RU2395869C1 - High-voltage semiconductor instrument - Google Patents
High-voltage semiconductor instrument Download PDFInfo
- Publication number
- RU2395869C1 RU2395869C1 RU2009117062/28A RU2009117062A RU2395869C1 RU 2395869 C1 RU2395869 C1 RU 2395869C1 RU 2009117062/28 A RU2009117062/28 A RU 2009117062/28A RU 2009117062 A RU2009117062 A RU 2009117062A RU 2395869 C1 RU2395869 C1 RU 2395869C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- voltage
- grooves
- junction
- planar
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, конкретно - к приборам с кремниевыми диффузионными планарными p-n переходами, и может быть использовано для создания элементной базы преобразовательных устройств.The invention relates to the field of high-power high-voltage semiconductor devices, specifically to devices with silicon diffusion planar p-n junctions, and can be used to create an element base of converting devices.
Для работы таких устройств существенно значение предельного рабочего напряжения, которое определяется напряжением лавинного пробоя обратно смещенного p-n перехода, блокирующего приложенное к прибору напряжение. Если лавинный пробой происходит в объеме низколегированной базовой области p-n перехода, то напряжение пробоя определяется удельным сопротивлением материала базовой области и возрастает с его увеличением. Однако в реальных конструкциях планарных полупроводниковых приборов пробой обычно происходит в районе выхода p-n перехода на поверхность полупроводника при напряжении, существенно меньшем напряжения лавинного пробоя. Для увеличения напряжения пробоя этих устройств применяются, например, охранные кольца в виде кольцевых p-n переходов, расположенных на поверхности прибора по периметру выхода основного p-n перехода на поверхность, что, однако, приводит к увеличению площади прибора и его усложнению и удорожанию.For the operation of such devices, the value of the limiting operating voltage, which is determined by the avalanche breakdown voltage of the reverse biased p-n junction, blocking the voltage applied to the device, is essential. If an avalanche breakdown occurs in the volume of the low-alloyed base region of the pn junction, then the breakdown voltage is determined by the resistivity of the material of the base region and increases with its increase. However, in real designs of planar semiconductor devices, breakdown usually occurs in the region where the pn junction reaches the surface of the semiconductor at a voltage substantially lower than the avalanche breakdown voltage. To increase the breakdown voltage of these devices, for example, guard rings in the form of ring p-n junctions located on the surface of the device along the perimeter of the output of the main p-n junction to the surface are used, which, however, leads to an increase in the area of the device and its complexity and cost.
Известна конструкция высоковольтного полупроводникового прибора [заявка на патент JP 2001244479, опубл. 07.09.2001], содержащая базовый слой N-типа, эпитаксиальный слой n-типа, стоп-слой n+-типа, верхние охранные кольца p+-типа и нижние охранные кольца p+-типа. В устройстве выполнены две группы охранных колец в виде кольцевых p-n переходов, расположенных на противоположных сторонах пластины, причем проекция каждого верхнего кольца попадает в промежуток между нижними кольцами, а вся группа нижних колец закрыта специально выращенным эпитаксиальным слоем. Такая конструкция прибора позволяет уменьшить площадь пластины, занятую охранными кольцами при сохранении достаточно высокого напряжения пробоя.A known design of a high-voltage semiconductor device [patent application JP 2001244479, publ. 07.09.2001] comprising a base layer of N-type epitaxial layer of n-type, the stop layer n + -type guard ring upper p + -type guard rings and lower p + -type. The device has two groups of guard rings in the form of annular pn junctions located on opposite sides of the plate, with the projection of each upper ring falling into the gap between the lower rings, and the entire group of lower rings being covered by a specially grown epitaxial layer. This design of the device allows to reduce the plate area occupied by the guard rings while maintaining a sufficiently high breakdown voltage.
Однако эта конструкция является очень сложной технологически из-за необходимости двухстороннего совмещения рисунков колец и эпитаксиального заращивания нижней группы колец.However, this design is very technologically complex due to the need for two-way combination of ring patterns and epitaxial overgrowth of the lower group of rings.
Известна конструкция высоковольтного полупроводникового устройства на основе кремния - тиристора со статической индукцией [патент JP 11008376, опубл. 12.01.1999], взятая за прототип предлагаемого технического решения.A known design of a high-voltage semiconductor device based on silicon - thyristor with static induction [patent JP 11008376, publ. 12.01.1999], taken as a prototype of the proposed technical solution.
