KR100482845B1 - Silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 두 개의 소자의 연결을 위한 접합 매개물이 불필요하고, 높은 항복 전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 서어지 전류에도 쉽게 파괴되지 않는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure that requires no junction medium for the connection of two devices, can easily implement high breakdown voltage, and is not easily destroyed by surge current.
본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 몸체의 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루는 탄화규소 단결정 기판; 탄화규소 단결정 기판의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층; 및 상부 및 하부 에피탁시층의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층을 포함하여 구성된다.Silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure according to the present invention is located in the center of the body, a silicon carbide single crystal substrate constituting the base material as a target material for manufacturing a semiconductor device; Upper and lower silicon carbide epitaxy layers respectively formed on the upper and lower surfaces of the silicon carbide single crystal substrate and participating in the breakdown voltage; And upper and lower Schottky metal bonding layers respectively formed on surfaces of the upper and lower epitaxy layers and exhibiting silicon carbide and Schottky characteristics and serving as electrodes.
이와 같은 본 발명에 의하면, 한 개의 탄화규소 단결정 기판의 양쪽면에 쇼트키 금속접합층이 각각 형성되어 있는 구조로 되어 있으므로, 한 개의 소자로 두 개의 소자를 잇대어 붙인 것과 동일한 전기적 특성을 발휘할 수 있고, 오믹 접합이 필요하지 않아 제조공정을 줄일 수 있으며, 고장 확률을 낮추고, 높은 항복전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 우수한 서어지 흡수능력을 발휘할 수 있다.According to the present invention, since the Schottky metal bonding layer is formed on each side of one silicon carbide single crystal substrate, the same electrical characteristics as those in which two devices are joined together by one device can be exhibited. In addition, no ohmic junction is required, which reduces the manufacturing process, lowers the probability of failure, facilitates high breakdown voltage, and provides excellent surge absorption capability.
Description
본 발명은 반도체 다이오드 구조체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 한 개의 탄화규소 단결정 기판의 양쪽면에 쇼트키 금속접합층이 각각 형성되어 있는 구조로서, 두 개의 소자의 연결을 위한 금속접합층과 같은 접합 매개물이 불필요하고, 높은 항복 전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 서어지 전류에도 쉽게 파괴되지 않는탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor diode structure, and more particularly to a structure in which a Schottky metal bonding layer is formed on each side of a single silicon carbide single crystal substrate, such as a metal bonding layer for connecting two elements. The invention relates to a silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure that requires no intermediates, can easily implement high breakdown voltages, and is not easily destroyed by surge currents.
일반적으로, 쇼트키 다이오드는 가장 단순한 구조의 반도체로 알려져 있다. 예를 들어 pn 다이오드는 p형 반도체 영역과 n형 반도체 영역의 2가지의 서로 다른 불순물 영역이 필요하며 각각의 영역은 금속 전극과 접합되어 있다. 이에 반해 쇼트키 다이오드는 그 불순물 농도가 낮은 n형 혹은 p형 반도체 영역중 어느 한 가지의 불순물 영역만 있어도 이를 금속과 접합하면 쇼트키 다이오드를 제조할 수 있으며, 이에 따라 가장 간단한 구조의 다이오드라고 할 수 있다.In general, Schottky diodes are known as semiconductors of the simplest structure. For example, a pn diode requires two different impurity regions, a p-type semiconductor region and an n-type semiconductor region, and each region is joined to a metal electrode. In contrast, a Schottky diode can produce a Schottky diode by joining it with a metal even if there is only one impurity region in an n-type or p-type semiconductor region having a low impurity concentration. Can be.
