【摘要】：隨著能源供應(yīng)問題以及環(huán)境污染問題日益嚴重,新能源電能的開發(fā)和利用已刻不容緩。電力電子技術(shù)作為最先進的電能控制與變換技術(shù),它的進步和發(fā)展不僅能顯著降低電力以及電力設(shè)施成本,而且還能減輕對環(huán)境的污染。同時,它對促進我國國民經(jīng)濟的發(fā)展也具有十分重要的意義。電力電子器件作為電力電子系統(tǒng)的核心部件,它的最重要的設(shè)計目標之一就是實現(xiàn)低損耗、高耐壓。這也是保障電能高效利用的關(guān)鍵所在。然而,在功率器件中擊穿電壓(BV)和比導(dǎo)通電阻(導(dǎo)通電阻與表面面積之積,R_(on,sp))之間是一對難以調(diào)和的矛盾關(guān)系,對于LDMOST而言尤甚。這嚴重限制了其在高壓范圍的應(yīng)用。針對此問題,本人在導(dǎo)師陳星弼教授的指導(dǎo)下開展了一系列的研究工作。本文的創(chuàng)新工作主要包括以下幾個方面:1.為進一步降低p-LDMOST的比導(dǎo)通電阻,本文基于采用優(yōu)化橫向變摻雜(OPTimum Variation Lateral Doping,簡稱OPTVLD)技術(shù)的雙通道p-LDMOST的已有結(jié)構(gòu),提出了一種改進結(jié)構(gòu)。在已有的OPTVLD雙通道p-LDMOST中由于空穴導(dǎo)通路徑上的摻雜分布受OPTVLD理論的制約,很大程度上限制了雙通道上的電流導(dǎo)通能力�？紤]到這一點,本文基于已有結(jié)構(gòu),在器件的表面引入了一個自驅(qū)動的擴展柵結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅在表面導(dǎo)通路徑上引入空穴積累層改善器件的電流能力,而且還可以作為場板改善器件的內(nèi)部電場分布。仿真表明,耐壓為328 V的改進的雙通道p-LDMOST,其比導(dǎo)通電阻僅為75 m?·cm~2。與相同耐壓的已有結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)的R_(on,sp)降低了51.2%,甚至與同工藝條件和相同電壓等級下的n-LDMOST的比導(dǎo)通電阻相媲美。2.針對深槽LDMOST中體內(nèi)電場衰減現(xiàn)象以及其耐壓易受漂移區(qū)摻雜濃度變化影響的問題,本文提出了一種新型的具有雙高K(Hk)柱的深槽LDMOST。該結(jié)構(gòu)將兩個Hk柱縱向插入二氧化硅槽中。雙Hk柱輔助耗盡漂移區(qū),從而允許漂移區(qū)具有更高的摻雜濃度。另外,雙Hk柱分別調(diào)制源極側(cè)漂移區(qū)和漏極側(cè)漂移區(qū)的電場分布,使得體內(nèi)平均電場增加,提高擊穿電壓,從而使該結(jié)構(gòu)突破了功率器件“硅極限”的制約。在相對介電常數(shù)為500時,新結(jié)構(gòu)的BV和R_(on,sp)分別為749 V和67 m?·cm~2。這比相同元胞尺寸的傳統(tǒng)槽型LDMOST的BV提高了86%,R_(on,sp)降低了88%。雖然雙Hk柱LDMOST的關(guān)斷時間要比傳統(tǒng)槽型LDMOST的長,但瑕不掩瑜,并且這在大多數(shù)實際應(yīng)用中都是可以接受的。3.在槽型終端結(jié)構(gòu)中,有源區(qū)與終端區(qū)交界面上電位移線集中現(xiàn)象限制了槽型終端結(jié)構(gòu)長度的進一步降低,本文針對此問題,提出了一種新型變K深槽結(jié)終端結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在介質(zhì)槽中填充三層介質(zhì),頂部Hk介質(zhì)層的作用主要是將原先集中在交界面處的電位移線轉(zhuǎn)移至金屬場板,從而緩解該處的電場電壓。底部低K介質(zhì)層主要是用于承受縱向耐壓。基于不同介質(zhì)電位移連續(xù)原理,利用中部和底部介質(zhì)介電常數(shù)的突變,在靠近結(jié)終端結(jié)構(gòu)的有源區(qū)中產(chǎn)生一個新的峰值電場,從而增加了該區(qū)域的平均電場。在三層介質(zhì)的共同作用下,變K深槽結(jié)終端結(jié)構(gòu)在保證耐壓的同時大幅降低了結(jié)終端結(jié)構(gòu)的表面長度。4.本文基于陳星弼教授有關(guān)含導(dǎo)電顆粒替代真實Hk材料作為耐壓層的中美專利的學(xué)習和研究,對一種簡單情形下的導(dǎo)電顆粒對絕緣介質(zhì)的作用進行了分析。在含導(dǎo)電顆粒介質(zhì)中,導(dǎo)電顆粒在外加電場的作用下感應(yīng)產(chǎn)生了電偶極子,該偶極子對其外部產(chǎn)生了電通量。這使得含導(dǎo)電顆粒介質(zhì)的有效介電常數(shù)?_(eff)和介質(zhì)中最大電場E_(max)同時增加。文章還表明導(dǎo)電顆粒的幾何形狀和導(dǎo)電顆粒在絕緣介質(zhì)中的堆積方式對?_(ef) _f和E_(max)有非常大的影響。仿真結(jié)果顯示,當正方體導(dǎo)電顆粒在介質(zhì)中以立方密堆積,導(dǎo)電顆粒在介質(zhì)中的相對尺寸為0.495時,與不含導(dǎo)電顆粒的介質(zhì)相比,含導(dǎo)電顆粒的介質(zhì)的?_(ef) _f和E_(max)分別提高了67.7倍和97.5倍。在實際的含導(dǎo)電顆粒介質(zhì)中,理論分析?_(ef) _f和E_(max)是非常復(fù)雜的。本文討論的結(jié)果只適用于導(dǎo)電顆粒分布很均勻的情形,這為含導(dǎo)電顆粒介質(zhì)在功率器件耐壓結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了基本的理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

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