基于電荷平衡的橫向功率器件研究.pdf

1、高速、低損耗、可集成的橫向功率器件是功率集成電路(Power Integrated Circuit:PIC)的核心和關(guān)鍵。本文以橫向功率器件為研究對(duì)象，從分析電荷非平衡對(duì)器件性能影響，特別是對(duì)器件擊穿電壓的影響入手，提出了一種基于電荷平衡效應(yīng)的橫向功率器件優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法。根據(jù)電中性原理，通過(guò)引入附加電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)來(lái)調(diào)制原有電場(chǎng)，達(dá)到新的電場(chǎng)優(yōu)化，從而提高器件擊穿電壓。主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括： (1)具有多等位環(huán)結(jié)構(gòu)的LDMOS(M

2、ER-LDMOS)。提出一種多等位環(huán)的高壓屏蔽新結(jié)構(gòu)MER-LDMOS，該結(jié)構(gòu)通過(guò)等位環(huán)與硅表面直接相連，使等位環(huán)電勢(shì)與硅表面電勢(shì)保持一致，降低或者消除了器件硅表面的高壓互連線(High Voltage Interconnection，簡(jiǎn)稱(chēng)HVI)場(chǎng)致電荷，提高了器件耐壓，實(shí)現(xiàn)了屏蔽HVI場(chǎng)致電荷的目的。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)MER-LDMOS結(jié)構(gòu)的擊穿電壓受相鄰等位環(huán)間距大小影響的不足，提出了改進(jìn)型MER-LDMOS結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變等位環(huán)結(jié)構(gòu)

3、形狀，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)HVI場(chǎng)致電荷的屏蔽作用，器件擊穿電壓達(dá)到820V。 (2)具有部分N埋層的SJ-LDMOS(Super Junction LDMOS)。提出一種具有部分N埋層的SJ-LDMOS新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在SJ-LDMOS的P襯底與SJ(Super Junction)柱區(qū)之間引入部分N埋層，消除了常規(guī)SJ-LDMOS中襯底輔助耗盡效應(yīng)的影響，使SJ部分的N柱區(qū)電荷與P柱區(qū)電荷達(dá)到平衡，提高了器件擊穿電壓。同時(shí)，N埋層還有

4、助于降低器件的正向?qū)娮?。分析結(jié)果表明，本文提出的具有部分N埋層的SJ-LDMOS結(jié)構(gòu)具有高的擊穿電壓，較小的比導(dǎo)通電阻和較好的工藝兼容性。 (3)具有非均勻N埋層的高壓SJ-LDMOS。借助橫向變摻雜技術(shù)，提出一種具有非均勻N埋層的高壓SJ-LDMOS新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在常規(guī)SJ-LDMOS的P襯底與SJ柱區(qū)之間引入非均勻N埋層，不僅消除了襯底輔助耗盡效應(yīng)，使器件表面電場(chǎng)分布均勻，而且確保了n柱區(qū)在整個(gè)漂移區(qū)內(nèi)的高濃度摻雜。分析

5、結(jié)果表明本文提出的具有非均勻N埋層高壓SJ-LDMOS新結(jié)構(gòu)，其擊穿電壓可高達(dá)700V甚至1300V的，而且具有較小的正向?qū)娮琛?(4)具有階梯摻雜表面注入層的SOI SJ-LDMOS。提出一種具有階梯摻雜表面注入層的SOI SJ-LDMOS新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)消除了常規(guī)SOI SJ-LDMOS結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)致效應(yīng)的影響，使SJ部分的N柱區(qū)電荷與P柱區(qū)電荷達(dá)到平衡，表面電場(chǎng)分布均勻，提高了器件擊穿電壓，且高濃度的表面注入層有利于降低其

6、正向?qū)娮?。分析結(jié)果表明，本文提出的具有階梯摻雜表面注入層的SOI SJ-LDMOS器件擊穿電壓比常規(guī)SOI SJ-LDMOS器件擊穿電壓提高55％，同時(shí)比導(dǎo)通電阻降低37.4％。 此外，本文還對(duì)雙極型功率晶體管中非平衡電荷(非平衡載流子)對(duì)晶體管電流增益的影響進(jìn)行了研究，該研究結(jié)果特別適用于功率集成電路中的橫向雙極型功率晶體管，具體如下： 基于雙極型功率晶體管在大電流工作模式下所具有的大注入效應(yīng)，本文首次從理論上分析