실리콘 쇼트키 다이오드는 제조하기가 용이하다는 장점이 있는 반면에, 그 특성상 200V 이상의 항복 전압을 얻기가 힘들다. 쇼트키 다이오드의 장점을 이용하면서도 높은 항복 전압이 필요한 경우에는 여러 개의 쇼트키 다이오드를 직렬로 연결하여 사용하여야 한다. 따라서, 높은 항복 전압의 쇼트키 다이오드는 여러 개의 쇼트키 다이오드를 금속적인 접합 방법을 통하여 직렬 연결하여 사용하므로, 제조공정이 번거로울 뿐만이 아니라 반도체 자체의 문제 이외에도 금속접합 등의 패키지에 의하여 불량이 발생할 확률이 높다. 특히 서어지 처리를 위해서는 백투백 구조를 사용할 수 있는데 이 또한 별도로 제작된 두 개의 다이오드를 서로 역방향으로 배열하여 패키지하는 방식을 주로 사용하였다.Silicon Schottky diodes have the advantage of being easy to fabricate, while their characteristics make it difficult to achieve breakdown voltages of 200V or more. If you want to take advantage of Schottky diodes and need high breakdown voltages, you should use several Schottky diodes in series. Therefore, since Schottky diodes with high breakdown voltage are used by connecting several Schottky diodes in series through a metallic bonding method, not only is the manufacturing process cumbersome, but also the problem of defects caused by metal bonding or the like in addition to the problems of the semiconductor itself. This is high. In particular, it is possible to use a back-to-back structure for surge treatment. Also, two separate diodes are arranged in a reverse direction and packaged.
한편, 높은 항복 전압을 가진 탄화규소 쇼트키 다이오드에 대하여 많은 연구보고가 있었다. 탄화규소 쇼트키 다이오드는 한 쪽에는 쇼트키 접합 구조를, 다른한 쪽에는 오믹(ohmic) 접합 구조를 가지고 있다. 탄화규소와의 쇼트키 접합을 위하여 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au) 등의 여러 금속을 사용할 수 있는데, 금속의 종류에 따라 순방향 특성과 역방향 특성에서 차이가 있다. 예를 들면, Ti와 탄화규소 간의 쇼트키 접합은 Ni 쇼트키 접합에 비하여 전류밀도가 낮은 영역에서 순방향 전압강하가 작은 특성을 보인다. 특히 기판 배면의 오믹 접합은 특성이 우수한 탄화규소 쇼트키 다이오드를 제작하기 위하여 필수적인데 실리콘계 소자에 비하여 특별한 열처리 기술이 필요하다. 예를 들어, 니켈로 오믹 접합을 형성하려면 탄화규소 기판에 니켈막을 형성한 후 아르곤 분위기에서 950∼1050℃까지 가열한 후 1∼2분 동안 유지하여 오믹 접합을 형성한다. 오믹 접합을 형성하기 위한 고온 급속가열 공정은 탄화규소 쇼트키 다이오드를 제작하는데 있어 기술적인 어려움 중의 하나이다.On the other hand, there have been many reports on silicon carbide Schottky diodes with high breakdown voltage. Silicon carbide Schottky diodes have a Schottky junction structure on one side and an ohmic junction structure on the other side. Various metals such as nickel (Ni), titanium (Ti), platinum (Pt), and gold (Au) can be used for the Schottky junction with silicon carbide, and there are differences in the forward and reverse characteristics depending on the type of metal. have. For example, the Schottky junction between Ti and silicon carbide exhibits a smaller forward voltage drop in a region where the current density is lower than that of the Ni Schottky junction. In particular, the ohmic junction on the backside of the substrate is essential for fabricating silicon carbide Schottky diodes with excellent characteristics, which requires special heat treatment techniques compared to silicon-based devices. For example, to form an ohmic junction with nickel, a nickel film is formed on a silicon carbide substrate, and then heated to 950 to 1050 ° C. in an argon atmosphere, and then maintained for 1 to 2 minutes to form an ohmic junction. The high temperature rapid heating process to form an ohmic junction is one of the technical difficulties in fabricating silicon carbide Schottky diodes.
