KR102183959B1 - Schottky barrier diodes with improving breakdown voltage and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드에 관한 것으로, 제1 도펀트로 도핑된 고농도층; 상기 고농도층 위에 형성되고, 제1 도펀트로 도핑되되 상기 고농도층에 비하여 상대적으로 도핑농도가 낮은 전송층; 상기 고농도층의 하면에 오믹 접촉된 금속 재질의 캐소드; 및 상기 전송층의 상면 일부에 쇼트키 접촉하도록 형성된 금속 재질의 애노드를 포함하는 쇼트키 장벽 다이오드에 있어서, 상기 전송층의 상면에 쇼트키 접촉된 금속 재질의 금속가드링이 하나 이상 형성되고, 상기 금속가드링은 상기 애노드에 소정 거리 이격되어 접촉하지 않으며, 상기 애노드를 둘러싸도록 위치된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전송층의 표면에 금속가드링을 형성함으로써, 애노드 모서리에 집중된 전계를 분산하여 항복전압 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다. 또한, 금속가드링을 형성하기 때문에, 종래에 이온주입 공정으로 가드링을 형성하는 것에 비하여 공정비용이 크게 감소하는 효과가 있다. 나아가 종래에 이온주입 공정으로 가드링을 형성할 수 없었던 산화갈륨 재질 등에 대해서도 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드를 제공할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.The present invention relates to a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics, comprising: a high concentration layer doped with a first dopant; A transmission layer formed on the high concentration layer and doped with a first dopant, but having a relatively low doping concentration compared to the high concentration layer; A metal cathode in ohmic contact with the lower surface of the high concentration layer; And a metal anode formed to make Schottky contact on a portion of the upper surface of the transmission layer, wherein at least one metal guard ring made of a metal material in Schottky contact is formed on the upper surface of the transmission layer, and the The metal guard ring is spaced apart from the anode by a predetermined distance and does not contact, and is positioned to surround the anode.
In the present invention, by forming a metal guard ring on the surface of the transmission layer, there is an effect of improving the breakdown voltage characteristic by dispersing the electric field concentrated at the edge of the anode. In addition, since the metal guard ring is formed, there is an effect of significantly reducing the process cost compared to forming the guard ring by the conventional ion implantation process. Furthermore, there is an excellent effect of providing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics for gallium oxide materials, etc., in which the guard ring cannot be formed by the conventional ion implantation process.
Description
본 발명은 쇼트키 장벽 다이오드에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a Schottky barrier diode, and more particularly, to a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics.
일반적으로 쇼트키 장벽 다이오드 는 반도체와 금속이 결합된 다이오드로서 높은 항복전압과 낮은 온저항 성능을 만족시킬 수 있는 파워 스위칭 소자이다. PN 접합 PIN 다이오드와 비교해서 쇼트키 접합 다이오드는 매우 간단하여 제조비용이 낮으며, 일반 다이오드보다 고속 동작이 수월하고 전압 강하가 낮아 전력측면에서 높은 효율을 갖는 소자이다.In general, Schottky barrier diodes are semiconductor-metal-coupled diodes and power switching devices that can satisfy high breakdown voltage and low on-resistance performance. Compared to PN junction PIN diodes, Schottky junction diodes are very simple and low in manufacturing cost. High-speed operation is easier than normal diodes, and voltage drop is low, making it a high efficiency device in terms of power.
고전력 스위칭 소자에 적합한 물질은 넓은 에너지 밴드갭을 갖는 반도체로서 질화갈륨계(GaN), 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Ga2O3), 산화아연(ZnO) 등이 있으며 매우 넓은 밴드갭과 높은 항복전계 및 고온 동작이 가능하다. 특히, 산화갈륨(Ga2O3)은 4.9eV의 넓은 에너지 밴드 갭, 8MV/cm의 매우 높은 항복전계를 가진다.Materials suitable for high power switching devices are semiconductors with a wide energy band gap, such as gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), etc. High breakdown field and high temperature operation are possible. In particular, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) has a wide energy band gap of 4.9 eV and a very high breakdown electric field of 8 MV/cm.
한편, 쇼트키 접합 다이오드는 다수 캐리어에 의해서 전류가 흐르기 때문에 큰 전압을 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 최근에는 고속 스위칭 특성을 구현함과 동시에 높은 전계를 분산시켜 항복 특성을 개선하기 위하여 가드링(Guard Ring)을 구비하는 고전압 수직형 쇼트키 다이오드가 사용되고 있다. On the other hand, the Schottky junction diode has a disadvantage in that it is difficult to control a large voltage because current flows by a plurality of carriers. Recently, a high-voltage vertical Schottky diode having a guard ring has been used to implement high-speed switching characteristics and improve breakdown characteristics by dispersing a high electric field.
가드링 구조는 일반적으로 P형 이온주입(임플란테이션)을 활용하여 형성되며, 애노드의 모서리에 집중되는 전계를 분산시키고, Si 및 SiC 등에 적용되고 있다. The guard ring structure is generally formed using P-type ion implantation (implantation), dispersing the electric field concentrated at the edge of the anode, and is applied to Si and SiC.
도 12는 종래의 이온주입 방식의 가드링이 형성된 수직형 쇼트키 장벽 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다.12 is a cross-sectional view showing the structure of a vertical Schottky barrier diode in which a guard ring of a conventional ion implantation method is formed.
하지만, 고농도층(100), 전송층(200), 캐소드(300) 및 애노드(400)로 구성된 쇼트키 장벽 다이오드에서, 가드링(700)을 형성하는 과정이 전송층(200)의 상부에 이온주입 방식을 적용하기 때문에 공정비용이 높아지는 단점이 있고, 산화갈륨의 경우에는 적합한 P형 이온주입 물질이 개발되지 못하여 적용이 제한되는 문제가 있다.However, in the Schottky barrier diode composed of the
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 이온주입 보다 공정 비용이 낮고 모든 재질에 대하여 적용할 수 있는 새로운 쇼트키 장벽 다이오드의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a structure of a new Schottky barrier diode that has a lower process cost than ion implantation and can be applied to all materials as to solve the problems of the prior art described above.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드는, 제1 도펀트로 도핑된 고농도층; 상기 고농도층 위에 형성되고, 제1 도펀트로 도핑되되 상기 고농도층에 비하여 상대적으로 도핑농도가 낮은 전송층; 상기 고농도층의 하면에 오믹 접촉된 금속 재질의 캐소드; 및 상기 전송층의 상면 일부에 쇼트키 접촉하도록 형성된 금속 재질의 애노드를 포함하는 쇼트키 장벽 다이오드에 있어서, 상기 전송층의 상면에 쇼트키 접촉된 금속 재질의 금속가드링이 하나 이상 형성되고, 상기 금속가드링은 상기 애노드에 소정 거리 이격되어 접촉하지 않으며, 상기 애노드를 둘러싸도록 위치된 것을 특징으로 한다.A Schottky barrier diode having improved breakdown voltage characteristics according to the present invention for achieving the above object comprises: a high concentration layer doped with a first dopant; A transmission layer formed on the high concentration layer and doped with a first dopant, but having a relatively low doping concentration compared to the high concentration layer; A metal cathode in ohmic contact with the lower surface of the high concentration layer; And a metal anode formed to make Schottky contact on a portion of the upper surface of the transmission layer, wherein at least one metal guard ring made of a metal material in Schottky contact is formed on the upper surface of the transmission layer, and the The metal guard ring is spaced apart from the anode by a predetermined distance and does not contact, and is positioned to surround the anode.
상기 금속가드링이 복수로 형성되고, 복수의 금속가드링은 서로 접촉하지 않는 것이 바람직하다.It is preferable that a plurality of the metal guard rings are formed, and the plurality of metal guard rings do not contact each other.
복수의 금속가드링은 서로 소정 거리 이격되어 있으며, 금속가드링 상호간에 이격된 거리가 애노드에 가장 가까운 금속가드링과 애노드 사이의 간격과 동일한 것이 바람직하다.It is preferable that the plurality of metal guard rings are spaced apart a predetermined distance from each other, and the distance between the metal guard rings is the same as the distance between the metal guard ring closest to the anode and the anode.
이때, 금속가드링 상호간에 이격된 거리가 상대적으로 안쪽에 위치하는 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위 내에 상대적으로 바깥쪽에 위치하는 다음 금속가드링이 위치하는 것이 바람직하며, 구금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역이 상기 전송층의 도핑농도에 의해서 결정된다.At this time, it is preferable that the next metal guard ring located relatively outside is located within the range of the depletion region that extends from the edge of the metal guard ring located inside the metal guard ring with a distance separated from each other. The depletion region extending from the edge of the ring is determined by the doping concentration of the transport layer.
상기 금속가드링이 적어도 4개 이상 형성된 것이 바람직하다. It is preferable that at least four or more metal guard rings are formed.
애노드와 금속가드링 각각의 가장자리에서 집중되는 전계의 크기가 반도체 소재의 임계항복전계 이하가 되도록 상기 금속가드링을 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable to form the metal guard ring so that the magnitude of the electric field concentrated at the edges of the anode and the metal guard ring is less than or equal to the critical breakdown electric field of the semiconductor material.
상기 금속가드링을 덮고 상기 애노드의 전극 패드 부분만 노출시키는 보호막이 형성될 수 있다.A protective film may be formed covering the metal guard ring and exposing only the electrode pad portion of the anode.
상기 고농도층과 상기 전송층이 산화갈륨 재질인 것이 바람직하다.It is preferable that the high concentration layer and the transmission layer are made of gallium oxide.
본 발명의 다른 형태에 의한, 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법은, 제1 도펀트로 도핑된 기판을 준비하는 기판 준비 단계; 상기 기판의 상부에 제1 도펀트로 도핑되고 상대적으로 도핑농도가 낮은 전송층을 성장시키는 전송층 성장 단계; 상기 기판의 하면에 오믹 접촉된 금속 재질의 캐소드를 형성하는 캐소드 형성 단계; 및 상기 전송층의 상면 일부에 쇼트키 접촉하도록 금속 재질의 애노드를 형성하는 애노드 형성 단계를 포함하는 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법에 있어서, 상기 전송층의 상면에 쇼트키 접촉된 금속 재질의 금속가드링을 하나 이상 형성하는 금속가드링 형성 단계를 더 포함하며, 상기 금속가드링 형성 단계는, 상기 애노드에 소정 거리 이격되어 접촉하지 않고, 상기 애노드를 둘러싸도록 금속가드링을 형성하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a Schottky barrier diode having an improved breakdown voltage characteristic includes: a substrate preparation step of preparing a substrate doped with a first dopant; A transfer layer growing step of growing a transfer layer doped with a first dopant and having a relatively low doping concentration on the substrate; A cathode forming step of forming a cathode made of a metal material in ohmic contact with a lower surface of the substrate; And forming an anode made of a metal material so as to make a Schottky contact with a portion of the upper surface of the transmission layer, wherein the metal guard made of a metal material in which the upper surface of the transmission layer is in Schottky contact A metal guard ring forming step of forming at least one ring, wherein the metal guard ring forming step is characterized in that the metal guard ring is formed to surround the anode without contacting the anode by a predetermined distance. .
