УДК 621.382.2/.3
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ КРАЕВОГО ПРОФИЛЯ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ CТРУКТУРЫ СИЛОВЫХ ДИОДОВ
НА ИХ ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Орлов Е.Ю., Санников М.Д., Матюхин С.И.
Россия, Орёл, АО «Протон-Электротекс»
Россия, Орёл, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева

 Методом компьютерного моделирования в программной среде TCAD исследована зависимость блокирующего напряжения полупроводниковой структуры силового диода от конфигурации краевого профиля. Показана зависимость распределения напряженности электрического поля и ширины области пространственного заряда от значения угла и типа скошенной поверхности. 
Ключевые слова: компьютерное моделирование, силовой полупроводниковый диод, краевой профиль, блокирующие напряжения.
Введение
Одним из наиболее активно развивающихся и востребованных направлений мировой электроники в настоящее время является производство силовых полупроводниковых приборов (СПП). Это связанно с тем, что СПП являются одним из важнейших элементов преобразовательного оборудования, такого как выпрямители, инверторы, ключи переменного тока и т. д. На текущий момент широкое распространение получили СПП на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT - Insulated-gate bipolar transistor), но одним из ключевых изделий силовой электроники остаются силовые полупроводниковые диоды и тиристоры, нашедшие широкое применение в сферах электрогенерации, передачи энергии, электроприводов общего назначения, в отраслях атомной и железнодорожной промышленности.
Наиболее значимыми параметрами этих приборов являются их блокирующие характеристики [1,2]. Одной из проблем при проектировании высоковольтных полупроводниковых структур является полное исключение поверхностного пробоя. Значение блокируемого напряжения в объеме полупроводниковой структуры силового диода и тиристора выше, чем на краевой поверхности структуры. Поверхностный пробой возникает при высоких значениях напряженности электрического поля и определяется шириной распределения области пространственного заряда (ОПЗ) на краевой поверхности. Изменение геометрической формы торца полупроводниковой структуры позволяет увеличить ширину распределения ОПЗ, что приводит к снижению напряженности электрического поля. Соответственно напряжение пробоя определяется формой поверхности, в местах выхода p-n-перехода на поверхность кремния. В настоящее время наиболее эффективным способом защиты от поверхностного пробоя является профилирования краевой поверхности методом снятия фасок [1–3].
Метод создания поверхности определенной формы состоит в шлифовке края кремниевой пластины под определенным углом, т.е. образованием фаски. При этом для несимметричных p-n переходов различают два типа фаски - прямая и обратная. Если площадь структуры уменьшается от сильнолегированной к слаболегированной области, то угол является положительным – обратная фаска. Если площадь структуры уменьшается от слаболегированной к сильнолегированной области, то угол является отрицательным – прямая фаска. Условное обозначение типов фасок представлено на рисунке 1.
Целью настоящей работы является оценка влияния геометрии краевого профиля на распределение напряженности электрического поля на краю полупроводниковой структуры и пробивное напряжение путём моделирования структуры силового диода. 

Рисунок 1 – Условное обозначение типов фасок

Исследование проводилось путём компьютерного моделирования высоковольной полупроводниковой структуры методом конечных элементов в программной среде системы приборно-технологического проектирования Sentaurus TCAD [5–7]. Инструменты TCAD позволяют задавать точную геометрию, профиль легирования полупроводниковых структур с учётом классических моделей физических явлений, а также визуализировать полученные результаты с целью проверки характеристик разрабатываемых устройств, исключая непосредственно изготовление изделия, сокращая количество производимых опытных партий и добиваясь значительной экономии ресурсов, затраченных на проектирование.
На основе построенных компьютерных моделей были получены зависимости распределения ОПЗ и напряженности электрического поля на краю полупроводниковой структуры в зависимости от типа и угла фаски. Определены диапазоны значений угла фаски для различных типов краевого профиля, позволяющие снизить напряженность электрического поля на краю полупроводниковой структуры.

