Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

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Kapitel 3 Laterale Superjunction‐Leistungstransistoren
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Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des RESURF‐LDMOS [Lud00] dienen
zwei Diodenstrukturen nach Abb. 3.11; die eine wird mit einer herkömmlichen Drift‐
zonentiefe von d1 versehen, die andere dagegen mit einer dünneren Driftzonentiefe
von d2, wobei d2 viel kleiner ist als d1. Jede Diodenstruktur enthält sowohl einen
lateralen p + n‐ als auch einen vertikalen p ‐ n‐Übergang. Die Durchbruchspannung des
lateralen p + n‐Überganges variiert mit der Dotierung in der Driftzone ND (in cm ‐3 )
gemäß [Bal96]
U
V
BR1
13 ⎛ N D ⎞
= 5,
34 ⋅10
⋅ ⎜ −3 ⎟
⎝ cm ⎠
−3
4
Für den vertikalen p ‐ n‐Übergang gilt entsprechend
−3
4
(3.7)
13 ⎛ N S ⋅ N D ⎞
U BR2
= 5,
34 ⋅10
⋅ ⎜
⎟ V
(3.8)
⎝ N S + N D ⎠
mit der Substratdotierung NS. Üblicherweise ist das Substratmaterial schwach dotiert,
somit ist UBR2 offensichtlich größer als UBR1. Die Diodenstruktur mit der dicken Drift‐
zone d1 bricht bereits bei UBR1 durch, weil die kritische Feldstärke zuerst am p + n‐
Übergang nahe der Oberfläche erreicht ist. Deswegen ist eine Unterdrückung des
Oberflächendurchbruches gewünscht, damit das Bauelement höhere Sperrspannun‐
gen aushalten kann. Nach der RESURF‐Konzeption lässt sich die Ober‐
flächenfeldstärke durch Verwendung von Driftzonen mit einer Tiefe von d2 vermin‐
dern. Dabei beeinflussen sich die vertikalen und lateralen Raumladungszonen
gegenseitig. Dies führt zu einer Schwächung der Feldspitze an der Oberfläche.
Infolgedessen kommt das Bauelement erst bei UBR2 > UBR1 zum Durchbruch, dabei
befindet sich die kritische Feldstärke nicht mehr an der Oberfläche, sondern am ver‐
tikalen pn‐Übergang und der Feldstärkeverlauf an der Oberfläche entlang der Drift‐
strecke ist näherungsweise konstant.
Beim optimalen RESURF‐Design verfügt die Driftzone über eine bestimmte Menge
RESURF
von Dosis N� = ND⋅ d, die einer maximalen Durchbruchspannung entspricht. Der
RESURF
Höchstwert von N� kann angenähert werden zu [ACH80]:
RESURF ε Si ⋅ Ekrit
N� = ND⋅ d =
(3.9)
2 ⋅q
RESURF
Typische Werte für N� liegen bei ca. 1‐2⋅1012 cm ‐2 . Beim Durchbruch kann die
Feldstärke entlang der Chipoberfläche als konstant angenommen und damit durch
die kritische Feldstärke Ekrit ersetzt werden. Wendet man demnach die Beziehung
U(BR)DSS ≈ Ekrit ·LD an, so ergibt sich mit den Gleichungen (3.1) und (3.9) das Silizium‐
Limit eines RESURF‐LDMOS: