ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2007 года по МПК H01L27/04 

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой микроэлектроники с улучшенными электрическими параметрами и повышенной устойчивостью к импульсным перегрузкам по токам.

Известна полупроводниковая структура аналога, содержащая подложку, полупроводниковый материал с обедненной областью (пространственным зарядом) в центральной части структуры, охваченной обедненной областью в периферийной части структуры, токопроводящие контакты к структуре, в которой периферийная часть выполнена изолирующим диэлектриком с прилегающей обедненной областью преимущественно цилиндрической формы с повышенной напряженностью электрического поля и, соответсвенно, с пробивным напряжением, меньшим пробивного напряжения обедненной области плоского перехода в центральной части структуры.

Аналог - С.Зи. Физика полупроводниковых приборов, т.1, М.: Мир, 1984, перевод с английского под редакцией Р.А.Суриса, стр.310-317, рис.38, п.з.

Недостатки: ток лавинного пробоя локализуется в обедненной области периферийной части структуры, ухудшая тем самым электрические параметры и устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Известны также полупроводниковые структуры прототипа, каждая из которых содержит подложку, полупроводниковый материал первого типа проводимости с обедненной областью (пространственным зарядом) в центральной части структуры, образованной токопроводящим контактом, например, металл - полупроводник, охваченной обедненной областью в периферийной части структуры, выполненной, например, с охранным кольцом второго типа проводимости и полевой обкладкой, расположенной над диэлектрическим слоем, токопроводящие контакты к структуре, соединенные и с периферийной ее частью.

Прототип - С.Зи. Физика полупроводниковых приборов, т.1, М.: Мир, 1984, перевод с английского под редакцией Р.А.Суриса, стр.310-317, рис.38, п.б, г.

Под действием приложенного обратного напряжения обедненная область распространяется в центральной части полупроводниковой структуры от поверхности полупроводникового материала, находящейся в контакте с токопроводящим слоем в периферийной части структуры, под охранным кольцом от его металлургической границы, под полевой обкладкой от поверхности полупроводникового материала под действием уменьшенного напряжения за счет его падения на диэлектрическом слое, при малой толщине которого пробой из-за повышенной напряженности электрического поля локализуется у края полевой обкладки, а при большой толщине - у края охранного кольца, что требует увеличения глубины залегания кольца и, соответственно, толщины под ним расположенного полупроводникового материала, приводящей к увеличению прямого падения напряжения на структуре. При малой толщине материала пробой локализуется под охранным кольцом, вследствие чего большая плотность лавинного тока пробоя охранного кольца требует увеличения его площади до 20-30% площади всей структуры, уменьшая тем самым рабочую центральную ее часть.

Недостатки: при прямом и обратном смещении ток сконцентрирован в ограниченной площади периферийной части структуры, что приводит к локальному ее перегреву. При этом центральная часть структуры не экранируется периферийным кольцом, имеет значительную напряженность электрического поля и токи утечки при обратном смещении, а также склонность к шнурованию тока из-за увеличения его значения при увеличении температуры структуры. К тому же при пиковом токе прямого смещения увеличенная область охранного кольца инжектирует заряды второго типа в локальную область полупроводникового материала первого типа проводимости, что увеличивает время рассасывания неосновных носителей и снижает быстродействие.

Технический результат изобретения: улучшение электрических параметров с повышением устойчивости к импульсным перегрузкам по токам достигается тем, что в полупроводниковой структуре, содержащей подложку, полупроводниковый материал с обедненной областью (пространственным зарядом) в центральной части структуры, токопроводящие контакты к структуре, в центральную часть структуры введены углубленные элементы противоположного типа проводимости с обедненными областями сферической формы с повышенной напряженностью электрического поля по отношению к напряженностям электрического поля обедненных областей в промежутке между углубленными элементами и в периферийной части структуры, обедненная область в промежутке между углубленными элементами образована токопроводящим контактом с полупроводниковым материалом, периферийная часть структуры выполнена с эквивалентным радиусом кривизны обедненной области цилиндрической формы, превышающим радиусы кривизны обедненных областей сферической формы углубленных элементов в центральной части структуры, периферийная часть структуры выполнена с эквивалентным радиусом кривизны обедненной области более радиуса кривизны обедненной области цилиндрического перехода с глубиной залегания не менее удвоенной толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое, толщина полупроводникового материала под введенными углубленными элементами в центральной части структуры составляет от 0,6 до 0,9 толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое, площадь введенных в центральную часть структуры углубленных элементов составляет от 0,05 до 0,2 площади центральной части, расстояние между углубленными элементами в центральной части структуры составляет не менее 0,7 толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое.

