eng
Выпуск #7/2018
Н. Брюхно, В. Громов, И. Куфтов, М. Степанов, А. Фроликова
Отечественные карбидокремниевые диоды Шоттки на токи до 10 А и напряжения 1 200 В
Отечественные карбидокремниевые диоды Шоттки на токи до 10 А и напряжения 1 200 В
Просмотры: 2510
В ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» в г. Брянске выпускаются карбидокремниевые диоды Шоттки на коммутируемые токи 2, 5, 10 А и напряжения 1 200 В. Рассмотрены особенности конструкции, технологии. Приведены основные параметры карбидокремниевых диодов Шоттки в диапазоне температур от –60 до 125 °С.
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.178.7.80.82
УДК 621.382.2 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.178.7.80.82
УДК 621.382.2 | ВАК 05.27.00
Теги: forward current reverse voltage schottky diode silicon carbide диод шоттки карбид кремния обратное напряжение прямой ток
Коммерческие карбидокремниевые диоды Шоттки импортного производства в отечественной промышленности широко применяются на протяжении более десяти лет. В ФГБУН «ФТИ им. А. Ф.[1]Иоффе» в г. Санкт-Петербурге в 2009 году были предложены конструктивно-технологическое решение диода Шоттки и лабораторная технология его изготовления на основе эпитаксиальных структур карбида кремния размером 20 Ч 20 мм [1, 2]. В рамках совместных работ ФГБУН «ФТИ им. А. Ф. Иоффе» и ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» специалисты адаптировали конструкцию и технологию к условиям серийного производства на эпитаксиальных пластинах диаметром 100 мм. В результате было налажено серийное производство диодов с коммутирующим напряжением 1 200 В и током 1 А.
В ходе серийного производства диодов 5ДШ402 была сформирована карбидокремниевая технологическая линейка, решен ряд технических проблем, которые сдерживали развитие карбидокремниевого направления.
Так, например, при напряжении 1 000 В ширина обедненных областей составляет примерно 10 мкм, что осложняет выбор конструктивно-технологического решения диодов, повышающих напряжение пробоя. В конструктивно-технологическом варианте с делительными плавающими кольцами [3] важно тщательно контролировать зазоры между кольцами и концентрацию примеси в эпитаксиальном слое карбида кремния, а в случае применения слаболегированных широких JTE-колец для уменьшения напряженности электрического поля на поверхности [4] необходимо точно выдерживать дозу легирования при их формировании.
В результате исследований [5] и анализа опыта серийного производства диодов Шоттки был выбран вариант совместного применения делительных и JTE-колец [6], что позволило предприятию в рамках научно-технических работ в 2016–2019 годы разработать карбидокремниевый диод Шоттки на коммутируемые токи до 10 А.
Делительные и JTE-кольца изготавливались путем имплантации ионов бора с энергией до 350 кэВ через поликремниевую маску, сформированную посредством контактной фотолитографии. Отжиг имплантированных слоев осуществлялся в вертикальной вакуумной ВЧ-печи типа «Ника», омический контакт к подложке формировался путем напыления никеля и термообработки в вакууме, контакт Шоттки формировался с использованием взрывной фотолитографии пленки титана, полученной посредством электронно-лучевого напыления на установке «Оратория‑9» [7]. Для уменьшения последовательного сопротивления подложки проводилось ее утонение путем полировки до толщины 250–300 мкм. Рабочая поверхность кристалла диода защищалась пленкой полиимида толщиной 6 мкм [8].
В соответствии с конструктивно-технологическим решением и проектными нормами были разработаны три топологии кристалла. Контакт Шоттки на кристаллах включает в себя JBS-структуру [9], которая снижает обратные токи диодов при обратном смещении и повышает надежность диодов при работе в прямом направлении за счет отрицательной обратной связи в перегретых участках топологии диода. В зависимости от требуемого рабочего тока площадь активной части кристалла масштабировалась. Для исключения утечек между выводами диода при монтаже на платы были разработаны два металлополимерных корпуса КТ‑89-2 и КТ‑28-1 с увеличенными в 2,5 раза зазорами между выводами.