Устройство с кремниевым диффузионным планарным p'-N переходом содержит базовый слой N-типа проводимости, анодный слой p'-типа проводимости, металлический контакт к аноду, базовые (диффузионные) участки p'-типа проводимости, катодные участки n+-типа проводимости, охранные кольца на поверхности базового слоя N-типа проводимости, металлический контакт к базовым участкам, металлический контакт к катодным участкам, канавки в охранных кольцах. Охранные кольца, выполненные в виде кольцевых p'-N переходов и закрытые защитным диэлектрическим покрытием, имеют предварительно вытравленную канавку, благодаря которой глубина p'-N перехода в кольцах получается большей, чем в базовых участках, при одновременном изготовлении их путем локальной диффузии бора в N-слой. Увеличение глубины p'-N перехода в кольцах позволяет увеличить блокируемое напряжение на каждом кольце.A device with a silicon diffusion planar p'-N junction contains a base layer of N-type conductivity, an anode layer of p'-type conductivity, metal contact to the anode, base (diffusion) sections of p'-type conductivity, cathode sections of n + type conductivity, guard rings on the surface of the base layer of N-type conductivity, metal contact to the base sections, metal contact to the cathode sections, grooves in the guard rings. The guard rings, made in the form of ring p'-N junctions and covered with a protective dielectric coating, have a pre-etched groove, due to which the depth of the p'-N junction in the rings is greater than in the base sections, while their manufacture by local boron diffusion in N layer. Increasing the depth of the p'-N junction in the rings makes it possible to increase the blocked voltage on each ring.
Недостатком устройства, прежде всего, является сложность конструкции и большая площадь кремниевой пластины. Область объемного заряда в промежутке между охранными кольцами выходит на поверхность слаболегированной N базы и должна быть защищена диэлектрическим покрытием. Обычно этим покрытием служит термически выращенная двуокись кремния SiO2. Это покрытие всегда содержит некоторое количество подвижных положительно заряженных ионов щелочных металлов, которые при приложении к устройству запирающего смещения дрейфуют к p'-N переходу. Положительный заряд этих ионов притягивает к поверхности N-слоя свободные электроны, приводя к обогащению ими приповерхностного слоя и снижая тем самым напряжение пробоя колец. Поэтому на каждом кольце должна быть металлическая обкладка, покрывающая сверху слой SiO2 между кольцами и электрически соединенная с p'-слоем кольца. При подаче на p'-N переход запирающего смещения эти обкладки находятся под отрицательным потенциалом и препятствуют дрейфу положительных ионов к p'-N переходу, предотвращая тем самым обогащение приповерхностного слоя кремния. Наличие металлических обкладок усложняет конструкцию и приводит к увеличению площади прибора.The disadvantage of the device, first of all, is the complexity of the design and the large area of the silicon wafer. The space charge region in the gap between the guard rings comes to the surface of a lightly doped N base and must be protected by a dielectric coating. Typically, this coating is thermally grown silica SiO 2 . This coating always contains a certain number of mobile positively charged alkali metal ions, which, when a locking bias is applied to the device, drift to the p'-N junction. The positive charge of these ions attracts free electrons to the surface of the N-layer, leading to the enrichment of the near-surface layer and thereby reducing the breakdown voltage of the rings. Therefore, on each ring there should be a metal lining covering the top layer of SiO 2 between the rings and electrically connected to the p'-layer of the ring. When a locking bias is applied to the p'-N junction, these plates are at a negative potential and impede the drift of positive ions to the p'-N junction, thereby preventing enrichment of the near-surface silicon layer. The presence of metal plates complicates the design and leads to an increase in the area of the device.
Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и уменьшения площади, занимаемой охранными кольцами высоковольтного полупроводникового прибора с кремниевым диффузионным планарным p'-N переходом.The present invention solves the problem of simplifying the design and reducing the area occupied by the guard rings of a high-voltage semiconductor device with a silicon diffusion planar p'-N junction.
