1

パワーデバイスにおける

ライフタイム制御と周辺の高耐圧化

群馬大学

松田順一

2015年3月2日

2

概要 1. パワーデバイスのライフタイム制御

1. SRH再結合

2. 空乏層内での電荷発生

3. 再結合準位の最適化

4. ライフタイム制御

5. Auger再結合

2. パワーデバイス周辺の高耐圧化

1. アバランシェブレークダウン

2. 階段型接合ダイオード

3. パンチスルーダイオード

4. 線型傾斜接合ダイオード

5. 拡散接合ダイオード

6. 周辺の終端構造

1. プレーナ接合終端

2. フローティング・フィールド・リング（単一とマルチ）終端

3. フィールドプレート After B. Jayant Baliga

（注）群馬大学アナログ集積回路研究会 第80回講演会（2）（2008年3月24日）資料から作成

3

パワーデバイスのライフタイム制御

4

再結合プロセス

CE

VE

フォノン

または

フォトン

再結合中心

rE

SRH 再結合 Auger 再結合 Band to Band

再結合

5

SRH再結合

pppnnn

pnpnnpU

np

100100

00

kTEE

v

kTEE

C

p

n

rvcr eNpeNn

p

n

p

n

p

n

11

1

1

0

0

0

0

,

:

:

Sin:

Sip:

:

:

:

:

　　　

再結合準位）ェルミ準位平衡状態正孔密度（フ再結合準位）ェルミ準位平衡状態電子密度（フ

孔）ライフタイム内の少数キャリア（正型高ドープ子）ライフタイム内の少数キャリア（電型高ドープ

平衡状態正孔密度平衡状態電子密度過剰正孔密度過剰電子密度

再結合率（定常状態、単一準位の再結合中心）

6

ライフタイム

• ライフタイム（空間電荷中性： ）

• 規格化ライフタイム（ｎ型Si： ）

pn

npn

npp

npn

nnn

U

nnp

00

100

00

100

vc NNpn ,00

kTEEEkTEE

p

FriFr ehh

he

h

2

0 1

1

11

11

0

0

0

,p

n

n

nh

但し、 ｎ型Siで考察

7

少数キャリアライフタイム

rcpTprp

p

rcnTnrn

nNVNCNVNC

11

,11

00

再結合中心の密度

捕獲断面積再結合中心での正孔の捕獲断面積再結合中心での電子の

正孔の熱速度電子の熱速度

捕獲率再結合中心での正孔の捕獲率再結合中心での電子の

:

:

:

:

:

:

:

r

cp

cn

Tp

Tn

p

n

N

V

V

C

C

cn

cp

cnTn

cpTp

p

n

V

V

827.0

0

0

σ：再結合中心密度に依存しなく、温度の弱い関数

8

注入レベルによるライフタイム

• 低レベル注入

• 高レベル注入

kTEEEkTEE

p

LL FriFr ee

2

0

1

1

0p

HL

⇒ 注入キャリア密度に無関係

（再結合準位位置（Er)とキャリア捕獲断面積比（ζ）に依存）

10≪nnh

10≫nnh

⇒ 一定値に漸近

（再結合準位位置（Er）に依存しなく、捕獲断面積比（ζ）に依存）

9

ライフタイムの注入レベル依存性

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02

規格化された注入レベル（δ n /n 0)

規格

化さ

れた

ライ

フタ

イム

（τ/τ

po）

eV3.0 ,10 rE

eV8.0 ,10 rE

eV55.0 ,10 rE

eV55.0 ,1000 rE

eV55.0 ,100 rE

313cm105Doping K,300 Tn型Si

低レベル注入（h≪1）ライフタイム ⇒ 注入キャリア密度に無関係（Erとζに依存）

高レベル注入（h≫1）ライフタイム ⇒ 一定値に漸近（Erに依存せず、ζに依存）

10

低レベル注入時のライフタイム －再結合準位位置依存性－

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

再結合準位位置（eV）

規格

化さ

れた

ライ

フタ

イム

（τLL/τ

p0）

1000

100

10

1

313cm105Doping K,300 Tn型Si

ライフタイム： ミッドギャップ近辺で最小 ⇒ スピードアップ

11

空間電荷発生ライフタイム －再結合準位位置依存性－

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

再結合準位位置 E r （eV）

規格

化ラ

イフ

タイ

ム τ

sc/τ

p0

313cm105Doping K,300 Tn型Si

発生ライフタイム：

ミッドギャップ近辺で最小

⇒リーク電流最大

SC

iSC

qAWnI

kTEEkTEE

pSCriir ee

0

1000

100

10

1

12

再結合準位位置の最適化 －低レベル注入－

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

再結合準位位置 E r （eV）

ライ

フタ

イム

の比

（τ

sc/τ

LL） 300K

330K

313cm105Doping 100, n型Si

最大化:LLSC

・リーク電流低減

・スピードアップ

10％低下 10％低下

13

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17

キャリア密度(cm-3)

