MOS栅控高压功率器件电流输运模式及新结构研究

发布时间：2020-03-22 06:55

【摘要】：电压全控型MOS栅控功率器件具有输入阻抗高、驱动电路简单等优点,是电源转换、驱动、控制等系统的核心元器件,且占据了分立器件最大的市场份额。MOS栅控功率器件设计的关键目标是要实现低损耗、高压及高功率密度。在中低功率应用领域,功率LDMOS(Lateral Double-diffusion Metal-Oxide-Semiconductor)作为智能功率集成电路的核心器件,其击穿电压(Breakdown Voltage,BV)与比导通电阻(Specific On-Resistance,R_(on,sp))之间存在R_(on,sp)∝BV ~(2.5)的“硅极限”矛盾关系。常用的RESURF技术与超结技术均在漂移区内引入P型区以辅助耗尽漂移区而提高漂移区掺杂浓度(N_d),实现高BV的同时降低了R_(on,sp);但R_(on,sp)仍然取决于N_d,而且附加引入的P型区导通状态下还会占据部分漂移区导电路径,不利于进一步降低R_(on,sp)。在中高功率应用领域,IGBT(Insulator Gate Bipolar Transistor)作为能源变换与传输电力电子装置的核心器件,其电导调制效应是把双刃剑,在降低导通压降(On-state voltage drop,V_(on))的同时也会增大关断损耗(Turning off energy loss,E_(off))。本文针对高压低损耗MOS栅控功率器件中存在的基础问题,从电流输运模式与新结构方面出发进行了如下创新研究。1、强电导高压薄SOI LDMOS新结构研究针对薄SOI(Silicon on Insulator)LDMOS源端“热点”问题以及BV与R_(on,sp)之间的“硅极限”矛盾关系,本文提出具有积累型电流输运模式的AEG(Accumulation-mode Extended Gate)SOI LDMOS和具有电导增强模式的JFP(Junction Field Plate)SOI LDMOS两种新结构。阻断状态下,位于漂移区上方的AEG结构与JFP结构都能辅助耗尽漂移区以提高N_d,但却不占用漂移区导电路径,从而大幅降低R_(on,sp);导通状态下,AEG结构还在漂移区表面形成高浓度的电子积累层,构建了积累型电流输运通道,使得AEG SOI LDMOS的R_(on,sp)进一步降低,这不仅消除了导通时漂移区源端的“热点”问题,也缓解了R_(on,sp)对漂移区掺杂浓度N_d的强依赖程度。与常规VLD SOI LDMOS相比,AEG SOI LDMOS与JFP SOI LDMOS的R_(on,sp)分别降低了65%与36%,FOM优值(Figure of merit,FOM=BV ~2/R_(on,sp))分别提高了223%与82%。在功率密度相同的导通状态下,VLD SOI LDMOS表面温差达到?T=78K,JFP SOI LDMOS表面温差降低到?T=26K,而AEG SOI LDMOS获得了均匀的表面温度分布(?T=1K)。2、电导增强型高压体硅LDMOS新结构研究针对体硅高压LDMOS器件的“硅极限”矛盾关系,本文在体硅上分别提出了JFP NFL LDMOS与AEG NFL LDMOS两种电导增强型高压器件新结构。新结构保留了JFP结构与AEG结构在降低R_(on,sp)方面的优势,并在P型衬底内引入高浓度N型埋层(N+Floating Layer,NFL)。结合线性掺杂的AEG/JFP结构对器件表面电场的调制作用与NFL层对器件体内等势线的优化分布作用,JFP NFL LDMOS与AEG NFL LDMOS实现了高BV值,并获得更优的BV与R_(on,sp)折中关系。与常规体硅LDMOS相比,AEG NFL LDMOS与JFP NFL LDMOS的BV都提高了60%以上,R_(on,sp)分别降低了67.1%与47.3%。同时,本文还实验验证了JFP结构与AEG结构、体内NFL层改善器件BV与R_(on,sp)的工作机理,实验结果证明了AEG结构引入的积累型电流输运模式的可行性与先进性。3、高速低损耗CTG RC-IGBT新结构研究针对逆导型(Reverse Conducting,RC)IGBT器件E_(off)与V_(on)之间的矛盾制约关系以及snapback现象,本文提出了一种1200V级具有集电极槽型控制栅(controllable trench gate,CTG)的高速低损耗RC-IGBT,新器件实现了低的双向导通压降与类似单极MOS器件的快速关断。通过控制集电极与CTG之间的栅压V_(RC),正向导通时,CTG槽周围形成高浓度空穴反型层,不仅允许新器件在小元胞尺寸下即可消除snapback现象,还等效增加P+collector面积以获得低的正向V_(on);反向导通时CTG槽周围形成高浓度电子积累层,等效增大N+collector面积以获得低的反向V_(on);阻断状态下,CTG槽与其周围形成的电子积累层作为等效N-buffer层,保证器件能承受反向高压;关断过程中,提前翻转栅压V_(RC)电位,使得P+collector与N+collector通过CTG槽周围的电子积累层实现电位短接,进而P+collector提前停止向漂移区内注入空穴,以减少器件关断过程中需要抽取的电子空穴对数目,最终实现类似单极MOS器件的无拖尾电流及快速关断效果,大幅降低E_(off)。与常规RC-IGBT相比,相同V_(on)值下新结构CTG RC-IGBT的E_(off)值降低了74%,而相同E_(off)值下新结构CTG RC-IGBT的V_(on)值降低了34%。(相关研究结果发表于IEEE EDL,2018,39(2):252-255)4、可集成高速低损耗MCSA LIEGT新结构研究本文还提出了一种600V级可集成MOS栅控短路阳极LIEGT新结构,新结构缓解了E_(off)与V_(on)之间的制约关系并抑制snapback现象。通过控制阳极与ATG(Anode Trench Gate)槽栅之间的栅压V_(AC),正向导通时,ATG槽栅关断,新结构N+anode被完全屏蔽,因而导通时没有snapback现象;阻断状态时,ATG槽栅开启,N+anode通过开启的ATG槽栅沟道与N-buffer层实现电位短接,使得新结构实现单极MOS器件耐压机制,缓解了高BV与低V_(on)对P+anode区掺杂浓度需求的矛盾关系;关断过程中,提前开启ATG槽栅,使得P+anode与N+anode、N-buffer通过开启的ATG槽栅沟道实现短接,进而P+anode将提前停止向漂移区内注入空穴,以减少器件关断过程中需要抽取的电子空穴对数目,最终实现类似单极MOS器件的无拖尾电流及快速关断效果,大幅降低E_(off)。与常规LIEGT相比,在相同V_(on)下MCSA LIEGT的E_(off)降低了88%。
【图文】：