Задача решается высоковольтным полупроводниковым прибором, включающим кремниевый диффузионный планарный p'-N переход, электрические контакты для подачи потенциалов и охранные кольца с канавками на поверхности прибора, закрытые диэлектрическим слоем, причем охранные кольца расположены в области периметра p'-слоя планарного p'-N перехода и выполнены в виде кольцевых канавок, вытравленных в диффузионном p'-слое на глубину h, удовлетворяющую соотношению а<h<b, ширина l каждой канавки имеет величину от 5 до 50 мкм, а суммарная ширина L канавок больше или равна величине Uпр/Екр,The problem is solved by a high-voltage semiconductor device, including a silicon diffusion planar p'-N junction, electrical contacts for supplying potentials and guard rings with grooves on the surface of the device, covered by a dielectric layer, the guard rings being located in the region of the perimeter of the p'-layer of the planar p'-N transitions and are made in the form of annular grooves etched in the diffusion p'-layer to a depth h satisfying the relation a <h <b, the width l of each groove has a value from 5 to 50 μm, and the total width L of the grooves is greater or equal to the value of U pr / E cr ,
гдеWhere
а - расстояние от поверхности упомянутого p'-слоя до границы расширения области объемного заряда в p'-слой при увеличении блокируемого напряжения до величины, при которой напряженность поля на кольцевом периметре p'-слоя достигает критической величины для лавинного пробоя, мкм;and - the distance from the surface of the mentioned p'-layer to the boundary of the expansion of the space charge region in the p'-layer with increasing blocked voltage to a value at which the field strength at the annular perimeter of the p'-layer reaches a critical value for avalanche breakdown, microns;
b - толщина p'-слоя, мкм;b is the thickness of the p'-layer, microns;
Uпр - напряжение лавинного пробоя плоского p'-N перехода в объеме кремния, В;U CR - avalanche breakdown voltage of a flat p'-N junction in the silicon volume, V;
Екр - напряженность пробоя в приповерхностном слое дна канавок, удовлетворяющая соотношению Екр=(0.2÷0.3)Еоб, где Еоб - напряженность пробоя плоского p'-N перехода в объеме кремния, В/см.Е кр - breakdown intensity in the surface layer of the bottom of the grooves, satisfying the relation Е кр = (0.2 ÷ 0.3) Е о , where Е о - breakdown intensity of a flat p'-N junction in the silicon volume, V / cm.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.The essence of the proposed technical solution is as follows.
Область объемного заряда при работе предлагаемой конструкции, в отличие от прототипа, выходит на поверхность кремния не в слаболегированном N базовом слое, а в днищах кольцевых канавок, вытравленных в p'-области. Концентрация легирующей примеси p-типа на этих поверхностях значительно превышает концентрацию примеси n-типа в N базовом слое. Поэтому наличие в диэлектрическом слое, покрывающем охранные кольца, даже значительной концентрации положительно заряженных ионов приводит лишь к слабому обеднению поверхностного слоя дырками, т.е. не к уменьшению, а даже к некоторому увеличению напряжения пробоя кольца. Поэтому нет необходимости использования металлических обкладок для таких охранных колец, что упрощает конструкцию устройства, а также уменьшает площадь, не участвующую в проведении силового тока, которую занимает система охранных колец в прототипе, т.к. при отсутствии упомянутых обкладок канавки могут располагаться на более близких расстояниях друг от друга.The space charge region during the work of the proposed design, in contrast to the prototype, comes to the silicon surface not in the lightly doped N base layer, but in the bottoms of the annular grooves etched in the p'-region. The concentration of p-type dopant on these surfaces is significantly higher than the concentration of n-type impurity in the N base layer. Therefore, the presence in the dielectric layer covering the guard rings even of a significant concentration of positively charged ions leads only to a slight depletion of the surface layer by holes, i.e. not to decrease, but even to some increase in the breakdown voltage of the ring. Therefore, there is no need to use metal plates for such guard rings, which simplifies the design of the device, and also reduces the area not involved in conducting the power current occupied by the guard ring system in the prototype, because in the absence of said plates, the grooves may be located at closer distances from each other.
Для того чтобы избежать пробоя по поверхности, количество кольцевых канавок (т.е. суммарная ширина) и ширина каждой канавки должны быть выбраны так, чтобы суммарное напряжение пробоя системы охранных колец было больше, чем напряжение пробоя плоского p'-N перехода в объеме кремния, которое в этом случае и будет определять величину рабочего напряжения высоковольтного прибора.In order to avoid breakdown on the surface, the number of annular grooves (i.e., the total width) and the width of each groove should be chosen so that the total breakdown voltage of the guard ring system is greater than the breakdown voltage of a flat p'-N junction in the silicon volume , which in this case will determine the value of the operating voltage of the high-voltage device.
Авторы экспериментально определили, что напряжение пробоя отдельной кольцевой канавки с ростом ее ширины 1 возрастает нелинейно и выходит на уровень насыщения при l≈50 мкм, а минимальная ширина, воспроизводимая технологически, равна l~5 мкм, т.е. ширина канавки должна удовлетворять соотношению 5 мкм≤l≤50 мкм. Расстояние между канавками следует минимизировать до величины, определяемой технологическими возможностями процесса вытравливания канавок, с целью уменьшения площади охранной системы канавок. Эта величина обычно составляет несколько мкм. Также экспериментально было установлено, что напряженность критического поля пробоя в приповерхностном слое дна канавки Екр=(0.2÷0.3)Еоб, где Еоб≈2·105 В/см - напряженность поля при пробое плоского p'-N перехода в объеме кремния [С.3и, Физика полупроводниковых приборов, т.1, с.110-111, Москва, Мир, 1984]. Суммарное напряжение пробоя всех канавок должно быть больше напряжения пробоя плоского p'-N перехода Uпр. Поэтому суммарная ширина всех канавок L должна быть не меньше, чем Uпр/Екр, и, следовательно, количество канавок М определяется отношением M=L/l. Для работы прибора с охранными кольцами в виде кольцевых канавок необходимо, чтобы граница области объемного заряда (ООЗ) в p'-слое достигла дна всех кольцевых канавок при напряжении, меньшем напряжения пробоя планарного p'-N перехода. Поэтому глубина канавки h должна быть больше расстояния а от поверхности p'-слоя до границы расширения ООЗ в p'-слое при этом напряжении. Выполнение неравенства a<h<b является принципиально необходимым, поскольку при h<а область объемного заряда в p'-слое не доходит до днища канавок, и тогда предельное блокируемое напряжение равно напряжению пробоя p'-N перехода на кольцевом периметре, а при h>b днища канавок располагаются в N слое, и охранные канавки становятся кольцевыми охранными p'-N переходами со всеми недостатками прототипа. Положение границы определяется расчетным путем при заданных значениях поверхностной концентрации NS и распределения примеси в р'-слое, а также глубины p'-N перехода b, т.е. толщины p' слоя. Обычно используемые значения NS лежат в пределах 5·1015≤NS≤5·1017 см-3, глубина p'-N перехода - в пределах 5≤b≤20 мкм, а распределение примеси подчиняется закону Гаусса. В литературе, например [Н.Lawrence, R.Warner, Bell System Techn. J., 1960, 39, 2, P.387; И.В.Грехов, И.А.Линийчук, В.Е.Челноков, В.Б.Шуман. Радиотехника и электроника, 1966, №10, с.1856-1864); V.A.K. Temple, M.S.Adier IEEE Trans. Electron Devices, ED-22, 1975] имеются результаты численного расчета ширины ООЗ для этих диапазонов параметров, поэтому положение границы ООЗ в p'-слое при заданном напряжении может быть рассчитано точно. Оно также может быть вычислено специалистом в данной области на компьютере с помощью известных программных средств.The authors experimentally determined that the breakdown voltage of an individual annular groove with an increase in its width 1 increases nonlinearly and reaches a saturation level at l≈50 μm, and the minimum width reproducible technologically is equal to l ~ 5 μm, i.e. the groove width must satisfy a ratio of 5 μm≤l≤50 μm. The distance between the grooves should be minimized to a value determined by the technological capabilities of the process of etching the grooves in order to reduce the area of the security system of the grooves. This value is usually a few microns. It was also experimentally established that the critical breakdown field strength in the surface layer of the bottom of the groove E cr = (0.2 ÷ 0.3) E rev , where E rev ≈2 · 10 5 V / cm is the field strength during breakdown of a flat p'-N junction in the volume silicon [S.3i, Physics of semiconductor devices, t.1, p.110-111, Moscow, Mir, 1984]. The total breakdown voltage of all the grooves must be greater than the breakdown voltage of the flat p'-N junction U pr Therefore, the total width of all the grooves L should be no less than U pr / E cr , and, therefore, the number of grooves M is determined by the ratio M = L / l. For the device to work with guard rings in the form of ring grooves, it is necessary that the boundary of the space charge region (OOZ) in the p'-layer reach the bottom of all ring grooves at a voltage lower than the breakdown voltage of the planar p'-N junction. Therefore, the depth of the groove h must be greater than the distance a from the surface of the p'-layer to the boundary of the expansion of the SCR in the p'-layer at this voltage. The fulfillment of the inequality a <h <b is fundamentally necessary, since for h <a the region of the space charge in the p'-layer does not reach the bottom of the grooves, and then the maximum blocked voltage is equal to the breakdown voltage of the p'-N junction on the annular perimeter, and for h > b the bottom of the grooves are located in the N layer, and the security grooves become annular security p'-N junctions with all the disadvantages of the prototype. The position of the boundary is determined by calculation for given values of the surface concentration N S and the distribution of the impurity in the p'-layer, as well as the depth of the p'-N junction b, i.e. thickness p 'of the layer. The commonly used values of N S are in the range 5 · 10 15 ≤N S ≤5 · 10 17 cm -3 , the depth of the p'-N junction is in the range of 5≤b≤20 μm, and the impurity distribution obeys the Gaussian law. In the literature, for example [H. Lawrence, R. Warner, Bell System Techn. J., 1960, 39, 2, P. 387; I.V. Grekhov, I.A. Lineychuk, V.E. Chelnokov, V. B. Shuman. Radio engineering and electronics, 1966, No. 10, p. 1856-1864); VAK Temple, MSAdier IEEE Trans. Electron Devices, ED-22, 1975] there are results of a numerical calculation of the SCR width for these parameter ranges, therefore, the position of the SCR boundary in the p'-layer at a given voltage can be calculated accurately. It can also be calculated by a person skilled in the art on a computer using known software tools.