再結

合準

位位

置 (

eV

）

01.0 ,1.0 ,1 ,10 ,100

101

1.001.0

好ましい領域

好ましい領域

CE

iE

VE

100

％低下点でプロットの最大値から10LLSC

再結合準位位置の最適領域 －低レベル注入－

ミッドギャップより上の好ましい領域 ⇒ 全てのζに適用

ミッドギャップより下の好ましい領域 ⇒ 大きなζが良好

低ドープ材料

⇒広い最適領域

14

ライフタイム比（τSC/τLL）maxのキャリア密度依存性 －低レベル注入－

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17

キャリア密度（cm-3）

ライ

フタ

イム

比（τ

sc/τ

LL）m

ax

300K

400K

i

kTEE

LLSC nne iF

0max

低ドーピング密度かつ高温 ⇒ （τSC/τLL）max 低減

⇒ 高抵抗基板：τLLの低減にはリーク電流増大が伴う（低抵抗基板と比較）

低レベル注入

再結合中心⇒バンド端近傍

ドーピング密度に依存

良い

15

高レベル注入時のライフタイム －最適な再結合準位位置－

• パワーデバイスに求められる条件 – 伝導度変調の増大

• 高レベル注入ライフタイムの最大化

– スイッチング過程のスピードアップ • 低レベル注入ライフタイムの最小化

• 最適な再結合準位位置

kTEEEkTEE

LL

HL

rFiFr ee

21

1

ln

20

kTEE

dE

dir

LL

HL

r

　　　

最適な再結合準位位置 ⇒ 捕獲断面積比と温度に依存

⇒ 最大化（最適）

16

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16

ドナー密度（cm‐3)

ライ

フタ

イム

比（τ

HL/τ

LL）

100 ,K300 T

1 ,K400 T

10 ,K400 T

100 ,K400 T

1 ,K300 T

10 ,K300 T

eV55.0rE

τHL/τLLの増大 ⇒ 捕獲断面積比：大、ドーピング密度：大、温度：低

n型Si

ライフタイム比（τHL/τLL）のドナー密度依存性 －高レベル注入－

17

低⇒高レベル注入ライフタイムへの移行

• 最適な再結合準位位置

ln2

0

kTEE

dh

d

dE

d

ir

r

⇒ ライフタイムの移行最大

⇒ 最適位置：ミッドギャップ近傍

⇒ 伝導度変調増大/スイッチング過程のスピードアップ最大化条件と同じ

⇒ 最適位置では空間電荷リーク電流増大

（リーク電流を抑えた最適化を図る必要有）

18

ライフタイム比（τHL/τLL）とEr －高ドーピング－

高ドーピング ⇒ 広い領域で高いライフタイム比（τHL/τLL）を確保

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

再結合準位位置 Er (eV)

ライ

フタ

イム

比（τ

HL/τ

LL）

T=300K, ζ =1

T=400K, ζ =100

T=400K, ζ =10

T=400K, ζ =1

T=300K, ζ =100

T=300K, ζ =10

315cm105Doping n型Si

19

ライフタイム比（τHL/τLL）とEr －低ドーピング－

低ドーピング ⇒ 狭い領域でのみ高いライフタイム比（τHL/τLL）を確保

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

再結合準位位置 Er (eV)

ライ

フタ

イム

比（τ

HL/τ

LL） T=400K, ζ =100

T=400K, ζ =10

T=400K, ζ =1

T=300K, ζ =1

T=300K, ζ =100

T=300K, ζ =10

n型Si 313cm105Doping

20

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17

キャリア密度（cm-3)

