新型功率半導體器件的研究及其終端耐壓層的利用.pdf

1、電力電子技術(shù)的發(fā)展為電能的高效利用發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。電力電子技術(shù)的核心是功率半導體器件。正所謂“一代電力電子器件,一代電力電子技術(shù)”,電力電子技術(shù)的發(fā)展歸根結(jié)底是源于功率半導體器件的突破與創(chuàng)新。功率半導體器件從上個世紀50年代的晶閘管開始發(fā)展到現(xiàn)在,在近60年的時間里,逐漸形成了各種類型的器件蓬勃發(fā)展的格局。
　　功率半導體器件在電力電子技術(shù)中多數(shù)情況下是作為一種開關(guān)來應(yīng)用。理想的開關(guān)應(yīng)該具有極高的阻斷電壓、極強的導電能力、極高

2、的開關(guān)速度還有極易驅(qū)動的特點,而現(xiàn)有的功率半導體器件特性與理想開關(guān)之間仍有很大的差距。以硅材料的縱向雙擴散金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管(VDMOS)為例,它最突出的問題是比導通電阻隨著擊穿電壓的提高而顯著增加,即可怕的“硅極限”,嚴重限制了器件在高電壓領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　20世紀90年代出現(xiàn)的超結(jié)(Super Junction,簡稱SJ)器件打破了這種限制,使得相同耐壓下比導通電阻相比普通VDMOS小了一個數(shù)量級。而在近幾年,出

3、現(xiàn)了另一種新型功率半導體器件——在耐壓區(qū)利用高介電系數(shù)(簡稱高K或Hk)介質(zhì)的MOSFET(Hk-MOSFET)。高K介質(zhì)的引入使得耐壓區(qū)宏觀上等效的介電系數(shù)大大提高,使得Hk-MOSFET和超結(jié)MOSFET有著可比擬的比導通電阻。
　　本論文的主要創(chuàng)新點以及所作的工作在于,在已有的幾種新型功率半導體器件的基礎(chǔ)上,提出了進一步降低器件單位面積導通電阻(也稱比導通電阻)的方法,并進行了仿真驗證。模擬結(jié)果顯示,本文所提出的器件比導通電

4、阻相比現(xiàn)有的器件可再降低20％~70％。
　　Hk-MOSFET耐壓區(qū)內(nèi)半導體與高K介質(zhì)排布的方式有多種多樣,顯然具有最密堆積的六角形元胞具有最小的比導通電阻。本文討論了六角形元胞圖形的Hk-MOSFET的比導通電阻與耐壓的理論關(guān)系,并對理論結(jié)果和器件特性進行了仿真驗證。理論分析表明六角形圖形比叉指條形的的元胞的比導通電阻平均減小了約20％,文中還給出了器件參數(shù)最優(yōu)化的方案,對將來六角形元胞的Hk-MOSFET的設(shè)計提供了理論依據(jù)

5、。模擬的900 V器件顯示,Hk-MOSFET的比導通電阻僅比同耐壓的SJ-MOSFET大了約5％,而前者對電荷非平衡效應(yīng)具有較強的魯棒性。然而,制造Hk-MOSFET的最大難題在于尋找合適的高K材料,而且,相關(guān)的工藝也有待開發(fā)。
　　本文還提出了一種在縱向超結(jié)器件的漂移區(qū)引入積累層載流子的方法及其終端耐壓層的利用。先前已經(jīng)有多篇文獻報道在縱向功率MOSFET的漂移區(qū)形成積累層載流子參與導電可顯著降低器件的比導通電阻。然而這些器件

6、都是通過給深入到漂移區(qū)內(nèi)的柵電極施加偏壓來感應(yīng)積累層電荷的,因此這些器件都有較大的柵電荷值。柵電荷的增加不僅導致驅(qū)動柵極所需的功耗增加,同時也降低了器件的開關(guān)速度。本文提出的器件特色在于,耐壓層采用了超結(jié)原理,并利用了一種集成在元胞內(nèi)的低壓電源技術(shù)作為提供及存儲柵電荷的辦法。由于產(chǎn)生積累層載流子不是源自柵電極而是來自內(nèi)部的低壓電源,因此器件有效的柵電荷被大大地降低。一個600 V器件的模擬結(jié)果顯示,它的比導通電阻約為普通超結(jié)MOSFET

7、的46％,而有效柵電荷值幾乎與普通超結(jié)MOSFET相同。
　　上述引入積累層載流子的超結(jié)器件具有縱向的耐壓層,其所用到的技術(shù)同樣可以應(yīng)用于橫向結(jié)構(gòu)。因此,本文還研究了一種在漂移區(qū)形成積累層載流子以獲得極低比導通電阻的橫向MOSFET結(jié)構(gòu),并對它進行了仿真驗證。模擬結(jié)果顯示,對于600 V的橫向器件,本文提出的器件的比導通電阻僅為普通Double-RESURF LDMOS的30％,而兩者幾乎擁有相同的柵電荷值。由于橫向器件的制作工藝