The behavior of field limiting ring (FLR) which is the most widely used method among the several junction termination techinques in power devices is fully analyzed.
Analytical expressions for the voltage relations between the floating rings are derived using the equi-potential line approach both the non-punchthrough structure and for the punchthrough structure, and they are confirmed by the numerical simulations for various junction depths and various substrate doping concentrations.
Avalanche breakdown voltage of a floating ring is calculated using the ionization integral model and a simple expression for the breakdown voltage is dreived using the critical field model. A new analytical design method for the optimum FLR systems is developed based on the analytical voltage relations and the avalanche breakdown models.
FLR experiments show that the newly developed design method can achieve the breakdown voltage over 85\% of the ideal breakdown voltage. One or two additive rings in the optimally designed FLR system compensate the effect of the three-dimensional structure, the effect of surface charge and the effect of process deviations. Experimental results on the optimum FLR system with the additive rings show that the breakdown voltage which is up to 95% of the ideal breakdown voltage can easily be obtained with the proposed design method.
고전압 반도체 전력소자에서 P-N 접합의 주변 처리기술로서 사용되는 전계제한확산링(FLR)의 동작특성을 해석적으로 규명하였다.
먼저 에피층의 직렬 저항을 최소로 하는 최적에피층 설계식을 유도하고 지금까지 확실히 규명되지 않은 전계제한링간의 전압관계식을 에피층 두께에 따라 해석적으로 유도하였으며 수학적모사방법으로 이를 증명하였다.
새롭게 유도된 전압관계식을 이용하여 최적 FLR 시스템의 해석적 설계방법을 개발하였으며 실험을 통하여 새로운 설계방법으로 제작된 FLR 시스템의 파괴 전압(breakdown voltage)이 이상적인 값의 $85\% \sim 90\%$가 됨을 확인 하였다. 또한 FLR 시스템의 파괴전압을 감소시키는 여러가지 비이상적인 변수 즉 표면 전하량, FLR 시스템의 3차원구조 등의 분석을 함으로써 보다 더 정확한 FLR 설계를 가능케 하고 파괴전압도 95\%까지 증가시킬 수 있음을 보였다.
결론적으로 어렵고 복잡한 수학적모사방법에 의존한 최적 FLR 설계방법을 앞으로는 쉽고도 정확한 해석적 설계방법으로 가능하게 되었다.
