Simulation of p–n junction with restrictive ring in avalanche breakdown mode

Resumo

The article describes the effects that have a negative impact on the magnitude of the avalanche breakdown voltage. A simulation of a planar p–n junction with restrictive rings in the avalanche breakdown mode was carried out in order to optimize protection of the structure from surface breakdown.

Texto integral

Планарный p–n переход, полученный диффузией примеси через диффузионное окно круглой формы в окисной пленке, имеет плоскую и цилиндрическую (искривлённую) части. В цилиндрической части p–n перехода, по сравнению с плоской частью, пробой структуры происходит при меньшем значении обратного напряжения, так как в этой части перехода ширина области пространственного заряда (ОПЗ) меньше, чем в плоской части. Вследствие меньшей ширины ОПЗ, в искривлённой части перехода также максимальное значение напряжённости электрического поля.

На границе раздела окисел-полупроводник и в самом окисле имеются заряды, как правило, положительные. Из-за этого поверхность кремния n-типа может стать обогащенной основными носителями заряда, вследствие чего ширина ОПЗ у поверхности сужается и проявляется поверхностный пробой структуры. Существует ряд методов защиты от поверхностного пробоя планарного p–n перехода: использование диффузионного охранного кольца, полевой обкладки, частичного вытравливания перехода, ограничительного (делительного) кольца [1]. Внедрение в структуру планарного p–n переход полевого ограничительного кольца требует оптимизации этого способа защиты структуры от поверхностного пробоя. Моделированию планарного p–n перехода с ограничительным  кольцом в режиме лавинного пробоя посвящена данная работа. Моделирование проводилось в САПР TCAD 7.0 в программе DESSIS [2].

Структура планарного перехода изображена на рисунке 1. Она представляет собой полупроводник n-типа с концентрацией донорной примеси N_d = 10¹⁵ см^-3 (тип примеси – фосфор). Планарный переход образован при помощи диффузии бора через окно круглой формы в окисной пленке диаметром 1 мм. Концентрация легирующей примеси на поверхности p⁺-области N_s = 10²⁰ см-³. Распределение примеси описывается функцией распределения Гаусса. Глубина залегания p–n перехода 10 м км. Поверхность защищена окислом SiO₂. Толщина окисла 0,1 мкм. Заряды в окисле отсутствуют. На основания полупроводника наносится металлический контакт, который образует с полупроводником омический контакт (катод). На p-область так же наносится омический контакт (анод).

Рис. 1. Структура планарного p–n перехода.

Результаты моделирования показали, что напряжение лавинного пробоя составляет 178,8 В. На рисунке 2 представлены распределение пространственного заряда, элек- трического поля и ионизационный интеграл в структуре планарного p–n перехода при напряжении пробоя.

Ширина ОПЗ в плоской и цилиндрической части различается. В плоской части ОПЗ составляет 17,2 мкм, а в цилиндрической части – 14 мкм. Электрическое поле в искривленной части p–n перехода максимально и составляет 2,8×10⁵ В/см. Пробой происходит не в плоской, а в цилиндрической части, так как ширина ОПЗ в этой части перехода меньше. Об этом свидетельствует ионизационный интеграл.

Рис. 2. Результаты моделирования планарного p–n перехода: а) распределение пространственного заряда; б) распределение электрического поля; в) ионизационный интеграл по сечению структуры.

На рисунке 3 представлено распределение пространственного заряда в p–n переходе при напряжении пробоя для различных величин поверхностной концентрации заряда в окисле.

Рис. 3. Распределение ОПЗ для поверхностной концентрации заряда в окисле: а) 1011 см-2; б) 5×1011 см-2; в) 1012 см-2.

При поверхностной концентрации заряда в окисле 10¹¹ см^-2 ширина ОПЗ в плоской части составляет 17,8 мкм, а на поверхности почти такая же, как в цилиндрической части перехода и составляет 13 мкм. При поверхностной концентрации заряда в окисле 5×10¹¹ см-² ОПЗ в плоской части соответствует 14,3 мкм, а на поверхности 9 мкм. При поверхностной концентрации заряда в окисле 10¹² см-² ширина ОПЗ в плоской части и на поверхности соответственно равны 11 мкм и 6 мкм. Заряд в окисле существенно уменьшает ширину ОПЗ в приповерхностной области. Это связанно с обогащением приповерхностной области подложки основными носителями заряда (электронами), увеличивается плотность объемного заряда в приповерхностной области и соответственно уменьшается ширина ОПЗ.

Зависимость напряжения лавинного пробоя от поверхностной концентрации заряда в окисле представлена в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость напряжения лавинного пробоя планарного p–n перехода от поверхностной концентрации заряда в окисле SiO₂

Поверхностная концентрация заряда в окисле, см-2	Напряжение лавинного пробоя, В
1010	178
1011	172,5
5´1011	124,8
1012	70,4
2´1012	27,6

Внедрение полевого ограничительного кольца в структуру планарного p–n перехода при его разработке позволяет избавиться от данных негативных эффектов.

Ограничительное кольцо представляет собой диффузионную p-область, аналогичную сильнолегированной части основного p–n перехода [3]. Расстояние между кольцом и основным р–n-переходом должно быть таким, чтобы обедненные области обоих р–n переходов перед лавинным пробоем соединились. В результате этого напряженность электрического поля перед пробоем не достигает критического значения. Если напряжение на р–n переходе продолжать увеличивать, то общая область пространственного заряда сложным образом огибает обе диффузионные области. Полевое ограничительное кольцо действует как делитель напряжения и заметно уменьшает кривизну границы обедненной области основного р–n перехода.

 Для оптимизации полевого ограничительного кольца необходимо варьировать ширину ограничительного кольца и расстояние между основным переходом и ограничительным кольцом. Однако ширина ограничительного кольца не столь критична. Эффективность делительного кольца в части улучшения напряжения пробоя цилиндрического перехода снижается, если его ширина становится слишком малой. Необходимо делать ширину полевого кольца, по меньшей мере, равной толщине обедненной области плоского перехода при пробое [4].

При малом расстоянии между диффузионными областями основной переход отбирает малую часть обратного напряжения, то есть практически все обратное напряжение будет падать на ограничительном кольце, а максимальное пробивное поле будет находиться в обедненной области кольца. В этом случае эффект полевого кольца не значителен.

При большом расстоянии между диффузионными областями практически все обратное напряжение будет падать на основном переходе, и пробой будет наблюдаться на основном переходе. Эффективность кольца также незначительна.

Структура планарного p–n-перехода с полевым ограничительным кольцом представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Структура планарного p–n перехода с ограничительным кольцом.

Диаметр диффузионного окна в окисной пленке для создания делительного кольца брался равным 10 мкм. Моделирование p–n перехода с ограничительным кольцом проводилось при положительном заряде в окисле с поверхностной концентрацией N_s = 5´10¹¹ см-². Результаты моделирования показали, что при оптимальном расстоянии между переходом и кольцом 5 мкм, получено напряжение пробоя 223,7 В.

Распределение объемного заряда, электрического поля и ионизационный интеграл при пробое структуры с ограничительным кольцом представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Результаты моделирования планарного p–n перехода с ограничительным кольцом: а) распределение пространственного заряда; б) распределение электрического поля; в) ионизационный интеграл по сечению структуры.

При оптимальном подборе параметров полевого ограничительного кольца, можно значительно увеличить напряжение пробоя планарного p–n перехода. Для моделируемого диода с поверхностной концентрацией заряда в окисле 5´1011 см-2 с помощью полевого ограничительного кольца при его оптимальных параметрах удалось увеличить напряжение пробоя с 124,8 до 223,7 В.