이때, 금속가드링 형성 단계가 애노드 형성 단계와 함께 수행될 수 있다. In this case, the metal guard ring forming step may be performed together with the anode forming step.
상기 금속가드링 형성 단계에서, 서로 접촉하지 않는 복수의 금속가드링을 형성하는 것이 바람직하다.In the forming of the metal guard ring, it is preferable to form a plurality of metal guard rings that do not contact each other.
복수의 금속가드링이 서로 소정 거리 이격되도록 형성하며, 금속가드링 상호간에 이격된 거리가 애노드에 가장 가까운 금속가드링과 애노드 사이의 간격과 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable that a plurality of metal guard rings are formed to be spaced apart from each other by a predetermined distance, and the distance between the metal guard rings is equal to the distance between the metal guard ring closest to the anode and the anode.
이때, 금속가드링 상호간에 이격된 거리가 상대적으로 안쪽에 위치하는 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위 내에 상대적으로 바깥쪽에 위치하는 다음 금속가드링이 위치하도록 형성하는 것이 바람직하며, 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역은 상기 전송층의 도핑농도에 의해서 결정된다.At this time, it is preferable to form the next metal guard ring located relatively outside within the range of the depletion region that extends from the edge of the metal guard ring located inside the metal guard ring with a distance spaced apart from each other. The depletion region extending from the edge of the guard ring is determined by the doping concentration of the transport layer.
금속가드링을 적어도 4개 이상 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable to form at least four or more metal guard rings.
애노드와 금속가드링 각각의 가장자리에서 집중되는 전계의 크기가 반도체 소재의 임계항복전계 이하가 되도록 상기 금속가드링을 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable to form the metal guard ring so that the magnitude of the electric field concentrated at the edges of the anode and the metal guard ring is less than or equal to the critical breakdown electric field of the semiconductor material.
상기 금속가드링을 덮고 상기 애노드의 전극 패드 부분만 노출시키는 보호막을 형성하는 보호막 형성 단계를 더 포함할 수 있다.A protective film forming step of forming a protective film covering the metal guard ring and exposing only a portion of the electrode pad of the anode may be further included.
상기 기판과 상기 전송층이 산화갈륨 재질인 것이 바람직하다.It is preferable that the substrate and the transfer layer are made of gallium oxide.
본 발명의 또 다른 형태에 의한 전력반도체는 상기한 금속가드링을 구비한 쇼트키 장벽 다이오드를 포함하여 고전압 스위칭이 가능한 것을 특징으로 한다.A power semiconductor according to another aspect of the present invention is characterized in that high voltage switching is possible by including the Schottky barrier diode having the metal guard ring described above.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 전송층의 표면에 금속가드링을 형성함으로써, 애노드 모서리에 집중된 전계를 분산하여 항복전압 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.In the present invention configured as described above, by forming a metal guard ring on the surface of the transmission layer, there is an effect of improving the breakdown voltage characteristic by dispersing the electric field concentrated at the edge of the anode.
또한, 금속가드링을 형성하기 때문에, 종래에 이온주입 공정으로 가드링을 형성하는 것에 비하여 공정비용이 크게 감소하는 효과가 있다.In addition, since the metal guard ring is formed, there is an effect of significantly reducing the process cost compared to forming the guard ring by the conventional ion implantation process.
나아가 종래에 이온주입 공정으로 가드링을 형성할 수 없었던 산화갈륨 재질 등에 대해서도 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드를 제공할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.Furthermore, there is an excellent effect of providing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics for gallium oxide materials, etc., in which the guard ring cannot be formed by the conventional ion implantation process.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 쇼트키 장벽 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 금속가드링의 간격 변화에 따른 항복전압을 금속가드링이 없는 경우와 비교하여 도시한 그래프이다.
도 3과 도 4는 본 실시예와 비교예에 따른 쇼트키 장벽 다이오드에 대하여 항복전압이 인가된 조건에서 소자내부의 전계 및 포텐셜 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 금속가드링의 개수 변화에 따른 전류-전압 특성과 항복전압을 도시한 그래프이다.
도 6과 도 7은 본 실시예와 비교예에 따른 쇼트키 장벽 다이오드에 대하여 항복전압이 인가된 조건에서 소자내부의 전계 및 포텐셜 분포를 금속가드링의 개수에 따라서 도시한 도면이다.
도 8은 금속가드링의 개수와 폭의 변화에 따른 항복전압을 도시한 그래프이다.
