【摘要】：電力電子技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的電能轉(zhuǎn)換技術(shù),它能靈活高效地將電能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式,是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)之一。功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)中最為基礎(chǔ)卻又極其重要的核心部件。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,智能功率集成電路的概念被引入進(jìn)來(lái),也就是將高壓的功率器件與低壓的控制電路集成到同一芯片上,以降低成本、提升可靠性。在智能功率集成電路中,為了易于集成一般采用橫向結(jié)構(gòu)的功率器件,相比于分立器件中常采用的縱向結(jié)構(gòu),在具有相同耐壓的條件下,橫向器件的電流能力較弱,導(dǎo)通壓降較大。為此,人們一直在致力于研究如何進(jìn)一步提高橫向功率器件的電流能力,而且不犧牲如耐壓、動(dòng)態(tài)功耗、可靠性等其他的性能。優(yōu)化橫向變摻雜(OPTVLD)技術(shù)是能有效優(yōu)化橫向功率器件的技術(shù)之一。該技術(shù)是陳星弼教授在對(duì)各種表面耐壓技術(shù)進(jìn)行理論分析及歸納后,計(jì)算得出了在盡可能短的橫向距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能高耐壓的最佳表面電通量分布,以及提出了依靠橫向變摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)這種最佳分布的方法。然而,因?yàn)樗岢龅姆椒ㄊ且揽繐诫s工藝實(shí)現(xiàn)的,且對(duì)雜質(zhì)劑量的精確度有一定要求,所以對(duì)工藝線的要求比較高。為此陳星弼教授又提出了利用高介電系數(shù)(高K)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化橫向變電通量的方法,即通過(guò)向漂移區(qū)表面引入高K介質(zhì)來(lái)改變電力線的流向以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電場(chǎng)分布。作者在陳星弼教授的指導(dǎo)下,主要圍繞高K介質(zhì)在橫向功率器件耐壓層中的應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)研究。本文展示了主要的研究?jī)?nèi)容,其創(chuàng)新性部分體現(xiàn)在第三至第五章,分別有:1.為進(jìn)一步降低LDMOS的比導(dǎo)通電阻,提出了一種利用n型多晶硅二極管來(lái)在漂移區(qū)表面自動(dòng)感應(yīng)出電子積累層的高K LDMOS結(jié)構(gòu)。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí),反偏的多晶硅二極管與漂移區(qū)表面存在電位差。在該電位差的作用下,漂移區(qū)表面會(huì)感應(yīng)出和多晶硅耗盡區(qū)內(nèi)施主電荷等量的電子,從而使得器件的比導(dǎo)通電阻下降。由于多晶硅二極管的反偏是通過(guò)器件的漏源電壓來(lái)完成的,因此積累層的產(chǎn)生無(wú)須依賴復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí),高K介質(zhì)的存在優(yōu)化了漂移區(qū)的電場(chǎng),器件的比導(dǎo)通電阻得到了進(jìn)一步降低,可靠性也得到提高。仿真結(jié)果也表明,新結(jié)構(gòu)的性能相比傳統(tǒng)LDMOS有了明顯的改進(jìn)。2.基于上述對(duì)積累層高K LDMOS的研究,提出了一種用作高壓開(kāi)關(guān)電路中高側(cè)器件的新型雙通道導(dǎo)電的高K SOI p-LDMOS。高側(cè)SOI p-LDMOS的背柵相對(duì)器件源極一直處于負(fù)偏置狀態(tài),這個(gè)負(fù)的偏置電壓可以在n型頂層硅底部感應(yīng)出空穴反型層。本文利用這一空穴反型層,以及在器件源極側(cè)新加入的P-well區(qū)、柵電極和p~+源區(qū)一起構(gòu)建了SOI p-LDMOS的第二條空穴電流路徑,有效提升了器件的導(dǎo)電能力。同時(shí),采用高K介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)Field p-LDMOS中的氧化層,在更高的漂移區(qū)摻雜濃度下仍能保證器件的耐壓。并且,還借助工藝仿真軟件和器件仿真軟件一起設(shè)計(jì)了器件的工藝流程并驗(yàn)證了器件性能。3.研究了現(xiàn)有改善LIGBT導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗矛盾關(guān)系的手段,提出了一種具有載流子存儲(chǔ)層的快關(guān)斷SOI LIGBT。本文采用從漂移區(qū)獲得輔助柵控制電位的方法,當(dāng)器件耐壓時(shí),可以從漂移區(qū)獲得一個(gè)相對(duì)陽(yáng)極較低的電壓作為輔助柵電壓,從而使得輔助柵控制的PMOS開(kāi)啟以短路陽(yáng)極,器件的關(guān)斷相當(dāng)于一個(gè)普通LDMOS的關(guān)斷;器件導(dǎo)通時(shí),PMOS被關(guān)斷,器件與正常LIGBT無(wú)異。仿真結(jié)果顯示,相比傳統(tǒng)SOI LIGBT,新結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時(shí)間得到了極大的縮短,而導(dǎo)通壓降卻并未增加。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN303

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本文編號(hào)：2799052