На чертеже полупроводниковой структуры изображены:

1 - низкоомная подложка;

2 - полупроводниковый материал первого типа проводимости;

3 - переход с обедненной в полупроводниковом материале областью в центральной части структуры;

4 - охранное кольцо второго типа проводимости с обедненной в полупроводниковом материале первого типа проводимости областью в периферийной части структуры;

5 - делительные кольца второго типа проводимости с обедненной в полупроводниковом материале первого типа проводимости областью в периферийной части структуры;

6 - углубленные элементы второго типа проводимости в полупроводниковом материале первого типа проводимости в центральной части структуры;

7 - р-n переход с обедненной областью сферической формы углубленного элемента второго типа проводимости в полупроводниковом материале первого типа проводимости в центральной части структуры;

8 - радиус кривизны обедненной области сферической формы р-n переходов углубленных элементов в центральной части структуры;

9 - токопроводящие контакты к центральной и периферийной частям структуры;

10 - глубина залегания углубленных элементов с р-n переходами в центральной части структуры;

11 - эквивалентный радиус кривизны обедненной в полупроводниковом материале области цилиндрической формы переходов в периферийной части структуры;

12 - глубина залегания цилиндрического перехода, составляющая не менее удвоенной толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое;

13 - радиус кривизны обедненной в полупроводником материале области цилиндрического перехода с глубиной залегания не менее удвоенной толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое;

14 - малая толщина полупроводникового материала под введенными углубленными элементами в центральной части структуры;

15 - расстояние между углубленными элементами в центральной части структуры.

Под действием приложенного обратного напряжения к данной полупроводниковой структуре обедненная область расширяется в полупроводниковый материал 2: в центральной части структуры от перехода 3 раздела полупроводникового материала с токопроводящим, например, металлическим контактом 9 и от р-n переходов 7 введенных углубленных элементов 6, в периферийной части структуры от составляющих ее участков 4, 5.

Выполнение углубленных элементов 6 противоположного типа проводимости полупроводникового материала в центральной части структуры, образующих р-n с переходы 7 с обедненными областями сферической формы по отношению к обедненной области плоской формы между элементами 6 и обедненной области в основном цилиндрической формы в периферийной части структуры, приводит к тому, что напряженность поля в обедненной области под введенными углубленными элементами 6 с переходами 7, выполняющими при обратном смещении функции "разрядников - молниеотводов", выше напряженностей поля обедненной области с переходом 3 между углубленными элементами 6 и обедненной области в периферийной части структуры.

В результате при увеличении обратного напряжения пробой обедненной области происходит в центральной части структуры под введенными углубленными элементами 6 с равномерным распределением тока по ее площади вследствие положительной температурной зависимости по напряжению, исключающей шнурование тока при работе с индуктивной нагрузкой и препятствующей пробою защищаемой вокруг углубленных элементов 6 обедненной области перехода 3, приводящее к уменьшению обратных токов утечки структуры.

При прямом смещении углубленные элементы 6 выполняют функции локальных инжекторов, снижающих прямое падение напряжения на структуре при повышенном прямом токе за счет его растекания по всей площади структуры без существенного увеличения времени рассасывания неосновных носителей при переключении, в результате чего улучшаются электрические параметры и повышается устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Выполнение промежутка между углубленными элементами 6 токопроводящими, например, металлическим контактом 9 с полупроводниковым материалом 2, образующим за счет контактной разности потенциалов переход диода Шоттки с обедненной областью плоской формы, приводит к тому, что поскольку напряженность электрического поля в обедненных областях сферических форм углубленных элементов 6 выше напряженностей электрического поля обедненной области плоской формы и в меньшей степени искривленной, чем сферической, обедненной области периферийной части структуры, пробой обедненной области происходит под углубленными элементами 6, выполняющими при обратном смещении функции "разрядников-молниеотводов" с положительной температурной зависимостью по напряжению, с равномерным распределением тока пробоя по площади центральной части структуры, исключающим его шнурование при работе с индуктивной нагрузкой и препятствующей пробою защищаемого вокруг углубленных элементов 6 с положительной температурной зависимостью по току перехода 6 с диодом Шоттки, приводящее к уменьшению обратных токов утечки структуры.

Выполнение периферийной части структуры с эквивалентным радиусом 11 кривизны обедненной области цилиндрической формы, превышающим радиусы 8 кривизны обедненных областей сферической формы р-n переходов 7 углубленных элементов 6 в центральной части структуры, обеспечивает пониженную напряженность электрического поля и, соответственно, повышенное напряжение пробоя обедненной области периферийной части структуры по отношению к напряженности электрического поля и напряжению пробоя обедненных областей под углубленными элементами 6.

Однако отмеченное не обеспечивает наибольшую эффективность полупроводниковой структуры в улучшении электрических параметров с повышенной устойчивостью к импульсным перегрузкам по токам.