도 9는 금속가드링이 5개인 경우에 금속가드링의 폭 변화에 따른 항복전압을 도시한 그래프이다.
도 10은 항복전압이 인가된 조건에서 소자내부의 전계 및 포텐셜 분포를 금속가드링의 폭에 따라서 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 쇼트키 장벽 다이오드와 비교예의 쇼트키 장벽 다이오드에 대한 정전류-전압 특성을 도시한 그래프이다.
도 12는 종래의 이온주입 방식의 가드링이 형성된 수직형 쇼트키 장벽 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a vertical Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a breakdown voltage according to a change in spacing of a metal guard ring compared to a case without a metal guard ring.
3 and 4 are diagrams showing electric field and potential distributions inside a device under a condition in which a breakdown voltage is applied to the Schottky barrier diodes according to the present and comparative examples.
5 is a graph showing current-voltage characteristics and breakdown voltage according to a change in the number of metal guard rings.
6 and 7 are diagrams showing electric field and potential distributions in a device according to the number of metal guard rings under a condition in which a breakdown voltage is applied to the Schottky barrier diode according to the present embodiment and the comparative example.
8 is a graph showing breakdown voltage according to changes in the number and width of metal guard rings.
9 is a graph showing a breakdown voltage according to a change in width of a metal guard ring when there are 5 metal guard rings.
10 is a diagram showing an electric field and a potential distribution inside a device according to a width of a metal guard ring under a condition in which a breakdown voltage is applied.
11 is a graph showing a constant current-voltage characteristic of a Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention and a Schottky barrier diode according to a comparative example.
12 is a cross-sectional view showing the structure of a vertical Schottky barrier diode in which a guard ring of a conventional ion implantation method is formed.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. An embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.And throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only the case of being "directly connected", but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. In addition, when a part "includes" or "includes" a certain component, it means that other components are not excluded and other components may be further included or provided unless otherwise specified. do.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from other components, and the scope of the rights is not limited by these terms. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 쇼트키 장벽 다이오드의 구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a vertical Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention.
본 실시예의 수직형 쇼트키 장벽 다이오드는 고농도층(100), 전송층(200), 캐소드(300), 애노드(400) 및 금속가드링(500)을 포함한다.The vertical Schottky barrier diode of this embodiment includes a
고농도층(100)과 전송층(200)은 모두 산화갈륨(Ga2O3) 재질이며, 도핑 농도가 1×1019cm-3이고 전산모사의 계산 시간을 줄이기 위하여 두께가 0.2㎛인 고농도 N형 기판을 고농도층(100)으로 하여, 기판 상부에 도핑 농도가 5×1016cm-3이고 두께가 5㎛인 저농도 N형 전송층(200)을 성장시켰다.Both the high-
캐소드(300)는 고농도층(100)의 하면에 오믹 접촉된 전극이다.The
애노드(400)는 전송층(200) 상면의 일부에 쇼트키 접촉된 전극이다.The
이러한 고농도층(100), 전송층(200), 캐소드(300) 및 애노드(400)의 구조는 수직형 쇼트키 장벽 다이오드의 일반적인 구성이며, 재질과 도핑 농도 및 두께 등이 본 실시예의 형태로 제한되는 것이 아니다.The structure of the
종래에는 이러한 수직형 쇼트키 장벽 다이오드의 항복 특성을 개선하기 위하여 전송층(200)의 상면에 이온을 주입하였으나, 본 발명은 전송층(200)의 상면에 애노드(400)와 소정간격 이격되어 접촉하지 않는 플로팅 상태의 금속가드링(500) 형성하는 점에서 특징이 있다.Conventionally, ions were implanted on the upper surface of the
금속가드링(500)은 애노드(400)의 주변을 둘러싸도록 하나 이상이 위치되며, 전송층(200)에 쇼트키 접촉이 되도록 형성된다.One or more metal guard rings 500 are positioned to surround the periphery of the
금속가드링(500)의 표면을 덮는 보호막(600)으로는 절연체인 Al2O3를 적용하였다.As the
이하에서는 TCAD 시뮬레이션을 사용하여 금속가드링(500)의 다양한 형태에 따른 전계 및 포텐셜 분포를 분석함으로써 본 발명의 효과를 확인하도록 한다. 역전압을 인가하면서 누설전류의 급격한 증가가 발생하는 전압을 항복전압으로 정의하였다. Hereinafter, the effects of the present invention are confirmed by analyzing electric fields and potential distributions according to various shapes of the
금속가드링(500)의 폭과 간격 및 개수를 변경하면서 상용 2차원 전산모사 소프트웨어인 TCAD를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 항복전압특성을 예측하기 위하여 사용한 충돌 이온화 계수(impact ionization coefficient) 모델은 다음과 같다. Simulation was performed using TCAD, a commercial two-dimensional computational simulation software, while changing the width, spacing, and number of the
구조 변화에 따른 전류-전압 특성을 통하여 다이오드의 성능지표인 온저항과 항복전압 특성을 추출하였으며 인가된 전압에서 다이오드 내부의 전계 및 포텐셜 분포를 분석하였다.The on-resistance and breakdown voltage characteristics, which are the performance indicators of the diode, were extracted through the current-voltage characteristics according to the structural change, and the electric field and potential distribution inside the diode were analyzed at the applied voltage.