Таким образом, показано, что признаки устройства, изложенные в формуле изобретения, позволяют создать прибор с высоким напряжением пробоя при упрощении конструкции и уменьшении площади, занимаемой защитными (охранными) кольцами.Thus, it is shown that the features of the device set forth in the claims allow to create a device with a high breakdown voltage while simplifying the design and reducing the area occupied by the protective (guard) rings.
Устройство, выполненное в виде диода, схематически изображено на чертеже, гдеThe device, made in the form of a diode, is schematically shown in the drawing, where
1 - базовый слой из кремния N-типа проводимости;1 - base layer of silicon N-type conductivity;
2 - диффузионный p'-слой;2 - diffusion p'-layer;
3 - планарный p'-N переход;3 - planar p'-N junction;
4 - охранные кольца в виде канавок, вытравленных в p'-слое;4 - guard rings in the form of grooves etched in the p'-layer;
5 - стоп-слой n+-типа проводимости;5 - stop layer of n + type conductivity;
6 - металлические контакты;6 - metal contacts;
7 - ООЗ в p'-слое при напряжении, когда граница ООЗ достигает дна канавок;7 - OOZ in the p'-layer under stress, when the boundary OOZ reaches the bottom of the grooves;
8 - ООЗ в N-слое при напряжении, когда граница ООЗ достигает дна канавок.8 - OOZ in the N-layer at voltage, when the boundary of OOZ reaches the bottom of the grooves.
По мере увеличения приложенного к p'-N переходу 3 в цепи АВ напряжения в запорном направлении (минус на p'-слое), область объемного заряда (ООЗ) расширяется от плоскости p'-N перехода 3 в p'-слой (ООЗ 7) и в N-слой (ООЗ 8). Одновременно расширяется ООЗ по всему периметру выхода p'-N перехода на поверхность пластины кремния 1. Пока напряженность поля в области максимальной напряженности поля С на периметре p'-N перехода 3 меньше критической, обратный ток утечки определяется только термогенерацией свободных носителей в ООЗ и обычно не превышает десятков микроампер на 1 см2 площади p'-N перехода. Поэтому тангенциальный ток, протекающий по p'-слою к контакту А, не создает существенного падения напряжения на этом слое, ширина ООЗ 7 в нем практически одинакова по всей площади, и граница ООЗ в p'-слое достигает одновременно дна всех кольцевых канавок. При дальнейшем увеличении напряжения поле планарного p'-N перехода 3 в области максимальной напряженности С достигает критической величины, и там начинается ударная ионизация. Образующиеся электроны дрейфуют через ООЗ 8 к n+-слою 5 и далее уходят в контакт В, а дырки дрейфуют через ООЗ 7 p'-слоя к верхнему контакту А параллельно плоскости p'-N перехода. При дальнейшем повышении напряжения ток ударной ионизации ограничивается областью объемного заряда p'-слоя и возрастает незначительно, а прирост блокирующего напряжения равномерно распределяется между кольцевыми канавками.As the voltage applied to the p'-N junction 3 in the AB circuit increases in the locking direction (minus on the p'-layer), the space charge region (OOZ) expands from the plane of the p'-N junction 3 into the p'-layer (OOZ 7 ) and in the N-layer (OOZ 8). At the same time, the SCR expands along the entire perimeter of the exit of the p'-N junction to the surface of the silicon wafer 1. As long as the field strength in the region of the maximum field strength C at the perimeter of the p'-N junction 3 is less than critical, the reverse leakage current is determined only by the thermal generation of free carriers in the SCO and usually does not exceed dozens of microamps per 1 cm 2 area p'-N junction. Therefore, the tangential current flowing along the p'-layer to the contact A does not create a significant voltage drop on this layer, the width of the OOF 7 in it is almost the same over the entire area, and the boundary of the OOE in the p'-layer simultaneously reaches the bottom of all ring grooves. With a further increase in voltage, the field of the planar p'-N junction 3 in the region of maximum intensity C reaches a critical value, and shock ionization begins there. The resulting electrons drift through OOZ 8 to the n + layer 5 and then go into contact B, and holes drift through the OOZ 7 of the p'-layer to the upper contact A parallel to the plane of the p'-N junction. With a further increase in voltage, the shock ionization current is limited by the space charge region of the p'-layer and increases insignificantly, and the gain in the blocking voltage is evenly distributed between the annular grooves.
