Высоковольтный биполярный транзистор

мирования поверхности вблизи от выхода на нее границы р-п-перехода.Известна кснструкция прибора, вкотором мезаструктура выполнена ввиде кольцевой канавки. Данная конструкция также нетехнологична, таккак включает в себя также невоспроизводимые процессы как прецизионноеглубинное травление кремния с точностью до долей микрона, а также нанесение многослойного защнтного покрытия с заданным в очень узких пределах составом и толщиной слоев и сочень высокими требованиями к чистоте поверхности полупроводника.Наиболее близким по техническойсущности к устройству согласно изобретению является высоковольтный биполярный транзистор, содержащий области эмиттера базы и коллектора,в приповерхностной зоне последнейсюормированы кольцевые области тогоже что и область базы, типа проводимости, Благодаря тому, что расстояние от основного р-и-перехода до первой кольцевой области и между последующими кольцевыми областями выбираются меньшими, чем ширина пространственного заряда, соответствующаяначалу поверхностного пробоя Основного р-и-перехода (при отсутствиивокруг него кольцевых областеи), возникает возможность "прокола" междуосновным переходом и первой кольцевой областью, затем между первойи второй кольцевой областью и т.д.После того, как прокол возник,электрическое поле в "проколотом" зазореперестает расти р увеличении чапря;кения, поданного на р-п-переход,и вэтом зазоре поверхностного пробояне происходит Зятем начинает растиполе во втором зазоре и т.д. В результате чапряжение поверхностногопробоя может повышаться,Недостатком такого устройства является то, что в нем совершенно неучтено наличие неизбежных разбросовтаких величин, как глубина р-п-перехода и удельное сопротивление исходного, полупроводникового материала вобъеме и на поверхности поверхностное сопротивление может неконтролируемым образом уменьшаться за счетналичия примесей в защитном покры.тии и на поверхности полупроводникаи быть в несколько раз ниже объемного). Наличие всех этих недостатков приводит к тому, что такие приборы будут иметь недостаточно высокое пробивное напряжение, далекое от объемного пробивного напряжения.Целью изобретения является повышение пробивного напряжения с одновременным снижением сопротивления насыщения.Поставленная цель достигается тем, что в известном высоковольтном биполярном транзисторе, содержащем области эмиттера, базы и коллектора, в приповерхностной зоне последней сформированы кольцевые области того же, что и область базы, тига проводимости, области выполнены на разном расстоянии (у) друг от друга, которое монотонно увеличивается к периферии и удовлетворяет следующему соотношению: у= (1,4 х- 1,Ях ) + Ып,где х- минимальная допустимаяминглубина кольцевой области;х - максимально допустимаяглубина кольцевой области;коэффициент, равный0,1 - 0,2;Л - миннмальная ширина области пространственногозаряда, соответствующаяповерхностному пробою;35 и - номер кольцевой области.Так как стяжение поверхностногоудельного сопротивления, вызванноеналичием зарядов в защитном окислеи на поверхности полупроводника,при водит к соответственному снижениюповерхностногэ пробивного напряжения,то и размеры расстояния между кольцевыми областями также должны бытьуменьшены по сравнению с тем, что бы ло бы при отсутствии снижения поверхностного сопротивления. По экспериментальным данным, снижение удельного сопротивления в среднем по сравнению с объемным наблюдается в 5 - 50 О раз, но возможно и более сильноеснижение поверхностного сонротивлечия, Если бы снижение поверхностногосопротивления всегда было бы в полне определенным, то для обеспечения д поверхностного гробоя на уровне Не, ниже объемного надо соответствувцимобразом уменьшить расстояние междукольцевыми областямипо сравнениюс тем расстоянием между кольцевыми39413 бсопротивления. Так, например, среднему снижению поверхностного удельногб.