功率半导体器件是电力电子技术的核心,在电力能源输送应用的过程中,发挥着极其重要且无可替代的作用。发展功率半导体器件,不仅是人类工业发展的强烈需求,也是当今社会提倡节能减排、环境保护的必然选择。在功率器件的耐压区技术中,有一种由陈星弼教授发明的利用高介电常数（高K）介质的耐高压结构。该结构可利用高K介质对漂移区电场分布进行优化,从而获得极低的比导通电阻。同时,该结构还避免了超结耐压层中对电荷平衡的苛刻要求,因此不管在横向还是纵向的功率器件中都具有非常大的应用潜力。然而,目前对使用该结构的新型高K功率器件的相关研究,大多还停留在理论设计和仿真阶段,一直缺少足够的实验数据来支撑。实际上,新型高K功率器件的设计理论对介质材料的铁电性、工艺流程、介电常数、材料尺寸、图形化技术都提出了比较特殊的要求。围绕以上这些问题,作者开展了一系列关于新型高K功率器件的研究工作,涉及到高K的来源、高K的影响以及高K的应用。本论文的创新工作如下:1.本文研究指出,在利用高K耐压层设计的纵向功率场效应晶体管（HK-VDMOS）中,高K介质的铁电性会导致器件的导通性能出现退化。根据铁电材料的电滞回线极化特征,器件由关断状态转换到开启状态时,高K介质的剩余极化会在其与硅的交界面附近感应出电荷,导致漂移区内产生部分耗尽。该耗尽区会压缩导通电流通道,使漂移区电阻上升,最终导致器件导通能力退化。本文利用半导体数值模拟软件中的铁电模型,成功仿真出该退化现象,与理论分析结果相吻合。仿真结果表明,铁电性最多会使器件的比导通电阻上升约30%。另外本文还发现,器件的导通性能会受自身前一个关断周期时所承受的电压值所影响,更低的工作电压会减弱铁电性引起的退化现象。2.根据上一点的研究结果,本文提出在对高K介质进行材料选择时,要尽量避免其表现出铁电性。在对钙钛矿分子结构的自发极化原理,以及对铁电性与居里温度之间的关系进行研究后,本文选择钛酸锶（SrTiO₃）作为高K功率器件中的介质材料。对其制备的流程从衬底清洗开始,经过磁控溅射、高温退火,最终将最大厚度为400 nm的均匀SrTiO₃薄膜直接淀积在单晶硅衬底上。实验中对样品进行了光学显微镜观察、SEM测试、XRD测试、薄膜电容测试,计算出SrTiO₃薄膜的相对介电常数值为213.4,满足高K功率器件的设计要求。另外,实验还完成了2μm特征尺寸的湿法刻蚀,刻蚀结果能够满足高K功率器件中金属接触孔的制作。3.利用SrTiO₃薄膜的实验测试数据,本文提出利用高K薄膜对优化横向变掺杂（OPTVLD）技术进行优化。传统使用OPTVLD技术的器件由于对杂质剂量偏移的抵御能力弱,实际应用时对工艺精度要求高,设计过程难度大,生产成品率低。本文提出,当杂质剂量发生偏移时,高K介质可以将多余电荷产生的电通量抽走,因此实现对耐压区电场峰值的抑制。对使用OPTVLD技术的单层耐压结构,在耐压区表面覆盖SrTiO₃薄膜改进后,可以使P型变掺杂（P-VLD）层的剂量工艺窗口提高至1.6倍左右。针对使用OPTVLD技术的横向功率场效应晶体管（LDMOS）,利用SrTiO₃薄膜可以将P-VLD埋层的剂量工艺窗口提升至1.8倍左右。在考虑P-VLD埋层和N-well同时发生剂量偏移时,使用SrTiO₃薄膜的改进效果更加明显。4.利用SrTiO₃薄膜的实验测试数据,本文提出利用高K薄膜对使用绝缘体上硅（SOI）技术的横向绝缘栅双极型晶体管（LIGBT）进行改进。覆盖在耐压区表面的高K薄膜可以优化器件的表面电场分布,使器件在耐压等级不变的情况下,节约芯片面积,提高导电能力,并且减少了漂移区中存储的非平衡载流子,从而降低器件的关断时间以及关断损耗。仿真结果表明,相比于传统SOI-LIGBT,改进的器件可以使器件长度缩短15%,导通压降降低10%,关断时间降低42%,关断损耗减小61%。此外,本文还提出一种双向导通的SOI-LIGBT结构,其内置的晶闸管可以帮助器件实现反向导通功能,并且在关断过程中还提供一条额外抽取电子的通道,从而加速器件关断。相比于传统阳极短路技术,增加的浮空P-well区可以阻挡器件以单极型模式工作,从而避免了电流折回（Snapback）问题。仿真结果表明,与传统LIGBT反并联二极管的结构相比,新结构可以使反向导通压降降低0.1 V,反向恢复电荷和关断损耗均降低30%以上。