Основная часть
Для определения подходящего типа и угла краевого профиля была построена компьютерная модель силового диода:
- толщина кремниевой пластины – 240 мкм;
- удельное электрическое сопротивление исходного кремния и, как следствие, n-базы диода – 60 Ом·см;
- глубина p-n-перехода – 70 мкм (легирующая примесь – алюминий с поверхностной концентрацией 5·1016 см-3).
Для определения концентрации базовой области диода выбрана подвижность электронов равная 1300 смІ/(В·c).
В компьютерных моделях были учтены:
- модели подвижности носителей заряда;
- модели рекомбинации носителей заряда;
- модели лавинной генерации носителей заряда для электронов и дырок;
- модель сужения запрещенной зоны кремния.
Построение геометрии диодной структуры и создание расчетной сетки для последующего решения электрофизических уравнений осуществлялось при помощи инструментов Sentaurus Structure Editor и Sentaurus Mesh. Созданная полупроводниковая структура силового диода представлена на рисунке 2. 
Распределение концентрации легирующей примеси в объеме полупроводниковой структуры определено моделью Гаусса и представлена на рисунке 3. Распределение ОПЗ при различных значения блокирующего напряжения представлены на рисунках 4-8.
При увеличении блокирующего напряжения на структуре с обратной фаской (рисунки 5-6) область пространственного заряда (ОПЗ) будет увеличиваться в базовой высокоомной области. Поэтому и на поверхности ОПЗ будет располагаться в слаболегированной области и изгиб границы ОПЗ, из-за скоса поверхности будет больше выражен в базовой области. В p-области этот изгиб будет незначительным вследствие высокой концентрации акцепторной примеси.

Рисунок 2 – Полупроводниковая структура силового диода толщиной 240 мкм 
с глубиной залегания p-n- перехода 70 мкм

Рисунок 3 – Профиль распределения примеси в полупроводниковой структуре силового диода

Рисунок 4 – Изменение ширины области пространственного заряда 
при 200, 600, 1500 и 2400 В

Рисунок 5 – Изгибы ОПЗ при углах обратной фаски 70, 50, 30 градусов

Рисунок 6 – Распределения напряженности электрического поля на ПП структурах 
с углами обратной фаски 30° и 70

Если уменьшать угол обратной фаски, то увеличивается количество удаленных положительно заряженных донорных центров. Из-за этого для компенсации отрицательно заряженных акцепторных центров, число которых существенно не меняется при уменьшении угла, верхняя граница ОПЗ изгибается еще больше [4].
Граница в p-области будет изгибаться до тех пор, пока не достигнет линии p-n перехода. После достижения нижней границы ОПЗ p-n перехода, расширение ОПЗ будет только за счет изгиба верхней границы. В связи с этим линии электрического поля расходятся, что снижает максимальное значение напряженности электрического поля. Распределение напряженности электрического поля в этом случае представлено на рисунке 6.

Совсем другая картина наблюдается в распределении ОПЗ на полупроводниковых структурах с прямой фаской (рисунки 7-8). Для прямой фаски условия зарядового баланса приводят к тому, что граница ОПЗ в базовой области изгибается в сторону p-n перехода, а в сильно легированной области от перехода (удаляется больше акцепторных центров, чем донорных).

Рисунок 7 – Изгибы ОПЗ полупроводниковой структуры с прямой фаской 
при блокирующем напряжении 200, 600 и 1500 В

Рисунок 8 – Распределение напряженности электрического поля 
при разных углах прямой фаски 10°, 5°, 3°, 1.5°

Как видно на рисунке 7 изгибы ОПЗ пересекаются, что приводит к сгущению линий электрического поля и, как следствие, к увеличению напряженности электрического поля. Данное условие будет выполняться до того, когда верхняя граница ОПЗ не достигнет границы p-n перехода и дальнейшее расширение ОПЗ будет происходит за счет нижней границы ОПЗ. В этом случае добиться расширение нижней границы можно уменьшением угла прямой фаски. Как видно из рисунка 8, заметное уменьшение напряженности электрического поля достигается только при углах, меньших 3°.

Заключение
Исследование свойств краевого профиля позволяет отразить связь между режимами технологических операций и получаемыми электрофизическими параметрами полупроводниковых элементов приборов, позволит сформировать требования к пассивирующим покрытиям фаски для сохранения свойств краевого профиля. При этом полученные зависимости позволяют подобрать необходимые технологические режимы изготовления полупроводниковых структур силовых диодов для исключения поверхностного пробоя.
Разработанные модели позволят проводить оптимизацию конструкции силовых и проводить оптимизацию технологического процесса изготовления приборов, исключив при этом многоитерационный процесс производства опытных партий. Проектирование, основанное на многоитерационном процессе изготовления опытных партий, требует больших затрат времени и средств. Использование же разработанных моделей позволит минимизировать данные затраты.