Напряжение, при котором напряженность поля на кольцевом периметре планарного p'-N перехода достигает критической величины Екр для лавинного пробоя, значительно меньше напряжения пробоя плоского p'-N перехода из-за большой кривизны p'-слоя на этом периметре, причем снижение напряжения тем больше, чем меньше толщина p'-слоя. Однако при снижении приложенного напряжения уменьшается ширина OO3 в p'-слое, что приводит к необходимости прецизионного контроля глубины травления канавок для того, чтобы граница OO3 достигала дна всех канавок одновременно. Это усложняет технологию. Для устранения этого можно сделать по меньшей мере одно дополнительное охранное кольцо в виде кольцевого p'-N перехода, расположенного по периметру выхода планарного p'-N перехода на поверхность.The voltage at which the field strength at the annular perimeter of a planar p'-N junction reaches a critical value of E cr for avalanche breakdown is much lower than the breakdown voltage of a flat p'-N junction due to the large curvature of the p'-layer at this perimeter, with a decrease in voltage the greater, the smaller the thickness of the p'-layer. However, with a decrease in the applied voltage, the OO3 width in the p'-layer decreases, which leads to the need for precision control of the etching depth of the grooves so that the OO3 boundary reaches the bottom of all grooves simultaneously. This complicates the technology. To eliminate this, at least one additional guard ring can be made in the form of an annular p'-N junction located along the perimeter of the exit of a planar p'-N junction to the surface.
Работа устройства.The operation of the device.
Предлагаемая конструкция с охранными кольцами в виде канавок может быть использована для защиты от пробоя по поверхности планарных высоковольтных p'-N переходов во всех типах диодных, транзисторных и тиристорных структур. Работают такие устройства следующим образом. К p'-N переходу (между контактами А и В) прикладывается нарастающий импульс блокируемого напряжения (минус на p'-слое), по всей площади p'-N перехода формируется обедненная свободными носителями область, расширяющаяся одновременно в слаболегированный N-слой и сильнолегированный планарный p'-слой с вытравленными в нем у периметра кольцевыми канавками. Граница обедненной области достигает днища всех канавок при напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя планарного p'-N перехода по периметру. При дальнейшем подъеме напряжения происходит пробой по периметру, после чего напряжение на нем не возрастает, а весь дальнейший прирост напряжения распределяется между кольцевыми канавками. Предельная величина блокируемого напряжения определяется величиной пробивного напряжения в объеме плоской части p'-N перехода под контактом к p'-слою внутри первого внутреннего охранного кольца.The proposed design with guard rings in the form of grooves can be used to protect against breakdown on the surface of planar high-voltage p'-N junctions in all types of diode, transistor and thyristor structures. Such devices work as follows. An increasing impulse of blocked voltage (minus on the p'-layer) is applied to the p'-N junction (between contacts A and B), a region depleted in free carriers is formed over the entire area of the p'-N junction, expanding simultaneously into a lightly doped N-layer and heavily doped planar p'-layer with annular grooves etched in it at the perimeter. The boundary of the depleted region reaches the bottom of all the grooves at a voltage lower than the breakdown voltage of the planar p'-N junction around the perimeter. With a further rise in voltage, a breakdown occurs along the perimeter, after which the voltage on it does not increase, and the entire further increase in voltage is distributed between the annular grooves. The maximum value of the blocked voltage is determined by the breakdown voltage in the volume of the flat part of the p'-N junction under contact to the p'-layer inside the first inner guard ring.
Пример.Example.
