5.12.6. Пути повышения пробивного напряжения p-n перехода

Целью методов повышения напряжения пробоя являются:

1. Уменьшение напряжённости поля на поверхности p-n перехода.

2. Минимизация и стабилизация поверхностного заряда.

3. Минимизация флуктуации напряжённости поля в объёме ОПЗ p-n перехода.

Эти цели достигаются с помощью конструкторско-топологических и технологических методов.

Конструкторско-топологические методы

Эти методы используют конструкцию p-n перехода, обеспечивающую снижение напряжённости поля по периферии и в объёме p-n перехода.

1. Меза – структура

Этот вид структуры p-n перехода используется в кремневых диодах с пробивным напряжением более 300В. Меза – структура реализуется методом глубокого локального травления пластины с плоским переходом (рисунок 5.81).

«

Рис.5.81 p-n переход

с мезоструктурой

Меза» переводится с греческого как стол. В результате профилирования получается фигура в виде цилиндра либо прямоугольной призмы. При этом на поверхности устраняется пространственная кривизна ОПЗ, и связанная с ней высокая напряжённость поля.

В отличие от планарного p-n перехода напряжение пробоя не зависит от глубины залегания p-n перехода. Однако эта конструкция требует защиты поверхности от окружающей среды.

Рисунок 5.81 – p-n переход с меза-структурой

2. P-n переход с фаской

Мощные высоковольтные диоды, тиристоры с большой площадью p-n перехода и рабочим напряжением выше 700 В выполняются с помощью профилирования краевого контура, снятием фаски под положительным или отрицательным углом (обратная и прямая фаски) (рисунок 5.82).

Рисунок 5.82 – p-n переход с прямой (а) и обратной (б) фаской

Применение фасок позволяет расширить ОПЗ на поверхности и уменьшить напряжённость поля. Изгиб контура ОПЗ вблизи фаски связан с нарушением баланса заряда в плоском переходе.

За счёт вырезания боковой части (рисунок 5.82, б) заряд со стороны n- области уменьшился на ∆Q. Чтобы восстановить баланс заряда при том же напряжении толщина ОПЗ на поверхности должна увеличиться. Таким образом, увеличивается ширина ОПЗ на поверхности, и пробой p-n перехода определяется объёмом.

3. Планарный p-n переход с полевой обкладкой

Применение полевых обкладок является распространённым методом увеличения напряжения лавинного пробоя планарного p-n перехода. Обкладка представляет собой слой металла контакта, нанесённый поверх n⁺-p или p⁺-n перехода, как показано на рисунке 5.83.

Е сли к переходу приложить обратное смещение, то обкладка приобретает положительный потенциал по отношению к p-базе, и поверхность её обедняется дырками вплоть до инверсии и образования канальной области. В результате толщина ОПЗ под обкладкой будет больше, чем без неё. Уменьшается пространственная кривизна поля и снижается напряжённость поля на поверхности, что приводит к увеличению напряжения лавинного пробоя. Обычно полевая обкладка применяется вместе с другим электродом – эквипотенциальным кольцом, окружающим полевую обкладку и электрически связанным с подложкой (рисунок 5.83). Эквипотенциальное кольцо выравнивает электрическое поле в радиальном направлении, а в случае n⁺-p перехода способствует стабилизации граница раздела SiO₂ – Si, отводя подвижные положительно заряженные ионы. Кроме того, сильно легированная p⁺- область выполняет роль противоканального кольца и ограничивает площадь возможной канальной области, а, следовательно, и величину обратного тока.

Недостатком конструкции является увеличение суммарной ёмкости p-n перехода. Разновидностью полевой обкладки является резистивная полевая обкладка.

В этом случае на поверхность SiO₂ между полевой обкладкой и эквипотенциальным кольцом наносится поликристаллический легированный кислородом и азотом, полуизолирующий слой кремния (сипос) либо слой аморфного гидрированного кремния SiH. Эти слои обеспечивают более однородное поверхностное поле за счёт слабой проводимости и одновременно являются пассивирующей защитой, так как они геттерируют инородные атомы, связывая их в неподвижные комплексы, что повышает долговременную надежность приборов. Иногда поверх этих плёнок наносят барьерный слой Si₃N₄. Плёнки нитрида кремния служат изоляцией от проникновения влаги или ионов с высокой подвижностью в SiO₂ (например, щелочных металлов). С помощью такой конструкции могут быть достигнуты напряжения пробоя до киловольта.