탄화규소는 실리콘보다 훨씬 높은 절연파괴전계 특성을 지니고 있어, 항복 전압이 매우 높으면서도 순방향 통전 시 전압강하가 작은 반도체를 제조할 수 있다. 국내외의 여러 연구단체들에 의해 두께가 10㎛인 n형 탄화규소 에피탁시 (epitaxy)층을 사용하여 항복 전압이 1,000V 이상인 쇼트키 다이오드가 제조되었음이 보고되고 있다. 약 10㎛ 두께의 에피탁시층을 사용하여 1,000V 이상의 항복 전압을 얻을 수 있음은 매우 획기적인 것으로, 특히 실리콘 소자에서 유사한 항복전압을 얻기 위해서는 약 100㎛ 두께의 에피탁시층이 필요함을 감안할 때, 탄화규소 소자가 실리콘 소자보다 항복전압 특성이 뛰어나다고 할 수 있다. Silicon carbide has much higher dielectric breakdown field characteristics than silicon, so it is possible to manufacture a semiconductor having a very high breakdown voltage and a small voltage drop during forward energization. Several research groups at home and abroad have reported that a Schottky diode with a breakdown voltage of 1,000V or more was fabricated using an n-type silicon carbide epitaxial layer with a thickness of 10 µm. The breakdown voltage of 1,000 V or more can be obtained by using an epitaxy layer having a thickness of about 10 μm. In particular, in order to obtain a similar breakdown voltage in a silicon device, an epitaxial layer having a thickness of about 100 μm is required. In other words, silicon carbide devices have better breakdown voltage characteristics than silicon devices.
도 1 및 도 2는 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드를 나타낸 것으로서, 도 1은 수직 구조도이고, 도 2는 등가회로도이다.1 and 2 show a conventional silicon carbide Schottky diode, FIG. 1 is a vertical structure diagram, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram.
도 1 및 도 2를 참조하면, 탄화규소 단결정 기판(100)의 한 쪽 표면에 탄화규소 에피탁시층(101)이 형성된 모재가 사용되고 있다. 에피탁시층(101)의 도펀트 (dopant)의 농도는 쇼트키 접합을 형성할 정도로 충분히 낮은 것이 사용되는데, 도펀트의 형(type)은 기판(100)과 동일한 것, 즉 기판(100)이 n형이면 에피탁시층 (101)도 n형이, 기판(100)이 p형이면 에피탁시층(101)도 p형이 사용된다. 전면과 배면에는 각각 금속접합 구조를 가지는데, 에피탁시층(101)의 표면에는 쇼트키 금속접합층(102)이, 그 배면인 단결정 기판(100)의 표면에는 오믹 금속접합층(103)이 존재한다.1 and 2, a base material having a silicon carbide epitaxy layer 101 formed on one surface of a silicon carbide single crystal substrate 100 is used. The concentration of the dopant in the epitaxy layer 101 is low enough to form a Schottky junction. The type of dopant is the same as the substrate 100, i.e., the substrate 100 is n If it is a type, the epitaxy layer 101 is also n type, and if the substrate 100 is a p type, the epitaxial layer 101 is also p type. The front and back surfaces each have a metal bonding structure. The Schottky metal bonding layer 102 is formed on the surface of the epitaxial layer 101, and the ohmic metal bonding layer 103 is formed on the surface of the single crystal substrate 100. This exists.
이상과 같은 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드의 항복 전압은 주로 에피탁시층(11)의 두께에 의해 결정된다.The breakdown voltage of the silicon carbide Schottky diode having the above structure is mainly determined by the thickness of the epitaxy layer 11.
도 3은 상기 도 1과 같은 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드 2개를 같은 극끼리 서로 마주보도록 잇대어 제작한 구조를 보여주는 것으로서, 도 3의 (A)는 도 1의 구조를 가진 2개의 쇼트키 다이오드의 쇼트키 금속접합층(102) 간을 접합을 목적으로 하는 별도의 금속접합층(110)을 매개로 하여 서로 접착시킨 구조이고, 도 3의 (B)는 오믹 금속접합층(103) 간을 상기 금속접합층(110)을 매개로 하여 서로 접착시킨 구조이다.FIG. 3 illustrates a structure in which two silicon carbide Schottky diodes having the same structure as shown in FIG. 1 are formed so as to face each other, and FIG. 3A illustrates two Schottky diodes having the structure of FIG. The Schottky metal bonding layer 102 is bonded to each other via a separate metal bonding layer 110 for the purpose of bonding, and (B) of FIG. 3 shows a gap between the ohmic metal bonding layer 103. It is a structure bonded to each other via the metal bonding layer 110.