最適

再結

合準

位位

置（eV

） T=300K,ζ =1

T=300K,ζ =10

T=300K,ζ =100

T=350K,ζ =1

T=350K,ζ =10

T=350K,ζ =100

T=400K,ζ =1

T=400K,ζ =10

T=400K,ζ =100

高レベル注入時の最適なEr位置

T=300K

T=350K T=400K

最適位置 ⇒ τHL/τLLのピーク位置から10％低下位置

Ei より上のEr 採用 ∵τLL（Er＞Ei領域）＜ τLL（Er＜Ei領域）

最適再結合準位位置：キャリア密度の低下と共にミッドギャップに接近

（⇒ 高電圧デバイスではリーク電流低減難）

21

補償効果

• 再結合準位密度 ドナー密度

– 電子：ドナー準位 ⇒ 再結合準位

• 伝導帯中の正味の電子低減⇒抵抗率増大

• ブレークダウン電圧と伝導状態に影響

– 対策

• 再結合準位密度の低減

• 電子と正孔のキャリア捕獲断面積拡大

rcpTprp

p

rcnTnrn

nNVNCNVNC

11

,11

00

22

ライフタイム比（τHL/τLL）の抵抗率依存性 －同じ深い準位の不純物の採用－

Er=0.7eV ⇒ 抵抗率の広い範囲に対し、ライフタイム比（τHL/τLL）大

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03

抵抗率（Ω cm）

T=300K

T=350K

1.E+01

1.E+02

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03

T=300K

T=350K

1.E+01

1.E+02

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03

T=300K

T=350K

eV7.0rE

eV55.0rE

eV4.0rE

ライ

フタ

イム

比（τ H

L/τ

LL）

n型Si 100

23

ライフタイム制御

• 深い準位の形成

– 不純物拡散（Au、Ptなど） • 拡散温度：800～900℃

– 高エネルギー粒子注入（空孔、格子間原子） • 電子、γ線、プロトン、He注入

– デバイス完成後室温プロセスで処理

– ドーズ量によるライフタイムの制御

– デバイス特性のばらつき小

– デバイス特性のトリミング可能（追加注入）

– 照射ダメージのアニールアウト（400℃以下で可能）

– クリーンプロセス

24

Si中の再結合準位位置

Au Pt 電子照射（ER）

0.56

0.35 0.27

0.71

0.87

0.26

0.42

0.78

0.91

CE

VE

CE

VE

iE支配的

支配的

支配的

by B. J. Baliga 支配的準位：ｎ型Si中

25

Si中の支配的再結合準位 －Au、Pt、ER－

by B. J. Baliga

正孔（cm2） 電子（cm

2）

Au 0.56 6.08×10‐15 7.21×10‐17 69.7

Pt 0.42 2.70×10-12 3.20×10-14 69.8

電子照射（ER)

0.71 8.66×10-16

1.61×10-16 4.42

不純物再結合

準位位置（eV）

捕獲断面積 ζ（τ n0/τ p0）

26

ライフタイム比（τHL/τLL）の抵抗率依存性 －Au、Pt、電子照射（ER）－

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03

抵抗率（Ω cm）

ライ

フタ

イム

比（τ

HL/τ

LL）

Au(T=300K)

Au(T=350K)

Pt(T=300K)

Pt(T=350K)

ER(T=300K)

ER(T=350K)

Pt

Au

ER

Au（ERと比較）：τHL/τLL大 ⇒ VF：低、ｽｲｯﾁﾝｸﾞｽﾋﾟｰﾄﾞ：ｱｯﾌﾟ

27

ライフタイム比（τSC/τLL）の温度依存性 －Au、Pt、電子照射（ER）－

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

200 250 300 350 400 450 500 550

温度（K）

ライ

フタ

イム

比（τ

sc/τ

HL）

Au

ER

Pt

リーク電流低減（順方向伝導特性で規格化） ⇒ ER、Pt ＞ Au

28

Augerライフタイム

• 高濃度ｎ型Siへの低レベル注入の場合

• 高濃度ｐ型Siへの低レベル注入の場合

• 低濃度（高抵抗）ｎ型Siへの高レベル注入

• 実効的なライフタイム

電子密度　　 :108.2

1231

nn

N

A

正孔密度　　　 :101

1231

pp

P

A

過剰キャリア密度　　 :104.3

1231

nn

n

A

ASRHeff

111

29

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E+17 1.E+18 1.E+19 1.E+20 1.E+21

多数または注入キャリア密度（cm‐3

）

Aug

er再

結合

ライ

フタ

イム

（s） Si

Auger再結合ライフタイム

Auger再結合 ⇒ 高濃度領域（P+、N+）、高密度キャリア注入で顕著

（サージ電流（n>１０18cm－3）時に伝導特性とスイッチングスピードに影響）

P

A:P型

n

A

:高密度キャリア注入

N

A:N型

30

パワーデバイス周辺の高耐圧化

31

平行平板型接合の臨界電界

• アバランシェ破壊条件

• 臨界電界時の空乏層幅とアバランシェ破壊電圧

• 臨界電界

空乏層幅　数インパクトイオン化係　

:

: 1085.1

1

7350

W

E

dxW

813

, 1001.4 APPc NE

2)(

)(

2xWxqN

xV

xWqN

xE

S

A

S

A

43138710

, 1034.5 ,1067.2 APPAPPc NBVNW

臨界電界時の基本的関係

・アバランシェ破壊電圧

・ドーピング密度

・空乏層幅

32

ブレークダウン電圧と空乏層幅 －階段型接合－

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17

ドーピング密度　N A （cm-3

）

ブレ

ーク

ダウ

ン電

圧B

Vpp

　（V

)

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

ブレ

ーク

ダウ

ン時

の空

乏層

幅W

c,pp

　（μ

m）

33

臨界電界とドーピング密度との関係 －階段型接合－

0

100

200

300

400

500

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16

ドーピング密度　（cm-3）

臨界

電界

　（ｋV

/cm

)

34

ノーマルとパンチスルーダイオードの比較 －電界分布とドーピングプロファイル－

パンチスルー

ノーマル

ノーマル型

（階段型接合）

パンチスルー型

N

P

P

P

0CE

N

N

PP

P

電界分布

ドーピング

プロファイル

W1E

PW

AN

APN

パンチスルー

ノーマル ポアソンの式

S

AqN

dx

d

2

2

空乏層広がり

ノーマル型＞

パンチスルー型

x

x

35

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16

P-領域のドーピング密度　（cm-3）

ブレ

ーク

ダウ

ン電

圧　

（V）

PW

μm)(PW5

100

50

20

10

N P Pノーマル型

（平行平板（PP））

パンチスルーダイオード －ブレークダウン電圧 vs. ドーピング密度－

S

PAPPCPT

WqNWEV

2

2

パンチスルー型はノーマル型に比べ WP を小さくできる ⇒ Ron 減

ブレークダウン電圧=600V

PP ⇒ 45μm, 4×1014cm-3

PT ⇒ 31μm, 5×1013cm-3

パンチスルー型（PT）

36

線型傾斜接合ダイオード

N P

)(xQ0W

aV

x

x

x

W0

0

0

0

)(xV

)(xE

mE

qGxxQ )(

22

2)( xW

qGxE

S

326)(

323 WxWxqGxV

S

31

3

qG

VW aS

529

1575

,

102.9

101.9

GBV

GW

LPP

LC

ブレークダウン電圧

線型傾斜型接合＞階段型接合 （∵拡散側への空乏層拡張）

G：傾斜定数

37

空乏層広がり

⇒低バイアス：線型傾斜領域

⇒高バイアス：均一ドーピング領域

拡散接合ダイオード

x

x

x

ドーピング

密度（対数）

ドーピング

密度（線型）

電界 ブレークダウン電圧

拡散接合型＞階段接合型

（∵拡散側でも電圧支持）

線型傾斜領域 均一ドーピング領域

38

拡散層端に於ける電界集中

浅い拡散

深い拡散

N

N

P

P

電界集中 ⇒ 強

電界集中 ⇒ 弱

39

円柱型接合の断面

N

P

jr

dr

r

dr

空乏層端

接合端

）（最大電界

　

j

d

S

A

S

A

rr

r

rrqNrE

qNrE

dr

d

r

:

2)(

1

22

円柱座標

40

円柱型接合の電界と電位分布

• 円柱型接合と平行平板型接合の最大電界比

• 電位分布

d

S

APPm

jd

j

d

S

ACYLm

rqN

E

rrr

rqNE

,

2

, )(2

≫　　

j

d

PPm

CYLm

r

r

E

E

2,

,

j

d

j

S

A

r

rr

rrqNrV ln

22)( 2

22

ｒ → rd、V（ｒ） → Va（印加電圧） ⇒ rdが求まる

PPmCYLmjd EErr ,, ≫≫

41

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

r /r d

E/E

m円柱型接合における電界の近似

r

rqNrE

r

rrqNrE

d

S

A

d

S

A

2

22

2)(

2)(

近似：

正確：

接合 近似

正確

dj rr 1.0

高電界領域： 近似 ⇒ 正確

42

円柱型接合の臨界電界

• 近似電界を用いてアバランシェ破壊条件計算

• 臨界電界 71

35

,,

1025.3

j

CYLcCYLmr

EE

r

rqNEEdr d

S

A

rj

2735

2 , 1085.1 ,1

71

35

6

2

1085.1

6

2

j

d

S

Ar

rqN

K

43

臨界電界・ブレークダウン電圧の比較 －円柱型/平行平板型－

• 臨界電界の比

• ブレークダウン電圧の比

71

,

,

,

4

3

j

PPc

PPc

CYLc

r

W

E

EPPcCYLc EE ,,

低ドープ領域のドーピング密度が同じ場合

76

,

78

,

76

,

2

,

21ln22

1

PPc

j

j

PPc

PPc

j

PPc

j

PP

CYL

W

r

r

W

W

r

W

r

BV

BV

jPPc rW ≫但し、 ,

44

球型接合の断面

N

P

jr

dr

r

dr

空乏層端

接合端

）（最大電界

　

j

d

S

A

S

A

rr

r

rrqNrE

qNEr

dr

d

r

:

3)(

1

2

33

2

2

球座標

45

球型接合の電界と電位分布

• 球型接合と円柱型接合の最大電界比

• 電位分布

)( 2

)(3

2

,

2

3

,

jd

j

d

S

ACYLm

jd

j

d

S

ASPm

rrr

rqNE

rrr

rqNE

≫　

≫　　

j

d

CYLm

SPm

r

r

E

E

3

2

,

,

rrr

rrqNrV

j

d

j

S

A 11

23)( 3

22

ｒ → rd、V（ｒ） → Va（印加電圧） ⇒ rdが求まる

CYLmSPmjd EErr ,, ≫≫

46

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

r /r d

E/E

m

球型接合における電界の近似

2

3

2

33

3)(

3)(

r

rqNrE

r

rrqNrE

d

S

A

d

S

A

近似：

正確：

接合

近似 正確

dj rr 1.0

高電界領域： 近似 ⇒ 正確

47

球型接合の臨界電界

• 近似電界を用いてアバランシェ破壊条件計算

• 臨界電界 71

35

,,

1003.7

j

SPcSPmr

EE

2

3735

3 , 1085.1 ,1

r

rqNEEdr d

S

A

rj

71

35

13

3

1085.1

13

3

j

d

S

AS

rr

qNK

48

臨界電界・ブレークダウン電圧の比較 －球型/平行平板型－

• 臨界電界の比

• ブレークダウン電圧の比

71

,

,

,

8

13

j

PPc

PPc

SPc

r

W

E

EPPcSPc EE ,,

低ドープ領域のドーピング密度が同じ場合

32713

,

3

,

76

,

2

,

314.2

PPc

j

PPc

j

PPc

j

PPc

j

PP

SP

W

r

W

r

W

r

W

r

BV

BV

jPPc rW ≫但し、 ,

49

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

規格化された接合半径　r j/W c,PP

規格

化さ

れた

ブレ

ーク

ダウ

ン電

圧

規格化されたブレークダウン電圧 －円柱型と球型接合－

ブレークダウン電圧 円柱型接合＞球型接合

コーナー部での耐圧の増大化（球型→円柱型接合耐圧）

⇒コーナー部の半径：Wc,ppの2倍

円柱型接合

PPCYL BVBV

球型接合

PPSP BVBV

50

単一フローティング･フィールド･リング －フィールドリングの電圧－

N N

mW

fW

sW

主接合

フローティング

フィールドリング

P 22

2

2

2

2

s

S

Aas

S

Affr

ssd

S

Affr

WqN

VWqN

V

WWW

qNV

仮定：フローティング・フィール・ドリング⇒空乏層広がりを乱さない

dW

aVffrV

51

単一フローティング･フィールド･リング －最適配置時のブレークダウン電圧－

• 仮定 – フローティング・フィールド・リング（FFR）端の電界：円柱型接合の電界

– ブレークダウン時：FFR端の電界＝主接合端の電界（円柱型接合臨界電界）

– 主接合の電界：主接合とFFRの電位差から決定

• ブレークダウン時のFFRの電圧

• ブレークダウン時の主接合とFFRとの間の電位差

PPCYLPPF BVBVBVV /

FV

74

,

76

,

76

,

2

,

386.1ln92.196.02

1

j

PPc

PPc

j

PPc

j

PPc

j

PP

FFFR

r

W

W

r

W

r

W

r

BV

VBV

接合の電圧ブレークダウン時の主:FFRBV

52

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.1 0.2 0.3 0.4

規格化された接合半径　r j/W c,pp

規格

化さ

れた

ブレ

ーク

ダウ

ン電

圧

BV

FFR/B

VP

P

単一フローティング・フィールド・リング －リングの有無によるブレークダウン電圧の比較－

円柱型接合

無

有

単一フローティング・フィールド・リング（有 / 無） ⇒ ブレークダウン電圧約2倍上昇

フローティング・フィールド・リング

53

単一フローティング・フィールド・リング －最適フィールド・リング・スペース－

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

規格化された接合半径　r j/W c,pp

規格

化さ

れた

フィ

ール

ド・リ

ング

・ス

ペー

ス

Ws/W

c,pp

FFRa

CYLFffr

BVV

BVVV

実際にはプレーナ接合の横方向拡散を考慮する必要有

WS大 ： 円柱型接合（リング無）と同等 ⇒ BVFFRの低下

WS小 ： リングの電位は主接合と同等 ⇒ BVFFRの低下 WSに最適値有

WS最適条件

PP

CYL

PP

FFR

PP

FFR

PPc

S

BV

BV

BV

BV

BV

BV

W

W

,

54

円柱型接合端での空乏層広がり －界面電荷の影響－

N

N

N

正電荷

電荷無し

負電荷

P

P

P

単一FFRの場合

（正の界面電荷）

⇒リーチスルー電圧低下

↓

FFRのスペース拡張

（界面電荷を考慮して

最適なWSを決定）

⇒界面電荷のばらつき

↓

実用面での限界

⇒ マルチFFR必要

電界緩和

電界増大

空乏層端

空乏層端

空乏層端

（ブレークダウン電圧上昇）

（ブレークダウン電圧低下）

55

単一フローティング・フィールド・リング －フィールドリング幅の空乏層広がりへの影響－

N

空乏層端 （ブレークダウン時） P

N

P

N

N

有効なフィールドリング幅

Wf ≒ Wc,PP

（Wc,PP以上は必要なし）

広いフィールドリング

狭いフィールドリング

主接合

主接合

fW

PPcW ,

空乏層端 （ブレークダウン時）

フィールドリングの効果低減

∵空乏層曲率の低下

（WS最適下でも）

56

マルチプル・フィールド・リング －リング幅/スペース変化（方式１）－

N

空乏層端

なだらかな低下（主接合⇒端）

P

NN

N

第1リング 主接合

第2リング 第3リング

本方式 ⇒ 全てのフローティングリング端で同時にブレークダウン発生

（界面電荷を考慮する必要有）

ブレークダウン電圧は平行平板接合型の耐圧に接近（リング数増加）

リング幅、スペース：大 ⇒ 小（主接合 ⇒ 端）

∵空乏層幅の低下（主接合⇒ 端）

57

マルチプル・フィールド・リング（２） －リング幅/スペース同じ（方式２）－

N

P

N NN

第1リング 主接合

第2リング 第3リング

N

第4リング

リング幅 、スペース：同じ（狭い） （主接合 ⇒ 端）

本方式 ⇒ 界面電荷の変化の影響を低減（方式１との比較）

（∵リングの数が多いため）

ブレークダウン電圧は平行平板接合型の耐圧に接近（リング数増加）

空乏層端

よりなだらかな低下（主接合⇒端）

58

フィールドプレートの効果

＋バイアス⇒C

－バイアス⇒A

N

P

A CB

±バイアス

空乏層端

酸化膜

フィールドプレート

：定数　 Cm

CmVBV FP

,1

FPV

表面電界の緩和 （ブレークダウン電圧上昇）

BV

VFP大：BV ⇒ 平行平板型接合の耐圧に接近

59

フィールドプレートを持つプレーナ接合 －実用レベル－

N

P

空乏層端

oxoxSoxeqivalentj

oxoxSS

ttX

EE

3)(

　

酸化膜

tox：大 ⇒ フィールドプレート端（B）での電界緩和

（フィールドプレートのシャープコーナー回避 ∵円柱型接合 ⇒ 球型接合）

A: 電界集中の緩和

B: 高電界発生

A B

（B領域：円柱型接合的）

（界面でガウスの法則）

空乏層中の電位差 ≫ 酸化膜中電位差

フィールドプレート端での等価的接合深さ

60

ﾌｨｰﾙﾄﾞﾌﾟﾚｰﾄとﾌｨｰﾙﾄﾞﾘﾝｸﾞの組合せ

N

P

空乏層端

主接合

NNN

・各フィールドリング：電界集中の緩和

・各フィールドプレート：界面電荷の抑制（ブレーク電圧の安定性増大）