本文關(guān)鍵詞： 超結(jié)器件 非全耗盡模式 R阱模型 最低比導(dǎo)通電阻 等效襯底模型　出處：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：人類使用的電能75%以上是由功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換,功率MOS器件是功率半導(dǎo)體的主力軍,兼具高耐壓V_B和低比導(dǎo)通電阻R_(on)是其研究之熱點(diǎn)。本文研究的對(duì)象正是功率MOS領(lǐng)域后起之秀—超結(jié)器件。超結(jié)器件以N/P型雙導(dǎo)電結(jié)型耐壓層替代常規(guī)單一導(dǎo)電阻型耐壓層,這是耐壓層的一次質(zhì)變。通過在耐壓層引入等量異型電荷,使表面高場(chǎng)轉(zhuǎn)向體內(nèi),實(shí)現(xiàn)從表面場(chǎng)到體內(nèi)場(chǎng)的優(yōu)化。眾多學(xué)者研究表明,超結(jié)器件耐壓層的摻雜濃度N幾乎獨(dú)立于V_B,在相同V_B下可顯著降低R_(on),使功率MOS的重要關(guān)系R_(on)∝V_B~(2.5)降低到1.32次方,使之成為“功率MOS器件里程碑”。近10年來,超結(jié)器件的研究集中在兩方面:在制造工藝方面,致力于研制更小元胞尺寸和更嚴(yán)格電荷平衡的耐壓層結(jié)構(gòu);在器件物理方面,采用電場(chǎng)判據(jù)分析一維或二維場(chǎng)分布,在耐壓層全耗盡等條件下,求解R_(on)的局域值。可否考慮R_(on)全域優(yōu)化,尋求最低值,為廣大同行所關(guān)注,迄今懸而未決。研究R_(on)最低值的意義在于,指出實(shí)際指標(biāo)與理論極限相差幾何,從而明確改進(jìn)方向。本文深究超結(jié)器件R_(on)基礎(chǔ)問題,遵循“物窮其理”理念,建立電荷場(chǎng)概念,揭示其調(diào)制機(jī)理,提出超結(jié)器件最低比導(dǎo)通電阻R_(on,min)優(yōu)化理論,獲得迄今最優(yōu)關(guān)系R_(on)∝V_B~(1.03)。該理論包括2模型、1模式和1方法,即比導(dǎo)通電阻阱—R阱模型和橫向超結(jié)等效襯底模型,非全耗盡耐壓模式,R_(on,min)優(yōu)化法,以實(shí)現(xiàn)R_(on)全域優(yōu)化,尋求R_(on,min)值。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:一.提出超結(jié)器件非全耗盡(non-full depletion,NFD)耐壓新模式。引入電荷場(chǎng)概念,發(fā)現(xiàn)其縱向峰值場(chǎng)僅由摻雜劑量唯一確定;提出歸一化電荷場(chǎng)分析法,由此引出耐壓歸一化系數(shù);揭示在電荷場(chǎng)強(qiáng)調(diào)制下,器件工作于非全耗盡狀態(tài),具有更低的R_(on),從而提出NFD模式,解析給出最低R_(on)值,獲得R_(on)∝V_B~(1.03)新關(guān)系。以器件耐壓從200 V增加至800 V為例,采用傳統(tǒng)2.5次方關(guān)系,器件R_(on)將增加32倍,本文新關(guān)系使得R_(on)增加倍數(shù)將降低至1/8。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices(T-ED),2015,62(12):4114-4120)二.建立超結(jié)器件全域優(yōu)化R阱模型。超結(jié)器件R_(on)受到元胞尺寸決定的最大摻雜濃度N_(max)與V_B決定的最短耐壓層長(zhǎng)度L_d,min兩個(gè)基本約束,導(dǎo)致R_(on)隨N呈U形阱分布,稱為R阱。R阱上每點(diǎn)皆在電荷場(chǎng)與電勢(shì)場(chǎng)矢量疊加后的擊穿狀態(tài)下取得,囊括了非全耗盡與全耗盡兩種模式下所有可能優(yōu)化點(diǎn)。R阱模型給定R_(on)優(yōu)化的最佳路徑,普適于現(xiàn)有超結(jié)優(yōu)化法,在R阱上選定不同取值點(diǎn)即能實(shí)現(xiàn)不同條件的超結(jié)優(yōu)化。(相關(guān)工作發(fā)表于IEEE T-ED,2016,63(5):1984-1990和IEEE T-ED,2017,64(1))三.建立R_(on,min)優(yōu)化方法。在R阱模型基礎(chǔ)上,首先在超結(jié)參數(shù)應(yīng)用范圍內(nèi),變化不同元胞尺寸與V_B獲得各自的R阱分布;其次采用黃金分割尋優(yōu)算法尋求每個(gè)R阱的唯一最低點(diǎn)R_(on,min)作為器件優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn);最后對(duì)所有優(yōu)化點(diǎn)采用最小二乘法非線性擬合獲得解析設(shè)計(jì)式及R_(on)-V_B關(guān)系。基于R_(on,min)優(yōu)化,采用深槽刻蝕填充工藝研制了900 V/10 A的縱向超結(jié)器件,在V_B為950 V條件下R_(on)為53mΩ·cm2。比常規(guī)R_(on)∝V_B~(2.5)極限關(guān)系降低77%。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE T-ED,2016,63(5):1984-1990和IEEE T-ED,2017,64(1))四.建立橫向超結(jié)器件等效襯底模型。將除超結(jié)之外的耐壓層結(jié)構(gòu),即電荷補(bǔ)償層與襯底視為等效襯底,研究其整體電場(chǎng)對(duì)表面超結(jié)的調(diào)制,揭示襯底輔助耗盡效應(yīng)的本質(zhì)乃襯底電離電荷影響表面超結(jié)電荷平衡,致使P條非全耗盡而N條全耗盡,器件耐壓降低。進(jìn)而獲得理想襯底條件:電中性條件與均勻場(chǎng)條件。滿足理想襯底條件時(shí),橫向超結(jié)器件可實(shí)現(xiàn)與縱向超結(jié)可比擬的器件耐壓。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)具有理想與非理想襯底的橫向超結(jié)器件進(jìn)行R_(on,min)優(yōu)化,獲得對(duì)應(yīng)解析設(shè)計(jì)式,提出具有界面介質(zhì)的單元胞橫向超結(jié)結(jié)構(gòu)。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE T-ED 2014,61(2):525-532和同期518-524)在橫向超結(jié)R_(on,min)優(yōu)化的指導(dǎo)下,實(shí)驗(yàn)獲得兩種橫向超結(jié)器件結(jié)構(gòu):1)SOI基部分超結(jié)結(jié)構(gòu),其近源端和漏端分別采用1和0.15μm的厚硅層和薄硅層結(jié)構(gòu),厚硅層區(qū)三次注入形成表面超結(jié)。該器件結(jié)合超結(jié)低R_(on)與薄硅層結(jié)構(gòu)的高臨界場(chǎng)高V_B優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)最高耐壓為977 V的SOI高壓器件結(jié)構(gòu),比導(dǎo)通電阻比全薄層結(jié)構(gòu)降低34.8%,新結(jié)構(gòu)硅層臨界場(chǎng)達(dá)106.7 V/μm,驗(yàn)證了文中提出的臨界場(chǎng)公式;2)基于體硅基的表面單元胞超結(jié)結(jié)構(gòu),在常規(guī)結(jié)構(gòu)表面注入形成縱向疊層單元胞超結(jié),形成連通源漏兩端且覆蓋整個(gè)器件的表面高摻雜低阻層。研制的單元胞超結(jié)器件,V_B和R_(on)分別為805 V和86.49 mΩ·cm2,實(shí)現(xiàn)相同V_B下同類表面兩次注入工藝形成超結(jié)器件中最低R_(on)。
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【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】：2016
【分類號(hào)】：TN386

【參考文獻(xiàn)】

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1 章文通;吳麗娟;喬明;羅小蓉;張波;李肇基;;Novel high-voltage power lateral MOSFET with adaptive buried electrodes[J];Chinese Physics B;2012年07期

2 陳星弼;;超結(jié)器件[J];電力電子技術(shù);2008年12期

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本文編號(hào)：1525794