도 4는 도 3의 백투백 쇼트키 다이오드 구조에 대한 등가회로를 나타낸 것으로서, 도 4의 (A)는 n형 탄화규소 기판과 n형 탄화규소 에피탁시층을 이용하여 만든 백투백 쇼트키 다이오드의 등가회로도이고, 도 4의 (B)는 p형 탄화규소 기판과 p형 탄화규소 에피탁시층을 이용하여 만든 백투백 쇼트키 다이오드의 등가회로도이다.4 shows an equivalent circuit of the back-to-back Schottky diode structure of FIG. 3, and FIG. 4A shows an equivalent of a back-to-back Schottky diode made using an n-type silicon carbide substrate and an n-type silicon carbide epitaxy layer. 4B is an equivalent circuit diagram of a back-to-back Schottky diode made using a p-type silicon carbide substrate and a p-type silicon carbide epitaxy layer.
그런데, 이상과 같이 각각 별도로 제작된 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자 2개를 금속접합층(110)을 매개로 하여 도 3의 (A) 및 (B)와 같이 서로 마주보는 구조로 제작하거나, 혹은 여러 개의 실리콘 다이오드를 서로 마주보는 구조로 잇대어 제작하여 백투백 구조의 다이오드를 제조할 경우 다음과 같은 단점 또는 문제점이 있다.However, as described above, two silicon carbide Schottky diode devices, which are manufactured separately as described above, may be manufactured to face each other as shown in FIGS. 3A and 3B through the metal bonding layer 110, or When manufacturing diodes having a back-to-back structure by connecting two silicon diodes facing each other, there are the following disadvantages or problems.
첫째, 금속접합층(110)과 같이 두 개의 소자를 연결하기 위한 구조물이 필요하다. 즉, 복수의 소자를 전기적으로 연결하면서도 안정적인 구조물로 확고히 지지하기 위한 금속 또는 그 합금을 매개로 한 접합 구조물이 필요한 것이다.First, a structure for connecting two devices, such as the metal bonding layer 110, is required. In other words, there is a need for a joint structure using a metal or an alloy thereof for firmly supporting a plurality of devices with a stable structure while being electrically connected.
둘째, 공정이 추가되고 제조 비용이 상승된다. 복수의 소자를 전기적으로 연결하면서도 안정적인 구조물로 확고히 지지하기 위하여 금속 또는 그 합금을 매개로 한 접합공정이 필요하며, 그로 인해 제조 비용이 상승하게 되는 것이다.Second, the process is added and manufacturing costs are increased. In order to firmly support a plurality of devices with a stable structure while being electrically connected, a bonding process using a metal or an alloy thereof is required, thereby increasing manufacturing costs.
셋째, 금속과 반도체 간에 오믹 접합 공정이 필요하다. 대부분의 반도체에서 전극을 연결하기 위하여 오믹 접합 공정이 필요하다. 특히, 탄화규소에서는 오믹 접합 공정이 고온 급속 열처리를 필요로 하여 기술적인 어려움이 수반된다.Third, an ohmic bonding process between the metal and the semiconductor is required. In most semiconductors, an ohmic bonding process is required to connect the electrodes. In silicon carbide, in particular, the ohmic bonding process requires high temperature rapid heat treatment, which entails technical difficulties.
넷째, 금속접합이 많아질수록 고장 확률이 높아진다. 장시간 사용하였을 경우에 상기 금속접합층(110)의 계면에서 결함이 발생하여 고장날 확률이 있으며, 이는 금속 접합의 갯수가 많아질수록 고장 확률이 높아질 수 밖에 없다.Fourth, the more metal junctions, the higher the probability of failure. When used for a long time, there is a possibility that a defect occurs at the interface of the metal bonding layer 110 and the failure occurs. As the number of metal junctions increases, the probability of failure increases.
다섯째, 높은 항복전압을 구현하기 위해서는 많은 공정 단계가 필요하고, 서어지에 의한 순간적인 과열로 소자가 쉽게 파괴된다. Fifth, many process steps are required to achieve high breakdown voltage, and the device is easily destroyed by instantaneous overheating due to surge.
