具有匀场耐压技术的横向高压器件新结构优化设计与实验研究

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功率半导体器件是电能处理领域的核心,在高压大功率电路中应用广泛。随着低碳生活的倡导,电能作为一项绿色能源,极大的促进了社会的可持续发展,各种用电设备正是凭借功率半导体器件对电能的转换才得以运转。然而,对于功率器件来说耐压VB和导通电阻Ron,sp是一对难以调和的矛盾,因此很多器件结构被提出来实现二者的优化。从阻型耐压层VDMOS(Vertical Double-Diffusion MOSFET),到电导增强阻型耐压层IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),再到结型耐压层SJ(Super Junction),无不遵循着优化耐压层的理念来实现对器件的创新设计。秉承上述思想,作者团队提出了HOF(Homogenization Field)耐压层的概念,并将其运用至LDMOS(Lateral Double-diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)器件中,通过漂移区中周期性排列的MIS阵列,实现了体内全域耗尽,并进一步提高的了掺杂浓度。本文基于HOF耐压层的研究提出新的器件结构,并进行了优化设计。本课题的主要内容与成果如下:(1)基于已有的HOF LDMOS实验,进一步研究HOF耐压层的机理和特性,发现已有的S-HOF(Single HOF)器件在较高浓度的掺杂下,不能保证耗尽区的连续性,当掺杂浓度高于一定值时,耐压大幅度下降。在此基础上,根据MIS(Metal Insulator Semiconductor)结构的电荷自平衡原理,提出D-HOF(Double HOF)器件。其特点是在S-HOF漂移区表面引入P-top层,器件关态时P-top几乎被MIS槽与N-drift全耗尽,D-HOF耐压层的表面场将被表面耗尽的P-top层钳位,所以当N-drift的掺杂浓度在更大范围变化时器件表面场均不发生变化,一定程度上杜绝了器件的表面击穿。(2)针对长漂移区D-HOF器件的提前击穿问题进行分析。发现靠近漏电极的最后一个周期性MIS槽底部存在强烈的曲率效应,使槽壁底部存在局部电场峰值,这是导致器件提前击穿的根本原因。通过研究曲率效应的机理,从解决曲率效应的三条路径出发,提出工艺兼容的优化方案,设计出了TS-HOF器件结构,其特点是通过漏端的沟槽来截止最后一个MIS槽的耗尽,以抑制严重的三维体曲率效应。实验证明,TS-HOF LDMOS的VB比对比结构D-HOF器件的VB高出15%以上,同时保持几乎相等的导通电阻Ron,sp。TS-HOF LDMOS的测量VB为675 V,Ron,sp为49.1 mΩ·cm~2,与Triple RESURF技术的理论值相比,减少了43.2%。(3)提出SOI-HOF结构。通过引入埋氧层,完全杜绝了体内曲率效应。将MIS结构电极插入埋氧层,可以实现ENDIF,通过介质承受高压,优化了纵向电场,使器件耐压提升。漂移区长度46μm的条件下,仿真实现了耐压910 V,介质层电场424 V/μm的特性。
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