоянии UON у подобных диодов составляет десятки вольт, что ограничивает диапазон рабочих прямых токов ION до десятых долей ампер.These methods make it possible to obtain diodes with a Schottky barrier based on synthetic diamond with breakdown voltages U MAX of no more than 20-50 V and leakage currents I LEAK of more than 10 mA. In addition, the voltage drop in the open state of U ON for such diodes is tens of volts, which limits the range of operating direct currents I ON to tenths of amperes.
Недостатки, связанные с низкими напряжениями пробоя UMAX и высокими токами утечки ILEAK, 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 UMAX и уменьшение токов утечки ILEAK 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°.The disadvantages associated with low breakdown voltages U MAX and high leakage currents I LEAK are eliminated by the known method of manufacturing a diode with a Schottky barrier, chosen as a prototype (patent RU 2488912 C2, IPC H01L 21/329, published 07.27.2013). In this known method, a prepared and polished substrate of a synthetic diamond single crystal with a high degree of boron doping is additionally subjected to an ion plasma etching operation to remove a surface layer with a thickness of at least 10 μm before deposition of a diamond film with a low degree of boron doping. After deposition of the diamond film, the resulting epitaxial layered diamond structure is annealed. In this case, the decrease in the diode voltage drop in the forward direction is due to a decrease in the thickness of the transition region near the substrate-film interface and the removal of impurity hydrogen from the structure. An increase in the breakdown voltage U MAX and a decrease in leakage current I LEAK is achieved by forming a protective structure in the form of an expanded electrode with a special profile. To do this, a protective dielectric layer is formed from several layers of dielectrics applied sequentially, differing in the etching rate during the formation of a window using lithography, which leads to the formation of an expanded electrode with an angle of inclination of the electrode wall to the plane of the diamond film of less than 20°.
Это известное техническое решение позволяет создавать диоды Шоттки с различными сочетаниями значений дифференциального сопротивления в открытом состоянии (RON) и напряжениями пробоя (UMAX). Сопротивление в открытом состоянии складывается из сопротивления легированной подложки и сопротивления дрейфового (рабочего) слоя: RON=RSUB+RDRIFT. 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 RDRIFT для заданного (требуемого) UMAX. 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.This known technical solution makes it possible to create Schottky diodes with various combinations of differential on-state resistance values (R ON ) and breakdown voltages (U MAX ). The open resistance is the sum of the resistance of the doped substrate and the resistance of the drift (working) layer: R ON =R SUB +R DRIFT . In this case, by selecting the parameters of the drift layer, it is possible to select the ratio of the thickness w_drift and the doping level of the drift layer B_drift such as to minimize the resistance R DRIFT for a given (required) U MAX . In addition, there are alternative diode designs that can further reduce the voltage drop across the forward drift layer. For example, in the utility model RU174126 U1 MPK: H01L 29/872, the claimed technical solution is to create a diamond diode with a Schottky barrier based on multilayer structures from a synthetic diamond single crystal, characterized by a voltage drop reduced by at least two times when current flows in the forward direction .
Во всех случаях сопротивление подложки RSUB остается неизменным и дает вклад в общее сопротивление в открытом состоянии RON. Для высоко-токовых диодов (плотность тока ION > 20 А/см2 при UON = 4 В и менее) сопротивление подложки становится определяющим. Это приводит к высоким резистивным потерям энергии на диодном элементе в момент протекания прямого тока.In all cases, the substrate resistance R SUB remains unchanged and contributes to the total on-state resistance R ON . For high-current diodes (current density I ON > 20 A/cm 2 at U ON = 4 V or less), the substrate resistance becomes decisive. This leads to high resistive energy losses on the diode element when forward current flows.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в понижении падения напряжения на легированной бором подложке при протекании прямого тока через диод.The problem to be solved by the claimed technical solution is to reduce the voltage drop across a boron-doped substrate when direct current flows through the diode.