본 발명은 이상과 같은 종래 백투백 쇼트키 다이오드 구조체에 있어서의 단점 및 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 두 개의 소자의 연결을 위한 금속접합층과 같은 접합 매개물이 불필요하고, 높은 항복 전압을 용이하게 구현할 수 있으며, 서어지 전류에도 쉽게 파괴되지 않는 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체를 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above-mentioned disadvantages and problems in the conventional back-to-back Schottky diode structure, and requires no bonding medium such as a metal bonding layer for connecting two devices, and easily implements a high breakdown voltage. It is an object of the present invention to provide a silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure that can be easily destroyed by surge current.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는,몸체의 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루며, 그 불순물 농도가 1×1018/㎤ 보다 높고 1×1021/㎤ 보다 낮은 값을 갖는 탄화규소 단결정 기판;In order to achieve the above object, the silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure according to the present invention is located at the center of the body and forms a base material as a target material for manufacturing a semiconductor device, and the impurity concentration is 1 × 10 18. Silicon carbide single crystal substrate having a value higher than / cm 3 and lower than 1 × 10 21 / cm 3;
상기 탄화규소 단결정 기판의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 것으로, 그 불순물 농도가 1×1013/㎤ 보다 높고 5×1017/㎤ 보다 낮은 값을 갖는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층; 및Upper and lower silicon carbide epitaxial layers formed on the upper and lower surfaces of the silicon carbide single crystal substrate, respectively, and involved in the breakdown voltage, and have impurity concentrations higher than 1 × 10 13 / cm 3 and lower than 5 × 10 17 / cm 3. Taxi layer; And
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상기 상부 및 하부 에피탁시층의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층을 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.It is formed on the surface of the upper and lower epitaxy layers, respectively, and has a characteristic that it comprises a top and bottom Schottky metal bonding layer that shows the characteristics of silicon carbide and Schottky and serves as an electrode.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체의 구조를 보여주는 도면이다.5 is a view showing the structure of a silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure according to the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 그 중심부에 위치하는 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 대상물질로서 모재를 이루는 탄화규소 단결정 기판(500)과, 그 탄화규소 단결정 기판(500)의 상면 및 하면에 각각 형성되며, 항복 전압에 관여하는 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층(501)(502)과, 그 상부 및 하부 에피탁시층(501)(502)의 표면에 각각 형성되며, 탄화규소와 쇼트키 특성을 보이는 한편 전극 역할을 수행하는 상부 및 하부 쇼트키 금속접합층(503)(504)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 5, the silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure according to the present invention is located at the center thereof, and the silicon carbide single crystal substrate 500 as a target material for manufacturing a semiconductor device and the silicon carbide Upper and lower silicon carbide epitaxy layers 501 and 502 formed on the upper and lower surfaces of the single crystal substrate 500 and participating in the breakdown voltage, and upper and lower epitaxy layers 501 and 502 thereof. The upper and lower Schottky metal bonding layers 503 and 504 are respectively formed on the surface of the upper and lower schottky metals, and exhibit Schottky characteristics and serve as electrodes.
여기서, 상기 탄화규소 단결정 기판(500)은 불순물 농도가 1×1018/㎤ 보다 높고 1×1021/㎤ 보다 낮은 농도를 갖는 단결정 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 상부 및 하부 탄화규소 에피탁시층(501)(502)은 불순물 농도가 1×1013/㎤ 보다 높고 5×1017/㎤ 보다 낮은 농도로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 에피탁시층(501)(502)의 불순물 농도가 상기 단결정 기판(500)의 불순물 농도보다 낮아야 탄화규소와 금속간의 쇼트키 접합을 원활히 수행할 수 있기 때문이다.Here, the silicon carbide single crystal substrate 500 preferably uses a single crystal substrate having an impurity concentration higher than 1 × 10 18 / cm 3 and lower than 1 × 10 21 / cm 3. In addition, it is preferable that the upper and lower silicon carbide epitaxy layers 501 and 502 have an impurity concentration higher than 1 × 10 13 / cm 3 and lower than 5 × 10 17 / cm 3. This is because the impurity concentration of the epitaxial layers 501 and 502 is lower than the impurity concentration of the single crystal substrate 500 to smoothly perform the Schottky bonding between the silicon carbide and the metal.