Выполнение участков периферийной части структуры, например, с охранным кольцом 4 (противоположного типа проводимости от проводимости полупроводникового материала) снижает напряженность электрического поля и, соответственно, увеличивает пробивное напряжение структуры в сравнении со структурой без кольца, улучшая тем самым электрические параметры и устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Однако увеличенная глубина охранного кольца 4, соответственно, приводит к необходимому увеличению радиуса кривизны обедненной области с увеличенным напряжением пробоя, которое требует увеличения под ним расположенного и под углубленными элементами 6 в центральной части структуры толщины полупроводникового материала 2, увеличивающим тем самым прямое падение напряжения на структуре.

Выполнение периферийной части структуры, например, с охранным 4 и делительными 5 кольцами (противоположного типа проводимости от проводимости полупроводникового материала) увеличивает эквивалентный радиус 11 кривизны их обедненной области и снижает напряженность электрического поля и, соответственно, увеличивает ее пробивное напряжение до наибольшего значения приближенному к максимальному пробивному напряжению плоскостного перехода при минимальных глубинах залегания колец 4, 5 и минимальной толщине расположенного под ними полупроводникового материала 2, еще более улучшая тем самым электрические параметры и устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Выполнение участков 4, 5 периферийной части структуры, формирующих обедненную область с (эквивалентным) радиусом 11 кривизной более радиуса 13 кривизны обедненной области цилиндрического перехода с глубиной залегания 12, например, не менее удвоенной толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое, позволяет уменьшить напряженность электрического поля и, соответственно, увеличить пробивное напряжение периферийной части структуры более 0,85 от максимального значения напряжения пробоя перехода обедненной области, улучшая тем самым электрические параметры и устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Выполнение толщины 14 полупроводникового материала 2 под введенными углубленными элементами 6 в центральной части структуры, составляющей от 0,6 до 0,9 толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое позволяет с изменениями глубины 10 их залегания более эффективно регулировать разность между напряжениями пробоя центральной и периферийной части структуры от разрушения лавинным током, улучшая тем самым электрические параметры и устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Выполнение площади введенных в центральную часть структуры углубленных элементов 6 или суммарной их площади с площадью охранного кольца 4 периферийной части структуры, составляющими от 0,05 до 0,2 площади центральной части структуры, незначительно влияет на динамические параметры и в то же время обеспечивает эффективную защиту полупроводниковой структуры от импульсных перегрузок по токам.

Выполнение расстояния 15 между углубленными элементами 6 в центральной части структуры, например, не менее 0,7 толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое позволяет обеспечить необходимый радиус 8 кривизны обедненных областей сферической формы с повышенной напряженностью электрического поля и, соответственно, уменьшенным напряжением пробоя по отношению к напряженностям электрического поля и напряжению пробоя обедненных областей в промежутке между углубленными элементами 6 и в периферийной части структуры, улучшая тем самым электрические параметры и устойчивость структуры к импульсным перегрузкам по токам.

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой микроэлектроники. Технический результат - улучшение электрических параметров с повышением устойчивости к импульсным перегрузкам по токам. Сущность изобретения: в полупроводниковой структуре, содержащей подложку, полупроводниковый материал с обедненной областью в центральной части структуры, охваченной обедненной областью в периферийной части структуры, и токопроводящие контакты к структуре, в центральную часть введены углубленные элементы противоположного типа проводимости с обедненными областями сферической формы с повышенной напряженностью электрического поля по отношению к напряженностям электрического поля обедненных областей в промежутке между углубленными элементами и в периферийной части структуры. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Полупроводниковая структура, содержащая подложку, полупроводниковый материал с обедненной областью в центральной части структуры, охваченной обедненной областью в периферийной части структуры, токопроводящие контакты к структуре, отличающаяся тем, что в центральную часть структуры введены углубленные элементы противоположного типа проводимости с обедненными областями сферической формы с повышенной напряженностью электрического поля по отношению к напряженностям электрического поля обедненных областей в промежутке между углубленными элементами и в периферийной части структуры.2. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что обедненная область в промежутке между углубленными элементами образована токопроводящим контактом с полупроводниковым материалом,3. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что периферийная часть структуры выполнена с эквивалентным радиусом кривизны обедненной области цилиндрической формы, превышающим радиусы кривизны обедненных областей сферической формы углубленных элементов в центральной части структуры.4. Полупроводниковая структура по п.3, отличающаяся тем, что периферийная часть структуры выполнена с эквивалентным радиусом кривизны обедненной области более радиуса кривизны цилиндрического перехода с глубиной залегания не менее удвоенной толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое.5. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что толщина полупроводникового материала под введенными углубленными элементами в центральной части структуры составляет от 0,6 до 0,9 толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое.6. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что площадь введенных в центральную часть структуры углубленных элементов составляет от 0,05 до 0,2 площади центральной части.7. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между углубленными элементами центральной части структуры составляет не менее 0,7 толщины обедненного слоя плоскостного перехода при пробое.