Данные по типономиналам диодов Шоттки на коммутируемые токи 2, 5, 10 А приведены в таблице.
Следует отметить, что все диоды выдерживают высокие скорости нарастания обратного напряжения – более 200 В / нс. Топология кристалла приведена на рис. 1, а на рис. 2 – основные корпусные варианты исполнения диодов Шоттки.
Основные параметры карбидокремниевых диодов Шоттки в диапазоне температур от минус 60 до 125 °С приведены на рис. 3–6. Как видно из рисунков, положительный температурный коэффициент прямого напряжения диодов позволяет включать диоды параллельно без дополнительных выравнивающих элементов.
В настоящее время ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» разрабатывает многокристальные сборки и модули на полученных кристаллах карбидокремниевых диодов Шоттки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ № 2390880. МПК H01L 29 / 872 Интегрированный Шоттки–p-n диод на основе карбида кремния / Грехов И. В., Иванов П. А. и др. Заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Мегаимпульс». № 2009120423 / 28. Заявлено 25.05.2009. Опубликовано 27.05.2010.
2. П. А. Иванов и др. Экспериментальные диоды Шоттки–p-n (JBS-диоды) на основе 4H-SiC // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43 № 2. С. 1249–1252.
3. П. А. Иванов и др. Высоковольтные (1800 В) планарные p-n-переходы на основе 4H-SiC с плавающими охранными кольцами // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. № 4. С. 527–530.
4. Pйrez R., Mestres N., Jorda X., Godingnon P., Pascual J. Optimisation of junction termination extension for the development of a 2000 V planar 4H–SiC diode. Diam Relat Mater 2003.12:1231–1235.
5. Панченко П. В., Малаханов А. А., Рыбалка С. Б., Радьков А. В. Моделирование вольт-амперных характеристик диода Шоттки на основе карбида кремния Ti / 4H-SiC // Журнал радиоэлектроники. ISSN1684–1719. № 8. 2016.
6. Патент РФ № 1654463. МПК H01L 29 / 861 Высоковольтный диод на основе карбида кремния / Брюхно Н. А., Куфтов И. В., Степанов М. В. Заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ». № 2016109360 / 28. Заявлено 15.03.2016. Опубликовано 20.10.2016.
7. Куфтов И. В., Некрасова М. Ю. Особенности технологии силовых полупроводниковых приборов на карбиде кремния: диод Шоттки // Электронные средства и системы управления. 2013. № 2. С. 125–128.
8. Патент РФ № 169376. МПК H01L 29 / 872 Защитное покрытие полупроводникового прибора на основе карбида кремния / Брюхно Н. А., Куфтов И. В., Фроликова А. Ю., заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ». № 2016142150. Заявлено 26.10.2016. Опубликовано 16.03.2017.
9. Ток утечки в 4H-SiC диодах Шоттки с интегрированной Шоттки–p-n структурой // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. № 3. С. 411–415.
В ходе серийного производства диодов 5ДШ402 была сформирована карбидокремниевая технологическая линейка, решен ряд технических проблем, которые сдерживали развитие карбидокремниевого направления.
Так, например, при напряжении 1 000 В ширина обедненных областей составляет примерно 10 мкм, что осложняет выбор конструктивно-технологического решения диодов, повышающих напряжение пробоя. В конструктивно-технологическом варианте с делительными плавающими кольцами [3] важно тщательно контролировать зазоры между кольцами и концентрацию примеси в эпитаксиальном слое карбида кремния, а в случае применения слаболегированных широких JTE-колец для уменьшения напряженности электрического поля на поверхности [4] необходимо точно выдерживать дозу легирования при их формировании.
В результате исследований [5] и анализа опыта серийного производства диодов Шоттки был выбран вариант совместного применения делительных и JTE-колец [6], что позволило предприятию в рамках научно-технических работ в 2016–2019 годы разработать карбидокремниевый диод Шоттки на коммутируемые токи до 10 А.