한편, 상기 탄화규소 에피탁시층(501)(502)의 도펀트의 형(type)은 탄화규소 단결정 기판(500)의 형과 동일한 것을 취한다. 즉, 기판(500)이 n형이면 에피탁시층(501)(502)도 n형으로, 기판(500)이 p형이면 에피탁시층(501)(502)도 p형으로 형성하는 것이다. 또한, 쇼트키 다이오드의 항복전압을 향상시키기 위하여 에피탁시층(501)(502)의 표면 일부를 전계산화막으로 덮거나, n형 기판(500) 및 n형 에피탁시층(501)(502)으로 이루어진 다이오드 구조체의 n형 에피탁시층(501)(502)의 일부 영역에 p형 도펀트를 이온 주입하거나, 반대로 p형 기판(500) 및 p형 에피탁시층 (501)(502)으로 이루어진 다이오드 구조체의 p형 에피탁시층(501)(502)의 일부 영역에 n형 도펀트를 이온 주입할 수도 있다.On the other hand, the type of dopant of the silicon carbide epitaxy layers 501 and 502 is the same as that of the silicon carbide single crystal substrate 500. That is, if the substrate 500 is n-type, the epitaxy layers 501 and 502 are also n-type. If the substrate 500 is p-type, the epitaxial layers 501 and 502 are also p-type. . In addition, in order to improve the breakdown voltage of the Schottky diode, a part of the surface of the epitaxy layers 501 and 502 may be covered with an electric field oxide film, or the n-type substrate 500 and the n-type epitaxy layer 501 or 502. P-type dopant is ion-implanted into a portion of the n-type epitaxy layer 501 (502) of the diode structure, or, conversely, the p-type substrate 500 and the p-type epitaxy layer 501 (502) An n-type dopant may be ion implanted into a portion of the p-type epitaxy layers 501 and 502 of the diode structure.
상기 쇼트키 금속접합층(503)(504)은 저농도 에피탁시층(501)(502)의 표면에 형성시킨 박막의 금속층으로서 전압-전류 특성이 오믹 특성을 보이지 않고 오직 쇼트키 특성을 보인다. 이와 같은 금속접합층(503)(504)의 형성을 위해 Ni, Ti, Pt, Au, Ta 등이 사용될 수 있다. The Schottky metal bonding layers 503 and 504 are thin metal layers formed on the surfaces of the low concentration epitaxy layers 501 and 502 and show only Schottky characteristics without voltage-current characteristics showing ohmic characteristics. Ni, Ti, Pt, Au, Ta, etc. may be used to form the metal bonding layers 503 and 504.
이상과 같은 구조의 본 발명의 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 상기 도 3의 (B)의 다이오드 구조에서 단결정 기판(100)과 기판(100) 사이에 존재하는 2개의 오믹 금속접합층(103)과 2개의 소자의 연결을 위한 1개의 금속접합층(110)을 없앤 구조일 뿐만이 아니라, 도 3의 (B)의 구조에서 2개의 탄화규소 단결정 기판(100)으로 분리된 것을 한 개의 탄화규소 단결정 기판(100)을 공유하는 구조적 특징을 갖는다. 이와 같은 본 발명의 백투백 쇼트키 다이오드 구조체에 대한 등가회로는 도 4의 (B)와 같다. The silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure of the present invention having the structure described above includes two ohmic metal bonding layers 103 existing between the single crystal substrate 100 and the substrate 100 in the diode structure of FIG. In addition to the structure of removing the one metal bonding layer 110 for the connection between the two devices and the two elements, the silicon carbide single crystal substrate 100 separated in the structure of FIG. It has structural features that share the single crystal substrate 100. Such an equivalent circuit for the back-to-back Schottky diode structure of the present invention is as shown in FIG.