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%.This problem is solved in the present invention by the fact that in the method of manufacturing a diamond Schottky diode, including preparing a conductive substrate from a synthetic single crystal of diamond doped with boron by polishing, chemical vapor deposition on one side of the polished substrate of a diamond film with a low degree of boron doping, forming on on the back side of the polished anode substrate in the form of an ohmic contact and the formation of a cathode on the diamond film with a contact in the form of a Schottky barrier, according to the present invention, a diamond plate cut from growth sectors {001} and/or {113} is used as a conducting boron-doped diamond substrate a single crystal of diamond with a cuboctahedral habit, grown by the temperature gradient method at high pressure and temperature in high-pressure apparatuses of the “toroid” type with an average level of boron doping in the range from 10 17 to 10 19 atoms/cm 3 and a degree of compensation of acceptor impurity of no more than 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.In addition, according to one embodiment of the present invention, before forming the ohmic contact, the diamond substrate is further thinned using plasma etching to a thickness of 50 to 5 μm.
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.To produce substrates for diamond Schottky diodes with vertical geometry, bulk boron-doped diamond single crystals are used. During crystal growth using the temperature gradient method at high pressure and temperature (TG-HPHT), doping occurs due to the capture of impurities through the growth faces of the crystal. In this case, the rates of impurity capture are determined by the surface energy and the kinetics of the addition of carbon atoms and impurities on a specific growth face. It is known that at an average level of doping of diamond with boron in the range of 10 17 -10 19 atom/cm 3 , the growth of crystals of cuboctahedral habit occurs (the appearance of the crystal during the entire synthesis contains faces or growth sectors {001}, {113}, {111}) . Studies carried out by the authors of the present invention have shown that the growth sectors {001} and {113} of crystals demonstrate 25 times lower resistivity at room temperature due to a reduced (no more than 1%) degree of compensation of the acceptor impurity (in other words, the degree of compensation of the main impurity by parasitic donor impurities). This is probably due to the fact that the boron/nitrogen capture rate ratio in the {001}, {113} sectors is higher than in the {111} sector. A low degree of compensation leads to a relatively high degree of ionization of the impurity (high concentration of free charge carriers) already at room temperature, which in turn ensures a low resistivity of the diamond plate, no more than 5 Ohm×cm.
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 (ILEAK). 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.During the growth of a homoepitaxial diamond layer, dislocations present in the single-crystal diamond substrate are inevitably inherited into the growing layer. Vertical through dislocations in the homo-epitaxial layer lead to an increase in diode leakage currents ( ILEAK ). In turn, it was found that the growth sectors {001} and {113} of a boron-doped diamond single crystal with a cuboctahedral habit have better crystalline perfection and a lower dislocation concentration.
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.Thus, the present invention is based on the fact that in the manufacture of a Schottky diode, a substrate is used from a synthetic diamond single crystal with low resistivity and high structural perfection, which is achieved through the selection of growth sectors {001}, {113} (regions) of a bulk boron-doped single crystal diamond of cuboctahedral habit, from which the substrate is cut.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:
Фиг. 1 - схема раскроя алмазного легированного монокристалла кубооктаэдрического габитуса для подготовки пластины-подложки, используемой в способе по настоящему изобретению;Fig. 1 is a diagram of cutting a diamond doped single crystal of cuboctahedral habit to prepare the substrate plate used in the method of the present invention;
Фиг. 2 - схема алмазного диода Шоттки, изготовленного способом по настоящему изобретению.Fig. 2 is a diagram of a diamond Schottky diode manufactured by the method of the present invention.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Способ по настоящему изобретению осуществляют следующим образом.The method of the present invention is carried out as follows.
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.A synthetic single crystal of diamond with a cuboctahedral habit is grown using the temperature gradient method at high pressure and temperature in high-pressure toroid-type apparatuses. The average level of boron doping of diamond is from 10 17 to 10 19 atom/cm 3 , and the degree of compensation for the acceptor impurity in diamond is no more than 1%. A diamond plate is cut out from the growth sectors {001} and/or {113} of the grown single crystal 1, which is then used as a conducting boron-doped diamond substrate 2. The cutting diagram for such a single crystal 1 is shown in Fig. 1. The substrate 2 is polished.
