提前擊穿現象

圖（5.54）為提前擊穿現象與其元件在晶圓上的分佈。由圖（5.54a）可見其 分佈並不均勻，所以應該不是與元件尺寸有直接的關係。而從圖（5.54b）以及圖

（5.18）可見，提前擊穿電壓大小也沒有規律，因此這應該與磊晶，擴散製程之不 均勻性有關。其中一個可能即為電荷層不均勻，使得有的地方濃度較低，或是厚 度較薄，使得元件提前擊穿。

(a) 空間分佈圖 (b) I-V 電性圖

Figure 5.54: 提前擊穿元件空間分佈與電性圖

5.4.3.1 提前擊穿模型與驗證

Figure 5.55: 提前擊穿之 I-V 模擬 圖（5.55）為提前擊穿模擬 I-V 圖，其擴散

結構如圖（5.57）所示，圖（5.56b）為電荷層 隙縫放大圖，隙縫直徑為 0.4 µm。由於模擬結 構為圓柱對稱，所以此模擬並非真的為隙縫，

反而是內外徑相差 0.4 µm 且厚度 0.1 µm 的薄 圓縫。此外，圖（5.57a）為元件在即將崩潰之 45 V 時的電場分佈，可以看見隨著主動區直徑 越大，護環離電荷層隙縫越近，由電荷孔隙縫 露出的空乏區越大。圖（5.57b）為元件崩潰時 之電流密度分佈，可以看見有更多電流流經電

荷孔。從模擬 I-V 圖（5.55）可見，當電荷層有隙縫時，擊穿前之暗電流即有所起

伏。也就是說，或許是因為我們的模擬電荷層過於理想，實際電荷層濃度與厚度 並不均勻，所以實際的擊穿電流才會緩慢上升，而非如模擬時的快速上升。

(a) 摻雜濃度分佈圖 (b) 電荷層隙縫放大圖

Figure 5.56: 提前擊穿現象之 TCAD 摻質濃度

(a) 45 V 時的電場分佈圖 (b) 電流密度分佈圖 Figure 5.57: 提前擊穿現象之 TCAD 電場與電流密度

5.4.4 崩潰前之降電流

於元件位置圖（5.58a）上的元件有著如圖（5.60b）所示的崩潰前降電流現 象。簡單來說，這是懸護環的擊穿現象。圖（5.59）與圖（5.60）則為觀察懸護環 距離效應時，所觀察到的懸護環擊穿現象。I-V 圖（5.60）中實線為電流，虛線為 懸護環下方之電場。由此可見每當懸護環擊穿時，暗電流就會下降，而這也就跟 著影響到光電流。由此圖可見，懸護環離側護環越遠，懸護環之擊穿電壓也就越 高。因此，懸護環擊穿現象即為崩潰前之降電流現象。

(a) 空間分佈圖 (b) I-V 電性圖 Figure 5.58: 崩潰前降電流元件空間分佈與電性圖

(a) 濃度分佈圖 (b) 崩潰時之電場分佈圖，黑點為圖（5.60）

中懸護環擊穿電場之取點位置 Figure 5.59: 崩潰前降電流之懸護環距離模擬

(a) I-V 電性圖 (b) I-V 電性放大圖 Figure 5.60: 崩潰前降電流之懸護環擊穿 I-V 圖

為了進一步研究電流下降的原因，我將其電流成分繪於圖（5.61）中。由圖

（5.61）可見，崩潰前之降電流主要原因為雪崩電流的下降。雪崩電流是源自撞擊 游離現象，如下式：

I_avalanche = q

∫∫∫

G_avalanche(x, y, z)dxdydz (5.20)

其中，撞擊游離效應速率（cm⁻³s⁻¹）為

G_avalanche ≡ αnnv_n+ α_ppv_p (5.21)

由圖（5.61b）可見，元件在−49 V 時有著局域最大光電流，但是在 −49.5 V 則有 局域最小光電流，所以我們分析這兩個偏壓下的撞擊游離速率分佈 G_avalanche、載 子濃度與速率等物理量的變化，並且與沒有懸護環的結構比較。由電場分佈變化 圖（5.62）可見，不論有無懸護環，元件偏壓上升都增強了各區域的電場。由圖

（5.63）可見，懸護環使得主動區下方的撞擊游離速率下降。而由電子濃度變化 圖（5.64）、電洞濃度變化圖（5.64）、電子速度變化圖（5.66）、電洞速度變化圖

（5.67）可見，其關鍵在於懸護環擊穿時，使主動區下方載子濃度下降。至於主動 區中的電子與電洞速度則沒有顯著變化，整體而言都是上升的。也就是說，懸護 環擊穿使主動區下方的載子濃度下降，降低了撞擊游離速率，使得元件電流與增 益下降。

(a) 照光之 I-V 電性圖 (b) 照光之 I-V 電性放大圖，並與沒有懸護 環的光電流比較

Figure 5.61: 懸護環距離（FGR spacing）為 6 µm 元件之光電流成分圖

(a) 有懸護環的結構 (b) 沒有懸護環的結構 Figure 5.62: 崩潰前降電流之電場 E 於−49 V、−49.5 V 之變化

(a) 有懸護環的結構 (b) 沒有懸護環的結構

Figure 5.63: 崩潰前降電流之撞擊游離率 G_avalanche於−49 V、49.5 V 之變化

(a) 有懸護環的結構 (b) 沒有懸護環的結構

Figure 5.64: 崩潰前降電流之電子濃度 n 於−49 V、−49.5 V 之變化

(a) 有懸護環的結構 (b) 沒有懸護環的結構 Figure 5.65: 崩潰前降電流之電洞濃度 p 於−49 V、−49.5 V 之變化

(a) 有懸護環的結構 (b) 沒有懸護環的結構

Figure 5.66: 崩潰前降電流之電子速度 v_n於−49 V、−49.5 V 之變化

(a) 有懸護環的結構 (b) 沒有懸護環的結構

Figure 5.67: 崩潰前降電流之電洞速度 v_p 於−49 V、−49.5 V 之變化