한편, 이상과 같이 본 발명의 다이오드 구조체는 탄화규소 단결정 기판(500)의 양쪽면에 쇼트키 접합이 형성되어 있으므로, 2개의 쇼트키 다이오드가 서로 반대방향으로 직렬 연결된 것과 같은 전기적 특성을 갖는다. 그리고, 양쪽면의 쇼트키 금속접합층(503)(504)을 각각 양극과 음극으로 하여 각각의 쇼트키 다이오드의 항복전압 이하의 전압을 인가할 경우에는 도통되지 않는다. 또한, 탄화규소 쇼트키 다이오드의 항복전압 이상의 전압이 인가되어 도통되는 경우에, 탄화규소의 높은 열전도도, 우수한 내열성으로 인해 소자가 파괴될 확률이 매우 낮아진다. 뿐만 아니라, 양쪽면의 쇼트키 금속접합층(503)(504)을 각각 양극과 음극으로 사용할 수 있으므로, 오믹 접합이 불필요하며, 이에 따라 탄화규소의 오믹 접합을 위한 고온 급속 열처리 공정이 필요치 않게 된다. On the other hand, as described above, since the Schottky junction is formed on both sides of the silicon carbide single crystal substrate 500, the diode structure of the present invention has electrical characteristics such that two Schottky diodes are connected in series in opposite directions. When the Schottky metal bonding layers 503 and 504 on both sides are used as the anode and the cathode, respectively, a voltage below the breakdown voltage of each Schottky diode is not applied. In addition, when a voltage equal to or higher than the breakdown voltage of the silicon carbide Schottky diode is applied and conducted, the probability of element destruction is very low due to the high thermal conductivity and excellent heat resistance of the silicon carbide. In addition, since the Schottky metal bonding layers 503 and 504 on both sides can be used as anodes and cathodes, respectively, ohmic bonding is unnecessary, thereby eliminating the need for a high temperature rapid heat treatment process for ohmic bonding of silicon carbide. .
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체는 한 개의 탄화규소 단결정 기판의 양쪽면에 쇼트키 금속접합층이 각각 형성되어 있는 구조로 되어 있으므로, 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다.As described above, the silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure according to the present invention has a structure in which a Schottky metal bonding layer is formed on each side of one silicon carbide single crystal substrate, and thus has the following advantages and effects. Has
첫째, 한 개의 소자로 두 개의 소자를 잇대어 붙인 것과 동일한 전기적 특성을 발휘할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 백투백 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드는 한 개의 몸체에 두 개의 쇼트키 다이오드가 역방향으로 직렬 배열된 구조이므로, 별도로 제작된 두 개의 탄화규소 쇼트키 다이오드를 마주보는 모양으로 잇댄 구조와 전기적으로 동일한 특성을 발휘할 수 있는 것이다.First, one device can exhibit the same electrical characteristics as two devices joined together. That is, the silicon carbide Schottky diode of the back-to-back structure according to the present invention has a structure in which two Schottky diodes are arranged in a reverse direction in one body, so that two silicon carbide Schottky diodes separately manufactured are formed facing each other. Electrically the same characteristics as can be exhibited.
둘째, 오믹 접합이 필요하지 않으며, 그에 따른 공정을 줄일 수 있다. 양쪽면의 쇼트키 접합 금속층을 각각 양극과 음극으로 사용할 수 있으므로, 전극과의 연결을 위한 별도의 오믹 접합이 필요하지 않다. 탄화규소의 오믹 접합을 위해서는 950℃ 이상의 온도에서 급속 열처리 공정이 필요한데, 이를 생략할 수 있으므로 공정 단계를 줄일 수 있다.Second, no ohmic bonding is required and the process can be reduced. Since the Schottky junction metal layers on both sides can be used as an anode and a cathode, respectively, no separate ohmic junction is required for connection with the electrodes. For the ohmic bonding of silicon carbide, a rapid heat treatment process is required at a temperature of 950 ° C. or higher, and thus, the process step can be reduced.
셋째, 두 개의 소자의 연결을 위한 금속접합층이 없는 구조이므로, 공정을 줄이고 고장 확률을 낮출 수 있다. 본 발명에 따른 백투백 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드는, 종래 2개의 탄화규소 쇼트키 다이오드를 마주보는 형태로 잇댄 구조와 비교해 볼 때, 2개의 소자의 연결을 위한 금속접합층이 없는 구조이므로, 금속접합층 제조공정을 줄일 수 있다. 또한, 금속접합층이 없는 구조이므로, 서어지 전류가 흐를 때 금속접합층이 쉽게 용융됨으로써 발생하는 고장을 방지할 수 있다.Third, since there is no metal bonding layer for connecting the two devices, it can reduce the process and lower the probability of failure. The silicon carbide Schottky diode of the back-to-back structure according to the present invention has no metal bonding layer for the connection of two elements, compared to the structure of the conventional silicon carbide Schottky diode facing each other. The bonding layer manufacturing process can be reduced. In addition, since there is no structure of the metal bonding layer, it is possible to prevent a failure caused by the melting of the metal bonding layer easily when a surge current flows.
