SE515494C2 - Högspänningshalvledaranordning och förfarande för tillverkning av ett passiveringsskikt på en högspänningshalvledaranordning - Google Patents

Description

25 30 35 515 494 2 Passiveringstekniker som används på andra halvledar- material innefattar anbringande av ett oxidskikt på an- ordningens yta. Det är emellertid inte möjligt att an- vända oxider som passivering pà diamantanordningar då vanlig oxidering av ytan ger upphov till koloxid eller koldioxid vilka båda är gaser vid rumstemperatur.

Det är svårt att tillverka pn-övergångar av diamant pga problemet med att hitta lämpliga grunda n-dopämnen för diamant. Fotokonduktiva omkopplare har föreslagits som ett alternativ till diamantanordningar. Sådana an- ordningar ställer ytterligare krav pà passiverings- materialet eftersom det, förutom att vara kemiskt stabilt, också måste vara transparent för det ljus som skall användas för att koppla om anordningen.

För lågspänningstillämpningar har det föreslagits att MIS-strukturer kan användas och en studie av ytkemin hos en sådan anordning har gjorts av Young Yun et al, J. Appl. Phys, 82, 3422 att syre är ett gift för diamant. (1997). Young Yun et al uppger Strukturen hos den anordning som visas av Young et al är emellertid inte möjlig att använda för högspänningstillämpningar. Vidare nämns ingenting i Young et al om problemet med spän- ningsgenombrott vid diamantanordningar för högspänning.

Sammanfattningsvis finns ett behov av ett förfarande för att minimera risken för spänningsgenombrott vid kanten av en högspänningsdiamantanordning och för att tillhandahålla en vertikal diamantanordning, vid vilken risken för spänningsgenombrott över kanten är minimerad.

Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en vertikal högspänningsdiamantanordning vid vilken risken för spänningsgenombrott över komponen- tens kant av är minimerad.

Ett ytterligare ändamål med den föreliggande uppfin- ningen är att tillhandahålla en högspänningsdiamantanord- ning vid vilken eventuella läckströmmar över kanten är minimerade. 10 15 20 25 30 35 515 494 3 Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en högspänningsdiamantanordning med L._....J t ““““““““““““ "^“'“* som tillhandahåller ett långvarigt ett passiveiingsskikt skydd för anordningen. Ännu ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en fotokonduktiv omkopplare av diamant för högspänning med ett passiveringsskikt som är transparent för ljus av lämplig våglängd.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en metod för tillverkning av en vertikal högspänningsdiamantanordning vid vilken risken för spänningsgenombrott över kanten är minimerad.

Enligt uppfinningen uppnås dessa ändamål med en an- ordning och ett förfarande som beskrivs i de bifogade patentkraven.

En högspänningshalvledaranordning enligt föreliggan- de uppfinning innefattar två anslutningar anordnade på motsatta sidor av och förbundna av ett fast skikt inne- fattande åtminstone ett första diamantskikt, varvid nämnda anordning är kapabel att blockera en spänning i åtminstone en riktning av en spänning som anbringats över dess anslutningar. Åtminstone en ytdel av diamantskiktet mellan anslutningarna är avslutat, varvid avslutningen är sådan att Fermi-nivån vid anordningens yta är åtminstone 0,3 eV över valensbandet och åtminstone 0,3 eV under led- ningsbandet, varvid nämnda ytdel omger anordningen mellan anslutningarna, för att reducera läckströmmen mellan an- slutningarna längs anordningens yta då en högspänning anbringas över anslutningarna.

Betydelsen av uttrycket avslutning är att ytan är försedd med en speciell typ av atomer.

Uppfinnarna har överraskande upptäckt att det är mycket fördelaktigt att ha en syreavslutad yta för att minimera eventuella låckströmmar på anordningens yta. För att minimera ytladdningen är det således inte fördel- aktigt att ha t ex en väteavslutad yta. Med en syreav- 10 15 20 25 30 35 515 494 4 slutad yta minimeras fria ytladdningar i form av hål pga bandböjningen vid anordningens yta.

Enligt uppfinningen utförs avslutningen till en sådan grad att ytladdningstätheten blir väsentligt redu- cerad jämfört med en väteavslutad yta.