그리고 시뮬레이션을 위한 산화갈륨의 물성은 다음의 표와 같다.And the physical properties of gallium oxide for simulation are shown in the following table.
실험 1. 금속가드링의 간격에 따른 항복전압 특성
금속가드링의 간격에 따른 특성을 확인하기 위하여, 금속가드링의 개수와 폭을 5개와 0.5㎛로 고정하고, 금속가드링 사이의 간격을 0.2㎛, 0.4㎛, 0.6㎛ 및 0.8㎛ 로 변경하면서 시뮬레이션을 수행하였다. 애노드에 가장 인접한 금속가드링과 애노드 사이의 간격도 금속가드링 사이의 간격과 동일하게 구성하였다.In order to check the characteristics of the metal guard rings according to the distance, the number and width of the metal guard rings are fixed at 5 and 0.5㎛, and the distance between the metal guard rings is changed to 0.2㎛, 0.4㎛, 0.6㎛ and 0.8㎛. Simulation was performed. The distance between the metal guard ring closest to the anode and the anode was also configured to be the same as the distance between the metal guard rings.
도 2는 금속가드링의 간격 변화에 따른 항복전압을 금속가드링이 없는 경우와 비교하여 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing a breakdown voltage according to a change in spacing of a metal guard ring compared to a case without a metal guard ring.
금속가드링이 없을 경우 940 V의 항복전압을 갖는데 비하여, 5개의 금속 가드링을 형성한 경우에 항복전압이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 특히 금속가드링 사이의 간격이 0.2㎛인 경우에 항복전압이 1480V으로 크게 개선되는 것을 확인할 수 있다. It can be seen that the breakdown voltage is improved when five metal guard rings are formed, compared to 940 V without the metal guard ring. In particular, it can be seen that the breakdown voltage is greatly improved to 1480V when the gap between the metal guard rings is 0.2㎛.
도 3과 도 4는 본 실시예와 비교예에 따른 쇼트키 장벽 다이오드에 대하여 항복전압이 인가된 조건에서 소자내부의 전계 및 포텐셜 분포를 도시한 도면이다.3 and 4 are diagrams showing electric field and potential distributions inside a device under a condition in which a breakdown voltage is applied to the Schottky barrier diodes according to the present and comparative examples.
도 3에 도시된 것과 같이, 가드링이 없을 경우 애노드의 모서리에서 국부적으로 하나의 강한 전계가 집중되어 소자의 항복현상을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3, it can be seen that in the absence of a guard ring, a single strong electric field is locally concentrated at the edge of the anode to generate a breakdown phenomenon of the device.
도 4에 도시된 것과 같이, 금속가드링 구조를 도입할 경우, 전계 분산 효과가 발생하면서 항복전압이 개선되는 것으로 판단된다. 이때, 금속가드링 사이의 간격이 늘어나면서 전계 분산 효과가 감소되는 것으로 나타났고, 이는 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위 내에 그 다음 가드링이 위치하지 못하고 멀리 떨어져 있기 때문인 것으로 보인다. 따라서 시뮬레이션을 수행한 간격들 중에서는 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위 내에 그 다음 금속가드링이 위치하는 0.2㎛의 경우에 항복전압의 개선효과가 가장 뛰어난 것으로 나타났다.As shown in FIG. 4, when the metal guard ring structure is introduced, it is determined that the electric field dispersion effect occurs and the breakdown voltage is improved. At this time, it was found that the electric field dispersion effect decreased as the distance between the metal guard rings increased, and this seems to be because the next guard ring is not located within the range of the depletion region extending from the edge of the metal guard ring and is far away. Therefore, it was found that the effect of improving the breakdown voltage was the most excellent in the case of 0.2 μm in which the next metal guard ring was located within the range of the depletion region extending from the edge of the metal guard ring among the simulated intervals.
한편, 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위는 전송층의 도핑농도에 영향을 받으며, 도핑농도가 낮을수록 공핍영역이 확장되기 때문에 금속가드링 사이에 필요한 이격거리는 더 멀어질 수 있다.On the other hand, the range of the depletion region extending from the edge of the metal guard ring is affected by the doping concentration of the transport layer, and since the depletion region expands as the doping concentration is lower, the required separation distance between the metal guard rings may increase.
실험 2. 금속가드링의 개수에 따른 항복전압 특성
금속가드링의 개수에 따른 특성을 확인하기 위하여, 금속가드링의 간격과 폭을 0.2㎛와 0.5㎛로 고정하고, 금속가드링의 개수을 0개에서 6개까지 변경하면서 시뮬레이션을 수행하였다.In order to confirm the characteristics according to the number of metal guard rings, the spacing and width of the metal guard rings were fixed to 0.2㎛ and 0.5㎛, and the number of metal guard rings was changed from 0 to 6, and simulation was performed.
도 5는 금속가드링의 개수 변화에 따른 전류-전압 특성과 항복전압을 도시한 그래프이다.5 is a graph showing current-voltage characteristics and breakdown voltage according to a change in the number of metal guard rings.
도 6과 도 7은 본 실시예와 비교예에 따른 쇼트키 장벽 다이오드에 대하여 항복전압이 인가된 조건에서 소자내부의 전계 및 포텐셜 분포를 금속가드링의 개수에 따라서 도시한 도면이다.6 and 7 are diagrams showing electric field and potential distributions in a device according to the number of metal guard rings under a condition in which a breakdown voltage is applied to the Schottky barrier diode according to the present embodiment and the comparative example.