넷째, 실리콘 소자에 비해 항복 전압이 높은 소자를 제조하는데 유리하다. 동일한 구조의 실리콘 소자에 비해 탄화규소 소자는 훨씬 높은 항복 전압을 구현할 수 있다. 즉, 동일한 사양을 가진 n형 에피탁시 층에서 탄화규소 소자는 실리콘 소자에 비해 수배 높은 항복 전압을 얻을 수 있다. 이는 높은 항복 전압을 가진 소자를 제조하는데 탄화규소를 사용할 경우 유리한 점이다.Fourth, it is advantageous to manufacture a device having a higher breakdown voltage than a silicon device. Compared to silicon devices of the same structure, silicon carbide devices can achieve much higher breakdown voltages. That is, the silicon carbide device in the n-type epitaxy layer having the same specification can obtain breakdown voltage several times higher than that of the silicon device. This is an advantage when silicon carbide is used to make devices with high breakdown voltages.
다섯째, 서어지 흡수능력이 우수하다. 본 발명에 따른 백투백 구조의 탄화규소 쇼트키 다이오드는 항복 전압 이하의 전압을 인가할 경우에는 어떤 방향으로든지 도통되지 않는다. 그리고, 항복 전압 이상의 전압이 인가되어 도통되더라도 물질 자체의 높은 열전도도와 높은 내열성으로 인하여 쉽게 파괴되지 않는다. 또한, 금속공정에 의한 극과 극간의 연결을 배제한 구조이므로, 도통시에 금속층의 파괴에 의한 고장을 방지할 수 있어 서어지 흡수용 소자로 탁월하다. Fifth, the surge absorption ability is excellent. The silicon carbide Schottky diode of the back-to-back structure according to the present invention does not conduct in any direction when a voltage below the breakdown voltage is applied. In addition, even when a voltage higher than the breakdown voltage is applied, the material is not easily destroyed due to the high thermal conductivity and high heat resistance of the material itself. In addition, the structure eliminates the connection between the pole and the pole by the metal process, it is possible to prevent the failure caused by the destruction of the metal layer during the conduction is excellent as a surge absorption element.
도 1은 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드의 구조를 보여주는 도면. 1 is a view showing the structure of a conventional silicon carbide Schottky diode.
도 2는 도 1의 다이오드의 등가회로도.2 is an equivalent circuit diagram of the diode of FIG.
도 3의 (A) 및 (B)는 도 1의 탄화규소 쇼트키 다이오드 2개를 같은 극끼리 서로 마주보도록 잇대어 제작한 구조를 보여주는 도면.3A and 3B are views showing a structure in which two silicon carbide Schottky diodes of FIG. 1 are fabricated by connecting the same poles to face each other.
도 4의 (A) 및 (B)는 도 3의 (A) 및 (B)의 각 다이오드 구조체에 대한 각각의 등가회로도.4A and 4B are equivalent circuit diagrams of respective diode structures of FIGS. 3A and 3B, respectively.
도 5는 본 발명에 따른 탄화규소 백투백 쇼트키 장벽 다이오드 구조체의 구조를 보여주는 도면.5 shows the structure of a silicon carbide back-to-back Schottky barrier diode structure according to the present invention;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100,500...탄화규소 단결정 기판 101,501,502...탄화규소 에피탁시층Silicon carbide single crystal substrate 101,501,502 Silicon carbide epitaxy layer
102,503,504...쇼트키 금속접합층 103...오믹 금속접합층Schottky metal bonding layer 103 Ohmic metal bonding layer
110...(두 소자간의 연결을 위한) 금속접합층110 ... metal bonding layer (for connection between two elements)
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