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.A diamond film 3 with a low degree of boron doping is applied to one side of the polished substrate 2 using chemical vapor deposition. On the other (reverse) side of the polished substrate 2, an anode is formed in the form of an ohmic contact 4. A cathode 5 with a contact in the form of a Schottky barrier 6 is applied to the diamond film 3.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Пример.Example.
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. Synthetic diamond single crystal 1 cuboctahedral habit type IIb is grown by the temperature gradient method at high pressure and temperature (t=1500°C, p=5.5 GPa) in a Fe-Al-CB growth medium with the necessary addition of boron in a concentration of 4×10 17 atom /cm 3 and the degree of compensation for acceptor impurities is no more than 1%. From the growth sectors {001} and/or {113} of the grown single crystal 1, a plate of crystallographic orientation (001) with dimensions of 4×4 mm is cut out using laser cutting (an automated system with a nanosecond laser). The cut plate is polished on both sides and thinned to a thickness of 0.1-0.2 mm. Polishing is carried out using equipment from Dialit (Israel) for high-quality mechanical grinding and polishing of poly- and single crystals of diamonds. The resulting polished plate is used as a medium-doped single-crystal p+ diamond substrate 2 for the manufacture of a Schottky diode. Such a substrate has a resistivity at room temperature of ρ = 4.7 Ohm×cm. On the surface of the substrate 2, a homoepitaxial single-crystal layer of p-diamond film 3 with a thickness of 6 μm is grown in a device for gas-phase deposition using RF plasma. The boron concentration in the p- layer is 1×10 16 atom/cm 3 . On the opposite surface of the medium-doped p+ substrate, an anode is placed in the form of an ohmic three-layer contact 4 measuring 3.3×3.3 mm (area 0.1 cm 2 ), by sequential vacuum magnetron sputtering of a titanium layer (30 nm, 200 W, 10 min) with annealing at 800°C in vacuum, a platinum layer (50 nm, 100 W, 5 min) and a gold layer (150 nm, 100 W, 5 min). On the surface of a lightly doped layer of p-diamond film 3, by vacuum magnetron sputtering of platinum (50 nm, 150 W, 5 min), a cathode 5 is formed in the form of a metal contact 3.3 × 3.3 mm in size with a Schottky barrier.
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 RON (не менее чем в 2 раза) и, следовательно, снижает прямое падение напряжения UON. 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.The use of a medium-boron-doped substrate 2, cut from the growth sectors {001} and/or {113} of a bulk boron-doped diamond single crystal 1 of cuboctahedral habit, significantly reduces the series resistance of the diode in the on-state R ON (by at least 2 times) and, therefore, reduces the forward voltage drop U ON . In addition, the substrate, cut from the growth sectors {001} and/or {113} of a bulk boron-doped diamond single crystal of cuboctahedral habit, has high crystalline perfection (dislocation concentration 10 2 cm -2 or less). This makes it possible to grow on the specified substrate a homoepitaxial diamond film 3 with high crystalline perfection, which provides reduced leakage currents and increased breakdown voltage of the Schottky diode in the closed state. Taken together, this leads to reduced electrical (ohmic) losses when using a diode in power electrical circuits.
Дополнительного снижения последовательного сопротивления RSUB, 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.An additional reduction in the series resistance R SUB introduced by the boron-doped substrate 1 can be achieved by thinning it. The limit of mechanical polishing of a diamond plate is considered to be 100 microns thick. Further thinning is achieved by plasma etching in a plasma, for example, in a fluorine-containing plasma) to a thickness of 50 to 5 μm.