Согласно формуле предлагаемого изобретения был изготовлен высоковольтный планарный p'-n диод, показанный на чертеже. Планарный p'-N переход был изготовлен диффузией бора с поверхностной концентрацией NS=1·1016 см-3 в пластину кремния с концентрацией донорной примеси (фосфор) Nd=1·1013 см-3 на глубину b=1·10-3 см-3. Расчетное напряжение Uпр пробоя в объеме равно 2 кВ, а напряжение пробоя по кольцевому периметру p'-N перехода равно 400 В. Поэтому глубина h травления охранных колец (канавок) была выбрана такой, чтобы при обратном напряжении 400 В граница расширяющейся ООЗ в p'-слое достигала дна канавок. Суммарная ширина d ООЗ при этом напряжении, определенная из графиков, взятых из [H.Lawrence, R.Warner, Bell System Techn. J., 1960, 39, 2, P.387], была d=5·10-3 см. Из зависимостей величины отношения ширины d1 ООЗ в p'-слое к суммарной ширине d ООЗ от приложенного напряжения, приведенных в этой же статье, при вышеупомянутых параметрах p'-N перехода получаем d1/d=0.06, т.е. d1=3·10-4 см, и глубина h травления канавки h=b-d1=7·10-4 см. Ширина l канавки была выбрана 1=30 мкм. Напряжение пробоя такой канавки при вычисленном значении Екр=0.25 Еоб=5·104 В/см равно 150 В, и, таким образом, для блокировки напряжения Uпр=2 кВ необходимо 13 канавок. При расстоянии между канавками 5 мкм ширина L всей области охранных колец составила 450 мкм. Изготовленный прибор с такой конструкцией охранных колец имел резкий загиб обратной вольтамперной характеристики при напряжении (2±0.1) кВ, что свидетельствует об объемном характере пробоя.According to the formula of the invention, a high-voltage planar p'-n diode, shown in the drawing, was manufactured. A planar p'-N junction was made by diffusion of boron with a surface concentration of N S = 1 · 10 16 cm -3 into a silicon wafer with a concentration of donor impurity (phosphorus) N d = 1 · 10 13 cm -3 to a depth of b = 1 · 10 -3 cm -3 . The calculated breakdown voltage U pr of breakdown in the volume is 2 kV, and the breakdown voltage along the annular perimeter of the p'-N junction is 400 V. Therefore, the depth h of etching of the guard rings (grooves) was chosen such that, at a reverse voltage of 400 V, the boundary of the expanding OOZ in p '-layer reached the bottom of the grooves. The total width d of the SCR at this voltage, determined from the graphs taken from [H. Lawrence, R. Warner, Bell System Techn. J., 1960, 39, 2, P.387], was d = 5 · 10 −3 cm. From the dependences of the ratio of the ratio of the width d 1 of the OOZ in the p'-layer to the total width d of the OOZ on the applied voltage given in the same article, with the above parameters of the p'-N junction we get d 1 /d=0.06, i.e. d 1 = 3 · 10 -4 cm, and the depth h of etching the grooves h = bd 1 = 7 · 10 -4 cm. The width l of the groove was chosen 1 = 30 μm. The breakdown voltage of such a groove with the calculated value of E cr = 0.25 E about = 5 · 10 4 V / cm is equal to 150 V, and, thus, 13 grooves are necessary to block the voltage U CR = 2 kV. With a distance between the grooves of 5 μm, the width L of the entire area of the guard rings was 450 μm. A manufactured device with this design of guard rings had a sharp bend of the reverse current-voltage characteristic at a voltage of (2 ± 0.1) kV, which indicates the volume character of the breakdown.
По оценке авторов ширина области охранных колец, изготовленных, согласно прототипу, в виде кольцевых p'-N переходов с металлическими обкладками на них и рассчитанных на блокируемое напряжение ~2 кВ, составляет около 950 мкм. Такое увеличение ширины этой области, приводящее к увеличению потери рабочей площади, связано с необходимостью использования металлических обкладок, увеличивающих ширину кольца примерно вдвое по сравнению с предлагаемым техническим решением. При этом выполнение этих обкладок приводит к усложнению устройства.According to the authors, the width of the guard rings, made according to the prototype, in the form of ring p'-N junctions with metal plates on them and designed for a blocking voltage of ~ 2 kV, is about 950 microns. Such an increase in the width of this region, leading to an increase in the loss of working area, is associated with the need to use metal plates that increase the width of the ring by about half compared with the proposed technical solution. Moreover, the implementation of these plates leads to the complexity of the device.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет более простую конструкцию и меньшую площадь и, следовательно, является более дешевым.Thus, the proposed device has a simpler design and a smaller area and, therefore, is cheaper.