Делительные и JTE-кольца изготавливались путем имплантации ионов бора с энергией до 350 кэВ через поликремниевую маску, сформированную посредством контактной фотолитографии. Отжиг имплантированных слоев осуществлялся в вертикальной вакуумной ВЧ-печи типа «Ника», омический контакт к подложке формировался путем напыления никеля и термообработки в вакууме, контакт Шоттки формировался с использованием взрывной фотолитографии пленки титана, полученной посредством электронно-лучевого напыления на установке «Оратория‑9» [7]. Для уменьшения последовательного сопротивления подложки проводилось ее утонение путем полировки до толщины 250–300 мкм. Рабочая поверхность кристалла диода защищалась пленкой полиимида толщиной 6 мкм [8].
В соответствии с конструктивно-технологическим решением и проектными нормами были разработаны три топологии кристалла. Контакт Шоттки на кристаллах включает в себя JBS-структуру [9], которая снижает обратные токи диодов при обратном смещении и повышает надежность диодов при работе в прямом направлении за счет отрицательной обратной связи в перегретых участках топологии диода. В зависимости от требуемого рабочего тока площадь активной части кристалла масштабировалась. Для исключения утечек между выводами диода при монтаже на платы были разработаны два металлополимерных корпуса КТ‑89-2 и КТ‑28-1 с увеличенными в 2,5 раза зазорами между выводами.
Данные по типономиналам диодов Шоттки на коммутируемые токи 2, 5, 10 А приведены в таблице.
Следует отметить, что все диоды выдерживают высокие скорости нарастания обратного напряжения – более 200 В / нс. Топология кристалла приведена на рис. 1, а на рис. 2 – основные корпусные варианты исполнения диодов Шоттки.
Основные параметры карбидокремниевых диодов Шоттки в диапазоне температур от минус 60 до 125 °С приведены на рис. 3–6. Как видно из рисунков, положительный температурный коэффициент прямого напряжения диодов позволяет включать диоды параллельно без дополнительных выравнивающих элементов.
В настоящее время ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» разрабатывает многокристальные сборки и модули на полученных кристаллах карбидокремниевых диодов Шоттки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ № 2390880. МПК H01L 29 / 872 Интегрированный Шоттки–p-n диод на основе карбида кремния / Грехов И. В., Иванов П. А. и др. Заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Мегаимпульс». № 2009120423 / 28. Заявлено 25.05.2009. Опубликовано 27.05.2010.
2. П. А. Иванов и др. Экспериментальные диоды Шоттки–p-n (JBS-диоды) на основе 4H-SiC // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43 № 2. С. 1249–1252.
3. П. А. Иванов и др. Высоковольтные (1800 В) планарные p-n-переходы на основе 4H-SiC с плавающими охранными кольцами // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. № 4. С. 527–530.
4. Pйrez R., Mestres N., Jorda X., Godingnon P., Pascual J. Optimisation of junction termination extension for the development of a 2000 V planar 4H–SiC diode. Diam Relat Mater 2003.12:1231–1235.
5. Панченко П. В., Малаханов А. А., Рыбалка С. Б., Радьков А. В. Моделирование вольт-амперных характеристик диода Шоттки на основе карбида кремния Ti / 4H-SiC // Журнал радиоэлектроники. ISSN1684–1719. № 8. 2016.
6. Патент РФ № 1654463. МПК H01L 29 / 861 Высоковольтный диод на основе карбида кремния / Брюхно Н. А., Куфтов И. В., Степанов М. В. Заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ». № 2016109360 / 28. Заявлено 15.03.2016. Опубликовано 20.10.2016.
7. Куфтов И. В., Некрасова М. Ю. Особенности технологии силовых полупроводниковых приборов на карбиде кремния: диод Шоттки // Электронные средства и системы управления. 2013. № 2. С. 125–128.
8. Патент РФ № 169376. МПК H01L 29 / 872 Защитное покрытие полупроводникового прибора на основе карбида кремния / Брюхно Н. А., Куфтов И. В., Фроликова А. Ю., заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ». № 2016142150. Заявлено 26.10.2016. Опубликовано 16.03.2017.
9. Ток утечки в 4H-SiC диодах Шоттки с интегрированной Шоттки–p-n структурой // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. № 3. С. 411–415.
Отзывы читателей