сопротивления до 10 Омсм, как пока 5зывает эксперимент, соответствуетшаг, равный 30 мкм. Если в структуресоздать кольцевые области с постоянно увеличивающимся шагом от 9 до36 мкм, выбрав К = 0,1, то подобная10 система кольцевых областей обеспечитвысокое поверхностное напряжение идля резкого и для небольшого снижения поверхностного удельного сопротивления. Если поверхностное удель 15 нае сопротивление снизилось до5 Ом см, то на первых 5 кольцевыхобластях падение напряжения составит1100 В, между 5 и 6 кольцевымиобластями произойдет поверхностный20пробои, что сравнительно близко кнобъемному пробивному напряжению,равному й 1200 В. Если же снижение поверхностного удельного сопротивле 25ния будет небольшим (мдо 40 Ом-см)то падение напряжения на всех 9 кольцевых областях составит " 600 В,,а падение напряжения за последнейкольцевой областью в момент началаповерхностного пробоя составит около30 1100 В, что достаточно близко кобъемному пробою. Уменьшая изменение расстояния между кольцевыми областями и число кольцевых областей,можно усилить достигаемый эффект.Таким образом, учет того обстоятельства, что поверхностное удельноесопротивление полупроводника меняется неконтролируемым образом, приводит к тому, что расстояние между40 кольцевыми областями не должно бытьпостоянным, а должно увеличиватьсяк периферии по законуу =А+Ми,5 10 областями, которое требуется обеспе-чивать в случае отсутствия снижения поверхностного сопротивления). Кроме того, потребуется соответственно уве- личить число кольцевых областей. Как показывает эксперимент, если в крем-. нии и-типа с удельным сопротивлением порядка 50 Ом.см требуется получить максимально высоковольтные планарные р-и-переходы, то для этого достаточно вокруг основного р-и-перехода создать две кольцевые области, располо- женные на расстоянии порядка .70 мкм друг от друга. При этом в двух образовавшихся зазорах будет падать напряжение примерно по 500 В, а на поверхности, расположенной за второй кольцевой областью, пространственный заряд будет расширяться, но поверхностного пробоя не наступит, так как до этого произойдет объемный пробой при напряжении порядка 1200 3. При снижении поверхностного удельного сопротивления в 5 раз, т.е. до 10 Ом, ширина пространственного заряда,при которой произойдет паверхностньй пробой, снизится до,примерно, 30 мкм,. а напряжение поверхностного пробоя :упадет до 400 В. В соответствии с этим для обеспечения поверхностного пробивного напряжения свьппе объемно" го, т.е. свьппе 1200 В, необходимо вокруг основного перехода создавать не менее 3 кольцевых областей на расстоянии не более 30 мкм друг от друга.Однако в связи с тем, что снижение поверхностного сопротивления происходит неконтролируемым образом, то нельзя выбирать одинаковые расстояния между кольцевыми областями.Если расстояние между кольцевыми областями выполнить монотонно увеличивающимся от основного р-и-перехода к периферии кристалла, то тем меньше будет изменение шага между сосед,ними кольцевыми областями, тем надежнее выбранная система кольцевых областей будет обеспечивать повьппение поверхностного пробоя даже в слу. чае большого разброса поверхностно-: го удельного сопротивления; Согласно:. результатам проведенных экспериментов, изменение шага между кольцевыми областями целесообразно выбрать рав-. ным О,1 " 0,2 от того шага, который .соответствует наиболее вероятному снижению поверхностного удельного 45где и - номер кольцевой областиВЙ - минимальная ширина областипространственного заряда,соответствующая поверхностному пробою при наиболеевероятном снижении поверхностного удельного сопротивления;1 с - коэффициент, лежащий в пределах 0.,1 - 0,2.55При изготовлении транзисторов известно, что для создания основной икольцевой областей используется диффузия в отверстия в маскирующем слоеокисла, Известно также, что в процес 103941335 5 я ширинаевыми обл се диффузии через отверстия в маскирующем окисле примесь проникает как вглубь, так и в боковом направлении. Отношение глубины диффузии примеси в боковом направлении и вглубь полупроводника точно неизвестно, но как показывает эксперимент, оно может лежать в