ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЛАНАРНЫЙ P -N-ПЕРЕХОД Российский патент 1994 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов, в частности высоковольтных диодов, транзисторов, тиристоров.

К широко используемым в настоящее время в промышленности высоковольтным полупроводниковым приборам прдъявляются весьма противоречивые требования, например требование высокого значения максимального тока и низкого сопротивления насыщения (в мощных транзисторах) сочетаются с требованием высоких напряжений пробоя. Получение максимально возможных значений напряжений пробоя при заданных остальных параметрах структуры и материала характерно и для других полупроводниковых приборов.

Известно несколько способов повышения пробивного напряжения планарного р-n-перехода. В одном из таких способов повышение напряжения пробоя достигается за счет создания вокруг базовой области транзистора кольцевых областей того же типа проводимости, который имеет данная базовая область. Для устранения эффекта поверхностного снижения удельного сопротивления исходного материала из-за наличия зарядов в защитном окисле и на поверхности полупроводника описанные кольцевые области располагаются на определенном расстоянии друг от друга, которое монотонно увеличивается к периферии.

Недостатком данного способа является то, что данная система колец не обеспечивает достаточный равномерности напряженности электрического поля по поверхности, нет ограничения микроплазменных пробоев и лавинной ионизации и применение этого метода предусматривает использование дополнительных методов стабилизации поверхности. Следует отметить, что подвижные заряды, присутствующие в приповерхностном слое при распространении области пространственного заряда вдоль поверхности полупроводника в зоне кольцевых областей начинают дрейфовать в соответствии с электрическим полем. Такое положение вызывает значительное снижение (до нескольких сотен вольт) первоначального значения напряжения пробоя, которое с течением времени (от долей до десятков секунд) по мере перераспределения поверхностного заряда принимает максимальное значение, как если бы данного нежелательного эффекта не было. Это так называемая зарядовая нестабильность. Этот недостаток описанного способа может привести к получению очень низких напряжений пробоя по сравнению с ожидаемыми.

Целью изобретения является повышение пробивного напряжения и устойчивости р-n-перехода к электрическому пробою.

Поставленная цель достигается тем, что в планарном р-n-переходе, имеющем две области различного типа проводимости, одна из которых (базовая область) замкнута и образована на поверхности первой области (коллектора), вокруг базовой области создаются кольцевые зоны одинакового с ней типа проводимости в виде соединенной с базовой областью и развивающейся к периферии спирали. Расстояние между витками спирали должно быть меньше длины распространения области пространственного заряда в приповерхностном слое полупроводника при напряжении поверхностного пробоя, имеющего меньшее удельное сопротивление за счет зарядов в окисле.

Фактически одновременная подача потенциала обратного смещения на базу и на все витки спирали приведет к тому, что в зоне между соседними витками область пространственного заряда распространяется на смыкание одновременно с двух сторон, и имеющиеся в приповерхностной области заряды оказываются связанными. Таким образом, развивая спираль кольцевых областей (в дальнейшем просто спираль) на достаточное расстояние от базы к периферии, можно резко снизить вероятность поверхностного пробоя. Кроме того, создание кольцевых областей в виде соединенной с базой и развивающейся к периферии спирали эквивалентно включению дополнительного резистора между коллекторной и базовой областями р-n-перехода. Регулируя величину этого сопротивления путем уменьшения ширины витков спирали, созданием встроенных в витки спирали дополнительных последовательных резисторов с более низким уровнем легирования или другими известными способами, можно в широких пределах изменять уровни обратных токов при подаче запирающего напряжения на планарный р-n-переход.

На фиг. 1 изображен внешний вид кольцевых областей в виде спирали; на фиг. 2 - виток спирали, разрез.

Структура содержит область первого типа проводимости 1 (коллекторная область), область второго типа проводимости 2 (базовая область), образующую с первой областью замкнутый р-n-переход, кольцевые области 3 того же типа проводимости, что и вторая область, в виде соединенной со второй областью и развивающейся к периферии спирали, замыкающейся на себя с внешней стороны. Структура защищена термическим окислом 4, образованным во время диффузии базовой примеси, и содержит встроенные резисторы 5, с пониженной концентрацией примеси, дающей второй тип проводимости, образованные за счет смыкания боковых фронтов диффузии этой примеси в коллекторной области.

При приложении запирающего напряжения между базовой 2 и коллекторной 1 областями структуры это напряжение одновременно подается и на все витки спирали 3, растягивая границу области пространственного заряда к внешним виткам спирали и снижая тем самым напряженность электрического поля на границе. В коллекторной области между витками спирали область пространственного заряда распространяется от каждого витка и смыкается, образуя одну границу у внешних витков спирали.

П р и м е р. Используя спираль кольцевых областей, занимающих ту же площадь, что и кольца используемые в прототипе, получена конструкция мощного биполярного транзистора, который при использовании эпитаксиальных структур с удельным сопротивлением 45 Ом˙ см и толщиной высокоомного слоя 90 мкм имеет пробивное напряжение коллекторного перехода 1200 В, уровень обратного тока при напряжении 1150 В - 0,5 мА. При этом наблюдалось значительное подавление дрейфа обратного тока по сравнению с конструкцией, изготовленной согласно прототипу.

Использование данного изобретения позволит стабильно получать максимально возможные пробивные напряжения, перейдя от поверхностного пробоя к пробою в объеме полупроводника с одновременным повышением устойчивости планарного р-n-перехода к электрическому пробою, повысив тем самым выход годных и надежность получаемых высоковольтных полупроводниковых приборов.

Использование: производство полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: планарный p-n-переход имеет две области различного типа проводимости, причем p-n-переход имеет замкнутую конфигурацию. Вокруг внутренней области сформированы кольцевые зоны одинаковой с ней проводимости в виде соединенной с внутренней областью и развивающейся к периферии спирали с расстояниями между витками спирали меньше области пространственного заряда в приповерхностном слое полупроводника при напряжении поверхностного пробоя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЛАНАРНЫЙ p-n-ПЕРЕХОД, содержащий область одного типа проводимости и область второго типа проводимости, причем p - n-переход имеет замкнутую конфигурацию, вокруг внутренней области сформированы кольцевые зоны одинаковой с ней проводимости, отличающийся тем, что кольцевые зоны формируются в виде соединенной с внутренней областью и развивающейся к периферии спирали с расстояниями между витками спирали меньшими области пространственного заряда в приповерхностном слое полупроводника при напряжении поверхностного пробоя. 2. p - n-Переход по п.1, отличающийся тем, что кольцевые области спирали разбиты на множество островков, соединенных между собой встроенными резисторами с более низким уровнем легирующей примеси.