Список литературы
1. Baliga B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices, - N.Y.: Springer, 2008. 1069 p.
2. Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. Semiconductor Power Devices. Physics, Characteristics, Reliability, - N.Y.: Springer, 2011. 536 p.
3. Агаларзаде П.С., Петрин А.И., Изидинов С.О. Основы конструирования и технологии обработки поверхности p-n-перехода, - М.: Сов. радио, 1978. 224 с.
4. Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Крюкова Н.Н. и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов, – М.: Энергия, 1980.
5. Матюхин С.И., Макулевский Г.Р., Деев О.В. Современное программное обеспечение для моделирования в электронике // Информационные системы и технологии. 2014. №2 (82). С.58-71.
6. Тихомиров П., Пфеффли П., Зорзи М. Система Sentaurus TCAD компании Synopsys: новое поколение приборно-технологических САПР // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. Вып.7. С.89-95.
7. Sentaurus TCAD User Guide, - Synopsys, 2005.

Орлов Евгений Юрьевич, АО «Протон-Электротекс», инженер по НТ, тел. 89208281817,
e-mail: e.orlov@proton-electrotex.com
Санников Михаил Дмитриевич, АО «Протон-Электротекс», инженер-технолог, тел. 89208281817,
e-mail: m.sannikov@proton-electrotex.com
Матюхин Сергей Иванович, ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева», г. Орел, доктор физико–математических наук, заведующий кафедрой технической физики и математики, тел. (4862) 41–98–02
E–mail: sim1@mail.ru
__________________________________________________________________________________________
INFLUENCE OF THE PROPERTIES OF THE EDGE PROFILE OF THE SEMICONDUCTOR STRUCTURE OF POWER DIODES ON THEIR BLOCKED VOLTAGE

 Orlov E.Yu, Sannikov M.D.,. Matyukhin S.I.
Proton–Electrotex Inc., Orel
 Orel State University, Orel

The dependence of the blocking voltage of the semiconductor structure of a power diode on the configuration of the edge profile is investigated by the method of computer simulation in the TCAD software environment. The dependence of the distribution of the electric field strength and the width of the space charge region on the value of the angle and the type of beveled surface is shown. 
Keywords: computer simulation, power semiconductor diode, edge profile, blocking voltages.
Bibliography
1. Baliga B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices, - N.Y.: Springer, 2008. 1069 p.
2. Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. Semiconductor Power Devices. Physics, Characteristics, Reliability, - N.Y.: Springer, 2011. 536 p.
3. Agalarzade P.S., Petrin A.I., Izidinov S.O. Osnovy konstruirovaniya i tekhnologii obrabotki poverhnosti p-n-perekhoda, - M.: Sov. radio, 1978. 224 p.
4. Dermenzhi P.G., Kuz'min V.A., Kryukova N.N. i dr. Raschet silovyh poluprovodnikovyh priborov, – M.: Energiya, 1980.
5. Matyuhin S.I., Makulevskij G.R., Deev O.V. Sovremennoe programmnoe obespechenie dlya modelirovaniya v elektronike // Informacionnye sistemy i tekhnologii. 2014. №2 (82). 58-71 p.
6. Tihomirov P., Pfeffli P., Zorzi M. Sistema Sentaurus TCAD kompanii Synopsys: novoe pokolenie priborno-tekhnologicheskih SAPR // Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes. 2006. Vyp.7. 89-95 p.
7. Sentaurus TCAD User Guide, - Synopsys, 2005.

Orlov Evgeniy Yuryevich, Proton–Electrotex Inc., Orel, design Engineer, ph. 89208281817, e–mail: e.orlov@proton-electrotex.com
Sannikov Mikhail Dmitriyevich, Proton–Electrotex Inc., Orel, design Engineer, ph. 89208281817, e–mail: m.sannikov@proton-electrotex.com
Matyukhin Sergey Ivanovich, Orel State University, Orel, DSc, Head of the Department of Technical Physics and, mathematics, ph. (4862) 41–98–02, e–mail: sim1@mail.ru