금속가드링의 개수가 증가함에 따라 항복전압이 증가하며, 4개까지는 항복전압이 크게 증가하지만 그 이상부터 항복전압이 점차 포화되어 증가량이 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 금속가드링의 간격과 폭이 0.2㎛와 0.5㎛인 경우, 적어도 4개 이상의 금속가드링을 형성하는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있다.As the number of metal guard rings increases, the breakdown voltage increases, and the breakdown voltage increases significantly up to four, but from above that, the breakdown voltage gradually saturates and the increase decreases. Therefore, it can be seen that it is preferable to form at least four or more metal guard rings when the gap and width of the metal guard rings are 0.2 μm and 0.5 μm.
실험 3. 금속가드링의 폭에 따른 항복전압 특성
금속가드링의 폭에 따른 특성을 확인하기 위하여, 금속가드링의 간격을 0.2㎛로 고정한 상태에서, 금속가드링의 개수는 0개에서 6개까지 변경하고 금속가드링의 폭을 0.5㎛, 1.0㎛, 1.5㎛ 및 2.0㎛ 로 변경하면서 시뮬레이션을 수행하였다.In order to check the characteristics according to the width of the metal guard ring, change the number of metal guard rings from 0 to 6 with the gap between the metal guard rings fixed at 0.2 μm, and change the width of the metal guard ring to 0.5 μm and 1.0. Simulation was performed while changing to µm, 1.5 µm and 2.0 µm.
도 8은 금속가드링의 개수와 폭의 변화에 따른 항복전압을 도시한 그래프이다.8 is a graph showing breakdown voltage according to changes in the number and width of metal guard rings.
도시된 것과 같이, 모든 금속가드링의 폭에 대해서 금속가드링의 개수가 4개 이상인 경우 항복전압이 포화되는 것을 확인할 수 있었다.As shown, it was confirmed that the breakdown voltage was saturated when the number of metal guard rings was 4 or more with respect to the width of all the metal guard rings.
도 9는 금속가드링이 5개인 경우에 금속가드링의 폭 변화에 따른 항복전압을 도시한 그래프이다.9 is a graph showing a breakdown voltage according to a change in width of a metal guard ring when there are 5 metal guard rings.
금속가드링의 간격이 0.2㎛인 경우, 금속가드링의 폭이 증가할수록 항복전압이 증가하여 금속가드링의 폭이 1.5㎛인 경우에 2000V를 나타내었으나, 금속가드링의 폭이 2.0㎛인 경우에는 오히려 항복전압이 감소하였다.When the gap between the metal guard ring is 0.2 μm, the breakdown voltage increases as the width of the metal guard ring increases, and when the width of the metal guard ring is 1.5 μm, 2000 V is displayed, but when the width of the metal guard ring is 2.0 μm Rather, the breakdown voltage decreased.
도 10은 항복전압이 인가된 조건에서 소자내부의 전계 및 포텐셜 분포를 금속가드링의 폭에 따라서 도시한 도면이다.10 is a diagram showing an electric field and a potential distribution inside a device according to a width of a metal guard ring under a condition in which a breakdown voltage is applied.
도 10에 도시된 것과 같이, 금속가드링이 애노드로부터 멀어질수록 최대 전계값이 감소되는 것을 알 수 있으며, 금속가드링의 폭이 너무 크면 애노드에서 가장 멀리 위치하는 금속가드링에서 전계가 충분히 높게 유지되지 않기 때문에, 항복전압의 저하를 가져온 것으로 판단된다.As shown in Fig. 10, it can be seen that the maximum electric field value decreases as the metal guard ring is further away from the anode.If the width of the metal guard ring is too large, the electric field is sufficiently high in the metal guard ring located farthest from the anode. Since it is not maintained, it is judged that the breakdown voltage has decreased.
따라서 금속가드링의 폭과 금속가드링 사이의 간격 및 금속가드링의 개수를 조절함에 있어서, 애노드 및 각 금속 가드링의 가장자리에서 집중되는 전계의 크기를 주어진 반도체 소재의 임계항복전계 이하로 유지하면서 균일하게 분포되도록 조절하는 것이 바람직하다.Therefore, in adjusting the width of the metal guard ring, the gap between the metal guard rings, and the number of metal guard rings, the magnitude of the electric field concentrated at the edges of the anode and each metal guard ring is maintained below the critical yield electric field of a given semiconductor material. It is desirable to adjust so as to be evenly distributed.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 쇼트키 장벽 다이오드와 비교예의 쇼트키 장벽 다이오드에 대한 정전류-전압 특성을 도시한 그래프이다.11 is a graph showing constant current-voltage characteristics of a Schottky barrier diode according to an embodiment of the present invention and a Schottky barrier diode according to a comparative example.
도시된 결과는 애노드의 면적만을 고려하여 추출된 결과이며, 비교예의 금속가드링이 형성되지 않은 쇼트키 장벽 다이오드의 특성과 본 실시예에 따라서 금속가드링이 형성된 쇼트키 장벽 다이오드의 특성이 거의 동일한 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서 추가된 금속가드링은 쇼트키 장벽 다이오드의 온저항 특성은 저하시키지 않고, 항복전압을 효과적으로 개선하는 것을 알 수 있다.The results shown are extracted by considering only the area of the anode, and the characteristics of the Schottky barrier diode without the metal guard ring of the comparative example and the Schottky barrier diode with the metal guard ring according to the present embodiment are almost the same. Appeared. Therefore, it can be seen that the metal guard ring added in the present invention effectively improves the breakdown voltage without reducing the on-resistance characteristic of the Schottky barrier diode.
본 발명에 따른 쇼트키 장벽 다이오드는 애노드 주변에 하나 이상의 금속가드링을 형성한 점에 특징이 있고, 금속가드링을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 전송층에 쇼트키 접촉하도록 금속 패턴을 형성하는 방법이 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 애노드를 형성하는 과정에서 금속가드링을 함께 형성하는 것도 가능하다.The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that at least one metal guard ring is formed around the anode, and the method of forming the metal guard ring is not particularly limited, and a metal pattern is formed to make Schottky contact with the transmission layer. How to do it can be applied in various ways. In addition, it is also possible to form a metal guard ring together in the process of forming the anode.
이와 같이, 본 발명의 금속가드링은 그 형성방법이 이온주입공정보다 쉽고 저렴하며, 기존의 애노드 형성 공정에 포함시킬 수 있으면서도, 쇼트키 장벽 다이오드의 온저항 특성은 저하시키지 않고 항복전압을 개선할 수 있다.As described above, the metal guard ring of the present invention is easier and cheaper than the ion implantation process, and can be included in the existing anode formation process, while improving the breakdown voltage without lowering the on-resistance characteristics of the Schottky barrier diode. I can.
따라서 종래에 이온주입에 의한 가드링을 적용하였던 쇼트키 장벽 다이오드에 적용할 수 있고, 이온주입에 의해서 가드링 형성하지 못하였던 재질의 쇼트키 장벽 다이오드에 적용할 수 있다.Therefore, it can be applied to a Schottky barrier diode that has conventionally applied a guard ring by ion implantation, and can be applied to a Schottky barrier diode made of a material that cannot form a guard ring by ion implantation.
특히, 신물질로 반도체 재료로 각광받고 있으나, 이온주입에 의한 가드링 형성이 불가능한 산화갈륨을 사용한 쇼트키 장벽 다이오드의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.In particular, although it is in the spotlight as a semiconductor material as a new material, it has an excellent effect of greatly improving the performance of a Schottky barrier diode using gallium oxide, which cannot form a guard ring by ion implantation.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above through preferred embodiments, but the above-described embodiments are only illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes are possible within the scope not departing from the technical idea of the present invention. Those of ordinary knowledge will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be interpreted not by specific embodiments, but by the matters described in the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100: 고농도층 200: 전송층
300: 캐소드 400: 애노드
500: 금속가드링 600: 보호막
700: 가드링100: high concentration layer 200: transmission layer
300: cathode 400: anode
500: metal guard ring 600: protective film
700: guard ring
Claims (20)
상기 고농도층 위에 형성되고, 산화갈륨 재질에 제1 도펀트로 도핑되되 상기 고농도층에 비하여 상대적으로 도핑농도가 낮은 전송층;
상기 고농도층의 하면에 오믹 접촉된 금속 재질의 캐소드; 및
상기 전송층의 상면 일부에 쇼트키 접촉하도록 형성된 금속 재질의 애노드를 포함하는 쇼트키 장벽 다이오드에 있어서,
상기 전송층의 상면에 쇼트키 접촉된 금속 재질의 금속가드링이 하나 이상 형성되고,
상기 금속가드링은 상기 애노드에 소정 거리 이격되어 접촉하지 않으며, 상기 애노드를 둘러싸도록 위치된 것이고,
상기 금속가드링은 적어도 4개 이상이 서로 접촉하지 않도록 0.2 내지 0.8㎛의 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드.
A high concentration layer doped with a first dopant on a gallium oxide material;
A transmission layer formed on the high concentration layer and doped with a gallium oxide material with a first dopant, but having a relatively low doping concentration compared to the high concentration layer;
A metal cathode in ohmic contact with the lower surface of the high concentration layer; And
In the Schottky barrier diode comprising an anode made of a metal material formed to make Schottky contact with a portion of the upper surface of the transmission layer,
At least one metal guard ring made of a metal material in contact with the Schottky is formed on the upper surface of the transmission layer,
The metal guard ring is spaced apart from the anode by a predetermined distance and does not contact, and is positioned to surround the anode,
The Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics, wherein the metal guard rings are formed at intervals of 0.2 to 0.8 μm so that at least four or more metal guard rings do not contact each other.
복수의 금속가드링은 서로 소정 거리 이격되어 있으며,
금속가드링 상호간에 이격된 거리가, 애노드에 가장 가까운 금속가드링과 애노드 사이의 간격과 동일한 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드.
The method according to claim 1,
The plurality of metal guard rings are spaced a predetermined distance from each other,
A Schottky barrier diode with improved breakdown voltage, characterized in that the distance between the metal guard rings is the same as the distance between the metal guard ring closest to the anode and the anode.