пределах от 0,7 до 0,9. Кроме того, сама диффузия вглубь может происходить на разное расстояние, что приведет к разбросу глубины создаваемых областей. В какой-той мере этот разброс не подцается контролю но помимо этого может существовать еще больший допустимый разброс глубины создаваемых областей, ограниченный допустимыми значениями различных параметров прибора. В рассматриваемом классе приборов глубина создаваемых областей может лежать в пределах от 8 до 17 мкм. Таким образом, задавая определенную ширину кольцевых отверстий в маскирующем окисле и определенные расстояния между ними, 25 установили, что расстояние между. создаваемыми кольцевыми областями, должно быть, во-первых, уменьшено на удвоенную величину проникновения примеси в боковом направлении, а во- ЗО вторых, должен быть учтен разброс, связанный с разбросом глубины создаваемых областей и с разбросом глубины диффузии в боковом направлении.Следовательно, если расстояние между кольцевыми отверстиями в окисле равно х, то расстояние между кольцевыми областями, создаваемыми путем .диффузии в эти отверстия без учета разбросов будет равно у = х - 2 х х (0,7-0,9)х, где х- глубина кольцевой области, а с учетом разброса оно будет лежать в пределах от ,Улдис = " 2 О 7 х мм-до У 1 м н= = х - 2 фО 9 х . Учет этого разброф 3 максса и приводит к появлению в выражении для шага между кольцевыми областями составляющей А, равной разности между максимальной и минимальной величиной шага между этими областя 5 ми, при условии фиксированного разме-ра кольцевого отверстия в окисле.Иначе говоря, А = 2,0,7 х миь - 2 хх 0,9 х, а у= (1 4 хчин- 1,8 х)макс ) + 1 ц 1 п5Для того, чтобы пробивные напря" жения стали близкими к объемному,необходимо, чтобы суммарнавсех зазоров между кольц ас тями была больше ширины пространственного заряда под основным р-и-переходом в момент, соответствующий началу объемного пробоя, Иначев:М зобретенияольтные бип зволяярр сООТВ3 о) О где в правой части приведено выражение для ширины пространственного заряда резкого р-и-перехода в момент начала объемного пробоя. В этом выражении Я - относительная диэлектрическая проницаемость; Ео - диэлект- рическая проницаемость вакуума; заряд электрона; Б ров - объемное пробивное напряжение, При суммировании величины у и - учли величины у только для неперекрывающихся кольце-вых областей, что видно из записи соответственно у) 0 в нижней части . знака суммы.П р и м е р. Выпи изготовлены кремниевые биполярные высоковольтные быстродействующие п-р-п-транзисторы, в коллекторной области которых были сформированы кольцевые области р-типа. Расстояния межцу ними были выбраны с предлагаемым соотношением при следующих значениях, входящих в него величин: х,ц, -- 8 мкм, х 1 макс =17 мкм, что обеспечивает требуемые значения остальных параметров для транзисторов данного класса, Й - 20 мкм, что соответствует наблюдавшемуся снижению поверхностного удельного сопротивления в среднем до величины порядка 5 Омасм (при удельном сопротивлении исходного эпитаксиального п-слоя, равного 40+10 Ом.см), коэффициент К, учитывающий неравномерность снижения поверхностного удельного сопротивления, был взят равным 0,15, количество кольцевых областей 11 = 12 выбиралось для наихудшего случая х ,акс = 17 мкм.Полученные образцы транзисторов. имели пробивное напряжение в диайазоне 950-1150 В. Для получения транзисторов с аналогичными пробивными напряжениями любыми другими известными методами необходимо использова" ние исходного высокоомного кремния с удельным сопротивлением менее 60 Ом фсм, что вызовет. увеличение соп, ротивления насыщения не менее чем в 1,5 раза.Использование и поет создать высоков ол10 1039413 Техред.Л,Олийнык Редактор Е.Иесропова Корректор В. Гирняк Заказ 4352 Тирай 446 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 ные транзисторы с пробивным напряжением до 1000-1200 В при сопротивлении насьпцения порядка 1,3 Ом на то-ках до 4-5 А, которые могут быть ис-,пользованы в бестрансформаторныхисточниках питания телевизоров.3