Claims (1)
где а - расстояние от поверхности упомянутого р′-слоя до границы расширения области объемного заряда в р′-слой при увеличении блокируемого напряжения до величины, при которой напряженность поля на кольцевом периметре р′-слоя достигает критической величины для лавинного пробоя, мкм;
b - толщина р′-слоя, мкм;
Uпр - напряжение лавинного пробоя плоского p′-N перехода в объеме кремния, В;
Екр - напряженность пробоя в приповерхностном слое дна канавок,
удовлетворяющая соотношению Екр=(0,2÷0,3)Еоб, где Eоб - напряженность пробоя плоского p′-N перехода в объеме кремния, В/см. A high-voltage semiconductor device including a silicon diffusion planar p′-N junction, electrical contacts for supplying potentials and guard rings with grooves on the surface of the device, covered by a dielectric layer, characterized in that the guard rings are located in the region of the perimeter of the p′-layer of the planar p′- N transitions and are made in the form of annular grooves etched in the diffusion p′-layer to a depth h satisfying the relation a <h <b, the width 1 of each groove has a value from 5 to 50 μm, and the total width L of the grooves is or more U ratio, etc. / E cr,
where a is the distance from the surface of the mentioned p′-layer to the boundary of the expansion of the space charge region in the p′-layer with increasing blocked voltage to a value at which the field strength at the annular perimeter of the p′-layer reaches a critical value for avalanche breakdown, microns;
b is the thickness of the p′-layer, microns;
U CR - avalanche breakdown voltage of a flat p′-N junction in the silicon volume, V;
E cr - the breakdown intensity in the surface layer of the bottom of the grooves,
satisfying the relation E cr = (0.2 ÷ 0.3) E about , where E about - breakdown intensity of a flat p′-N junction in the silicon volume, V / cm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117062/28A RU2395869C1 (en) | 2009-05-04 | 2009-05-04 | High-voltage semiconductor instrument |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117062/28A RU2395869C1 (en) | 2009-05-04 | 2009-05-04 | High-voltage semiconductor instrument |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2395869C1 true RU2395869C1 (en) | 2010-07-27 |
Family
ID=42698192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009117062/28A RU2395869C1 (en) | 2009-05-04 | 2009-05-04 | High-voltage semiconductor instrument |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2395869C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537704C1 (en) * | 2011-11-01 | 2015-01-10 | Чайна Майнинг Драйвс Энд Аутомэйшн Ко., Лтд. | Protecting device with electric interlock to protect upon power disconnection for used underground explosion-proof frequency converter |
| RU2681200C2 (en) * | 2017-04-10 | 2019-03-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина" | High-voltage relay |
| RU188679U1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-04-22 | Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ" | SEMICONDUCTOR DEVICE |
-
2009
- 2009-05-04 RU RU2009117062/28A patent/RU2395869C1/en active IP Right Revival
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537704C1 (en) * | 2011-11-01 | 2015-01-10 | Чайна Майнинг Драйвс Энд Аутомэйшн Ко., Лтд. | Protecting device with electric interlock to protect upon power disconnection for used underground explosion-proof frequency converter |
| RU2681200C2 (en) * | 2017-04-10 | 2019-03-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина" | High-voltage relay |
| RU188679U1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-04-22 | Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ" | SEMICONDUCTOR DEVICE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10374102B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP5357014B2 (en) | Semiconductor device with surge current protection and manufacturing method thereof | |
| KR101658693B1 (en) | Recessed termination structures and methods of fabricating electronic devices including recessed termination structures | |
| US10840238B2 (en) | Semiconductor device | |
| US9935231B2 (en) | Semiconductor element with a single photon avalanche diode and method for manufacturing such semiconductor element | |
| US20220037462A1 (en) | Semiconductor device | |
| US8716745B2 (en) | Stable diodes for low and high frequency applications | |
| WO1998002923A2 (en) | DEPLETION REGION STOPPER FOR pn JUNCTION IN SILICON CARBIDE | |
| Huang et al. | Simulation, fabrication and characterization of 6500V 4H-SiC JBS diode | |
| RU2395869C1 (en) | High-voltage semiconductor instrument | |
| RU2390880C1 (en) | INTEGRATED SCHOTTKY-pn DIODE ON BASIS OF SILICON CARBIDE | |
| CN116093152A (en) | Semiconductor device with a semiconductor layer having a plurality of semiconductor layers | |
| CN107359117B (en) | High-voltage fast recovery PIN diode and manufacturing method thereof | |
| CN114284348A (en) | Terminal structure, manufacturing method and power device | |
| EP3010045A1 (en) | Semiconductor device and a method of manufacturing same | |
| Kumar et al. | Charge plasma high voltage pin diode investigation | |
| US8704270B2 (en) | Shockley diode having a low turn-on voltage | |
| KR20090113964A (en) | Fabrication method of a high voltage Schottky diode | |
| RU147303U1 (en) | HIGH VOLTAGE SEMICONDUCTOR DEVICE | |
| KR20200027902A (en) | Structure and method for sic based protection device | |
| KR20160048923A (en) | Bipolar non-punch-through power semiconductor device | |
| US20200227571A1 (en) | Semiconductor system including a pin diode | |
| Seto et al. | Sub-micron junction termination for 1200V class devices toward CMOS process compatibility | |
| Cho et al. | Epitaxial Junction Termination Extension (Epi-JTE) for SiC Power Devices | |
| Flores et al. | Investigation on 3.3 kV-50 A IGBT protection against over-voltage conditions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130505 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160227 |