금속가드링 상호간에 이격된 거리가, 상대적으로 안쪽에 위치하는 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위 내에 상대적으로 바깥쪽에 위치하는 다음 금속가드링이 위치하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드.
The method of claim 3,
The breakdown voltage characteristic, characterized in that the next metal guard ring located relatively outside is located within the range of the depletion region that extends from the edge of the metal guard ring located relatively inside the metal guard ring. An improved Schottky barrier diode.
금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역이 상기 전송층의 도핑농도에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드.
The method of claim 4,
A Schottky barrier diode with improved breakdown voltage, characterized in that a depletion region extending from an edge of a metal guard ring is determined by a doping concentration of the transport layer.
애노드와 금속가드링 각각의 가장자리에서 집중되는 전계의 크기가 반도체 소재의 임계항복전계 이하인 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드.
The method according to claim 1,
Schottky barrier diode with improved breakdown voltage, characterized in that the magnitude of the electric field concentrated at the edges of the anode and the metal guard ring is less than or equal to the critical breakdown electric field of a semiconductor material.
상기 금속가드링을 덮고 상기 애노드만 노출시키는 보호막이 형성된 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드.
The method according to claim 1,
A Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics, characterized in that a protective film is formed covering the metal guard ring and exposing only the anode.
제1 도펀트로 도핑된 기판을 준비하는 기판 준비 단계;
상기 기판의 상부에 제1 도펀트로 도핑되고 상대적으로 도핑농도가 낮은 전송층을 성장시키는 전송층 성장 단계;
상기 기판의 하면에 오믹 접촉된 금속 재질의 캐소드를 형성하는 캐소드 형성 단계; 및
상기 전송층의 상면 일부에 쇼트키 접촉하도록 금속 재질의 애노드를 형성하는 애노드 형성 단계를 포함하는 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법에 있어서,
상기 전송층의 상면에 쇼트키 접촉된 금속 재질의 금속가드링을 하나 이상 형성하는 금속가드링 형성 단계를 더 포함하며,
상기 금속가드링 형성 단계는, 상기 애노드에 소정 거리 이격되어 접촉하지 않고, 상기 애노드를 둘러싸도록 금속가드링을 형성하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
In the method of manufacturing a Schottky barrier diode according to claim 1,
A substrate preparation step of preparing a substrate doped with a first dopant;
A transfer layer growing step of growing a transfer layer doped with a first dopant and having a relatively low doping concentration on the substrate;
A cathode forming step of forming a cathode made of a metal material in ohmic contact with a lower surface of the substrate; And
In the method of manufacturing a Schottky barrier diode comprising the step of forming an anode of a metal material so as to make Schottky contact with a portion of the upper surface of the transmission layer,
Further comprising a metal guard ring forming step of forming at least one metal guard ring made of a metal material in contact with the Schottky on the upper surface of the transmission layer,
In the forming of the metal guard ring, a method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics, wherein the metal guard ring is formed to surround the anode without contacting the anode by a predetermined distance.
상기 금속가드링 형성 단계가 상기 애노드 형성 단계에서 함께 수행되는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 10,
The method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics, wherein the forming of the metal guard ring is performed together in the forming of the anode.
상기 금속가드링 형성 단계에서,
서로 접촉하지 않는 복수의 금속가드링을 형성하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 10,
In the metal guard ring forming step,
A method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage characteristics, characterized in that a plurality of metal guard rings not in contact with each other are formed.
복수의 금속가드링이 서로 소정 거리 이격되도록 형성하며,
금속가드링 상호간에 이격된 거리가, 애노드에 가장 가까운 금속가드링과 애노드 사이의 간격과 동일하게 형성하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 12,
A plurality of metal guard rings are formed to be spaced apart a predetermined distance from each other,
A method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage, characterized in that the distance between the metal guard rings is formed equal to the distance between the metal guard ring closest to the anode and the anode.
금속가드링 상호간에 이격된 거리가, 상대적으로 안쪽에 위치하는 금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역의 범위 내에 상대적으로 바깥쪽에 위치하는 다음 금속가드링이 위치하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 13,
Breakdown voltage, characterized in that the distance between the metal guard rings is formed such that the next metal guard ring located relatively outside is located within the range of the depletion region extending from the edge of the metal guard ring located relatively inside. Method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved characteristics.
금속가드링의 모서리로부터 확장되는 공핍영역은 상기 전송층의 도핑농도에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 14,
The method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage, characterized in that the depletion region extending from the edge of the metal guard ring is determined by the doping concentration of the transport layer.
애노드와 금속가드링 각각의 가장자리에서 집중되는 전계의 크기가 반도체 소재의 임계항복전계 이하가 되도록 상기 금속가드링을 형성하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 12,
The method of manufacturing a Schottky barrier diode with improved breakdown voltage, characterized in that the metal guard ring is formed so that the magnitude of the electric field concentrated at the edges of the anode and the metal guard ring is less than or equal to the critical breakdown electric field of a semiconductor material.
상기 금속가드링을 덮고 상기 애노드만 노출시키는 보호막을 형성하는 보호막 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항복전압 특성이 개선된 쇼트키 장벽 다이오드의 제조방법.
The method of claim 10,
The method of manufacturing a Schottky barrier diode having improved breakdown voltage characteristics, further comprising: forming a protective film covering the metal guard ring and exposing only the anode.
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