Företrädesvis är diamantytans syreavslutning utförd till en sådan grad att yttillståndstätheten är lägre än 10”/cm? och företrädesvis 10”/cmz.

Avslutningen är företrädesvis utförd till en sådan grad att Fermi-nivån är mer än 0,5 eV över valensbandet och mer än 0,5 eV under ledningsbandet, och mest före- draget mer än 1,0 eV över valensbandet och mer än 1,0 eV under ledningsbandet.

Det är fördelaktigt att avsluta diamantytan till en sådan grad att en stor del av platserna på diamantytan är besatta av en syreatom. Young Yun et al, J. Appl. Phys, 82, 3422 (1997) antyder att syreavslutning ger upphov till en Fermi-nivå som är fast vid ungefär 1,7 eV över valensbandet. En sådan Fermi-nivå ger upphov till en yt- laddningstäthet långt under 10”/cmz.

Ytavslutningen kan användas på vilken typ av vertikal högspänningsanordning som helst. En föredragen typ av diamantanordning är anpassad för omkoppling mellan ett strömledande tillstånd och tillstånd vid vilket transport av laddningsbàrare mellan nämnda anslutningar blockeras då en spänning anbringas däröver, och det första skiktet är anordnat att göra anordningen ledande, vid bestràlning som ger upphov till fria laddningsbàrare däri, i åtminstone en riktning av en spänning som an- bringas över nämnda anslutningar. En anordning av den här typen är också känd som en fotokonduktiv omkopplare.

Enligt den föreliggande uppfinningen kan emellertid ett fast skikt innefatta ett n-dopat diamantskikt och ett p-dopat diamantskikt vilka utgör en pn-övergång, eller innefatta en pinstruktur.

Det är föredraget att åtminstone den syreavslutade delen av anordningens diamantyta är täckt med en fast 10 15 20 25 30 35 515 494 5 oorganisk fluorid. Fluoridskiktet skyddar anordningens yta. Fluoridskiktet har ett stort bandgap vilket gör det . W “ . v". c: tïauS-yax. :nt Lux. ljus av den våglängd som används för att excitera laddningsbärarna. Detta är fördelaktigt i de fall då anordningen är en fotokonduktiv omkopplare.

Det fasta oorganiska fluoridskiktet är företrädesvis en av fluoriderna CaF2, MgF och SrF2 då dessa är stabila och icke-giftiga.

En metod enligt föreliggande uppfinning för till- verkning av ett passiveringsskikt på en högspännings- halvledaranordning vilken innefattar två anslutningar som är förbundna av ett fast skikt varvid nämnda skikt inne- fattar àtminstone ett diamantskikt, varvid nämnda anord- ning är kapabel att blockera en spänning i åtminstone en riktning över dess anslutningar, innefattar stegen att tillhandahålla en anordning som har två anslutningar, vilka är förbundna av ett fast skikt innefattande åt- minstone ett diamantskikt och att exponera anordningen för syreatomer eller syrejoner, att syreavsluta ytan av anordningens diamantskikt.

För att åstadkomma en högkvalitativ avslutning hettas anordningen upp till åtminstone 200°C i en atmos- fär innehållande syre. En avslutning enligt uppfinningen kan emellertid åstadkommas vid lägre temperaturer.

Alternativt kan avslutningen åstadkommas genom att användaiett syreplasma. Således etsas samtidigt eventu- ella föroreningar bort.

Företrädesvis innehåller den syreinnehållande gasen väsentligen inget väte.

Företrädesvis är den syreinnehållande gasen rent syre men kan vara en blandning innefattande syre, och en inert gas.

Metoden enligt de föreliggande uppfinning innefattar med fördel också steget att anbringa ett fast fluorid- skikt efter behandlingen i syreatmosfären.

Anbringandet av fluoridskiktet kan utföras före syrebehandlingen. Kvaliteten hos syreavslutningen blir 10 15 20 25 30 35 515 494 6 emellertid överlägsen om den anbringas före fluorid- skiktet.

En föredragen metod för anbringande av fluorid- skiktet är att använda termisk avdunstning av fluoriden dà detta är billigt och snabbt. Andra tekniker innefattar epitaxiella tekniker.

Det behöver inte nämnas att de ovan beskrivna sär- dragen kan kombineras i samma utföringsform.