Алмазный диод с барьером Шоттки, изготовленный способом по настоящему изобретению, характеризуется прямым падением напряжения 4В при протекании прямого тока ION = 10 А, что соответствует плотности тока JON = 100 А/см2. Высокие значения прямого тока достигаются за счет резистивного саморазогрева устройства. Таким образом, достигнуто более чем двукратное увеличение прямого тока при напряжении UON = 4 В по сравнению с алмазным диодом с барьером Шоттки, изготовленным способом по патенту RU 2488912.A diamond Schottky barrier diode manufactured by the method of the present invention has a forward voltage drop of 4 V when a forward current I ON = 10 A flows, which corresponds to a current density J ON = 100 A/cm 2 . High forward current values are achieved due to resistive self-heating of the device. Thus, a more than twofold increase in forward current was achieved at a voltage U ON = 4 V compared to a diamond diode with a Schottky barrier manufactured using the method according to patent RU 2488912.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2816671C1 true RU2816671C1 (en) | 2024-04-03 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6833027B2 (en) * | 2001-09-26 | 2004-12-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method of manufacturing high voltage schottky diamond diodes with low boron doping |
US20120193644A1 (en) * | 2005-01-26 | 2012-08-02 | Apollo Diamond, Inc | Boron-doped diamond semiconductor |
RU2488912C2 (en) * | 2011-07-07 | 2013-07-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ | Method to manufacture schottky diode |
RU174126U1 (en) * | 2016-12-27 | 2017-10-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Diamond Schottky Barrier Diode |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6833027B2 (en) * | 2001-09-26 | 2004-12-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method of manufacturing high voltage schottky diamond diodes with low boron doping |
US20120193644A1 (en) * | 2005-01-26 | 2012-08-02 | Apollo Diamond, Inc | Boron-doped diamond semiconductor |
RU2488912C2 (en) * | 2011-07-07 | 2013-07-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ | Method to manufacture schottky diode |
RU174126U1 (en) * | 2016-12-27 | 2017-10-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Diamond Schottky Barrier Diode |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7037142B2 (en) | diode | |
KR100853991B1 (en) | Bipolar Semiconductor Device and Process for Producing the Same | |
Twitchen et al. | High-voltage single-crystal diamond diodes | |
Bormashov et al. | Thin large area vertical Schottky barrier diamond diodes with low on-resistance made by ion-beam assisted lift-off technique | |
US7507650B2 (en) | Process for producing Schottky junction type semiconductor device | |
WO2010131572A1 (en) | Semiconductor device | |
Foti | Silicon carbide: from amorphous to crystalline material | |
JP4844330B2 (en) | Silicon carbide semiconductor device manufacturing method and silicon carbide semiconductor device | |
EP2221859A1 (en) | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method | |
EP1933386B1 (en) | Process for producing silicon carbide semiconductor device | |
WO2018159350A1 (en) | Schottky barrier diode | |
JP6991503B2 (en) | Schottky barrier diode | |
JP4879507B2 (en) | Bipolar semiconductor device forward voltage recovery method, stacking fault reduction method, and bipolar semiconductor device | |
KR20080096543A (en) | Schottky junction type semiconductor element and method for manufacturing same | |
Lingaparthi et al. | Effects of oxygen annealing of β-Ga2O3 epilayers on the properties of vertical Schottky barrier diodes | |
JP3755904B2 (en) | Diamond rectifier | |
RU2816671C1 (en) | Method of making diamond schottky diode | |
CN110462112B (en) | Silicon carbide substrate, method for producing silicon carbide substrate, and method for producing silicon carbide semiconductor device | |
RU174126U1 (en) | Diamond Schottky Barrier Diode | |
US20040217457A1 (en) | System and method for fabricating diodes | |
Liu et al. | GaN Schottky barrier diodes on free-standing GaN wafer | |
JP2008235767A (en) | Semiconductor element and method of manufacturing the same | |
WO2012050157A1 (en) | Diamond electronic element and process for production thereof | |
JP2007027630A (en) | Bipolar semiconductor device and its manufacturing method | |
CN112382670B (en) | Avalanche diode based on high-purity intrinsic monocrystalline diamond and preparation method |