För att ytterligare illustrera uppfinningen kommer nu detaljerade utföringsformer att beskrivas utan att uppfinningen är begränsad därtill.

Kort beskrivning av ritningarna Fig l visar en fotokonduktiv omkopplare enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig 2 visar en pn-diod enligt en föredragen ut- föringsform av föreliggande uppfinning.

Pig 3 visar en anordning enligt en alternativ ut- föringsform av föreliggande uppfinning.

Detalierad beskrivning av föredragna utföringsformer Fig 1 är ett tvärsnitt av en fotokonduktiv omkopp- lare l enligt en utföringsform av föreliggande uppfin- ning. Omkopplaren har ett första skikt l av intrinsisk diamant (intrinsic diamond). Motsatta sidor av det första skiktet är täckta med ett första metallskikt 2 och ett andra metallskikt 3 som anslutningar pà anordningen.

Kantytan 4 hos det första skiktet l, mellan metallagren 2, 3, är avslutat med syre, dvs syreatomer är bundna till kolatomerna vid ytan pà diamantskiktet. Pà grund av syre- avslutningen är yttillstàndstätheten làg och således är också läckströmmen vid ytan liten när en hög spänning an- bringas över metallskikten. Kantytan är täckt med ett skikt 5 av MgF för att skydda diamantens yta. MgF är transparent för ljus vid en våglängd motsvarande band- gapet hos diamant.

Fig 2 är ett tvärsnitt av en högspänningsdiamant- anordning enligt en föredragen utföringsform av före- liggande uppfinning. Anordningen innefattar ett första 10 15 20 25 '30 35 515 494 7 intrinsiskt diamantskikt 6 och ett andra n-dopat diamant- skikt 7 och ett tredje p-dopat diamantskikt 8. Det andra n-dopade diamantskiktet och det tredje p-dopade diamant- skiktet är dopade med djupt liggande donatorer respektive acceptorer. Exciteringsljusets vàglängd mäste stämma överens med exciteringsenergin för donatorerna respektive acceptorerna. Ett första metallskikt 9 och ett andra metallskikt 10 är anordnade pà sidan av det första och andra dopade skiktet motstäende det första diamantskiktet 6. Kantytan 11 hos det första skiktet 6, mellan metall- skikten 9, bundna till kolatomerna vid diamantskiktets yta. Kantytan är täckt med ett skikt 12 av MgF för att skydda diaman- 10, är avslutat med syre, dvs syreatomer är tens yta. MgF är transparent för ljus vid en våglängd motsvarande bandgapet i diamant.

Anordningar enligt de beskrivna utföringsformerna kan tillverkas utgående fràn ett odopat diamantsubstrat l, 6. skikten 7 och 8 epitaxiellt pà motsatta sidor av det I fall med anordningen enligt fig 2 odlas de dopade första skiktet. Därefter anbringas metallskikten 2, 3, 9, 10 pà motsatta sidor av det första skiktet med konventio- nella metoder. Sedan oxideras anordningen i en syreatmos- fär vid 200°C. Slutligen anbringas MgF pà anordningens kant genom termisk föràngning för att skydda diamantytan.

Fig 3 är ett tvärsnitt av en anordning enligt en alternativ utföringsform av föreliggande uppfinning.

Anordningen innefattar ett första p-dopat skikt 13 och ett andra n-dopat skikt 14, vilka skikt utgör en pn- -övergàng. Ett första metallskikt 15 står i kontakt med det p-dopade skiktet 13 och ett andra metallskikt 16 står i kontakt med det n-dopade skiktet 14. Ytdelen 17 mellan metallskikten är syreavslutad. Således minimeras läck- strömmen vid anordningens yta.

Utföringsformerna ovan är schematiskt beskrivna i syfte att illustrera uppfinningen så enkelt som möjligt.

Vid en användbar anordning anbringas ytterligare ett 515 494 8 passiveringsskikt pà anordningens yta för att minimera risken för spänningsgenombrott.

-C ' _! Upplinni ngen är inte begränsad Lill de utförings- former som beskrivits ovan utan kan modifieras enligt olika aspekter. Anordningarna pä vilka uppfinningen kan tillämpas är således inte begränsade till dioder eller fotokonduktiva omkopplare utan kan tillämpas pà mànga andra diamantanordningar.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 515 494 PATENTKRAV

1. Högspänningshalvledaranordning innefattande två i (2, 3) förbundna av ett fast skikt innefattande åtminstone ett första diamantskikt (1, anslutningar anordnade pà motsatta sidor av och 6), varvid nämnda anordning är kapabel att blockera en spänning i àtminstone en riktning av en spänning som anbringats över dess anslutningar (2, 3), k ä n n e t e c k n a d av att àtminstone en ytdel (4, 11) hos diamantskiktet mellan anslutningarna är av- slutad, varvid avslutningen är sådan att Fermi-nivån hos nämnda ytdel (4, ll, 17) är åtminstone 0,3 eV över va- lensbandet och àtminstone 0,3 eV under ledningsbandet, varvid nämnda ytdel omger anordningen mellan anslut- 10), mellan anslutningarna (2, 3, 9, 10) ningarna (2, 3, 9, för att reducera läckströmmen längs anordningens yta då en högspänning anbringas över anslutningarna.

2. Halvledaranordning enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda ytdel (4, 11, 17) är syre- avslutad.

3. Halvledaranordning enligt krav 1 eller 2, k ä n - n e t e c k n a d av att den är anpassad för omkoppling mellan ett strömledande läge och ett läge då transport av laddningsbärare mellan nämnda anslutningar blockeras vid anbringande av en spänning däröver, och att det första skiktet är anordnat att bringa anordningen att leda en ström vid bestràlning som skapar fria laddningsbärare däri i àtminstone en riktning av en spänning som an- 10).

4. Halvledaranordning enligt krav 1 eller 2, bringats över nämnda anslutningar (2, 3, 9, k ä n- av att det fasta skiktet innefattar (14) (13) vilka utgör en pn-övergång. n e t e c k n a d ett n-dopat diamantskikt skikt och ett p-dopat diamant-

5. Halvledaranordning enligt något av föregående krav, diamantytan (4, 11, 17) k ä n n e t e c k n a d av att avslutningen av är utförd till en sådan grad att 10 15 20 25 30 35 515 494 lO yttillståndstätheten är mindre än 10”/ca? och företrädes- vis mindre än 10”/cm2.

6. Halvledaranordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att Fermi-nivån vid den avslutade ytdelen (4, 11, 17) är väsentligen mer än 0,5 eV över valensbandet och mer än 0,5 eV under led- ningsbandet, och företrädesvis mer än 1,0 eV över valens- bandet och mer än 1,0 eV under ledningsbandet.

7. Halvledaranordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone den avslutade delen av diamantytan hos anordningen är täckt med ett skikt (5, 12) av fast oorganisk fluorid.

8. Halvledaranordning enligt krav 7, k ä n n e - t e c k n a d av att fluoriden är en av fluoriderna CaF2, MgF och SrF,

9. Förfarande för tillverkning av ett passiverings- skikt pà en högspänningshalvledaranordning innefattande två anslutningar (2, 3, 9, 10, 15, 16) anordnade på motsatta sidor av och förbundna av ett fast skikt varvid nämnda fasta skikt innefattar åtminstone ett diamantskikt (1, 6, 7, 8, 13, att blockera en spänning i åtminstone en riktning över 14), varvid nämnda anordning är kapabel dess anslutningar, k ä n n e t e c k n a d av stegen att tillhandahålla en anordning som har två anslut- ningar vilka är förbundna av ett fast skikt innefattande åtminstone ett diamantskikt (1, 6, 7, 8, 13, 14), att exponera anordningen för syrejoner eller atomer för att syreavsluta ytan på anordningens diamantskikt.

10. Förfarande enligt krav 9, k ä n n e t e c k - n a d av att den även innefattar steget att upphetta anordningen till åtminstone 200°C i en atmosfär inne- hållande syre.

11. Förfarande enligt krav 9, k å n n e t e c k - n a d av att anordningen placeras i ett syreplasma för att avsluta diamantytan (4, 11, 17). 515 494 ll

12. Förfarande enligt krav 9, 10 eller ll, k ä n - n e t e c k n a d av att den även innefattar steget att anbringa ett fast fluoridskikt (9, 12).

13. Förfarande enligt krav 12, k ä n n e t e c k - n a d av att anbringandet av fluoridskiktet (9, 12) ut- föres medelst termisk föràngning av fluoriden.