功率半导体器件,电能转换,核心

图 1-1 功率半导体器件是电能转换的基础与核心随着绿色环保节能概念在国际间的确立与推广，作为消费、工业及国防领域中电源、驱动、控制等芯片的核心元器件，功率半导体器件是实现节能减排的和关键环节。据国际知名 HISISuppliResearch 机构年度调研报告数据显示，全率半导体市场在 2011 年达到了 331 亿美元，同比 2010 年继续增长 6.7%。我全球功率半导体最大、增长速度最快的市场（如在智能电网、高铁、新能源汽域），但高性能功率器件却严重依赖进口；《国家中长期科学与技术发展规划》、《国家集成电路产业发展推进纲要》都将功率半导体器件列为未来 5~15 年点技术领域之一[2-3]。作为电压控制型器件，MOS 栅控功率器件具有输入阻抗高、开启速度快、电路简单以及驱动功率小的优点，是交流-直流电源转换以及功率驱动等芯片心元器件，且占据了分立器件最大的市场份额[4-12]。其中，最典型的两类 M控高压功率器件是功率 MOSFET 器件与 IGBT 器件；前者主要用于中低功率，后者则主要用于中高功率领域。高压低损耗的 MOS 栅控功率器件是实现电

电流分布,器件结构,槽栅

导通状态下，槽栅、SiO2介质槽与衬底共同对漂移区多维度的辅助耗尽机制能大幅提高漂移区掺杂浓度 Nd，而且槽栅侧壁会形成高浓度的电子积累层，二者共同作用使得器件Ron,sp显著降低。与体硅DTLDMOS相比较，DTSOILDMOS由于 SOI 材料的特殊性还具有如下优势：首先，漏区和槽栅分别位于器件的中心和周边附近区域，高电势终止于槽栅，介质隔离槽包围低压控制 IC 进而隔离了高、低压区域；而槽栅周围做成浅 P+区域并将其接地，作为旁路电容，，可以避免噪声干扰，因此 DTSOILDMOS 更易与低压控制 IC 实现集成。其次，延伸至埋氧层的槽栅，有效避免体硅 DTLDMOS 槽栅末端由于电场集中造成的提前击穿问题；而且其辅助耗尽作用增强可获得更高的 Nd，并形成更长距离的电子积累层优化体内电流分布，进一步降低器件 Ron,sp。在半元胞宽度尺寸为 6.5 m，ts=7.5 m 时，体硅 DT LDMOS 实现了 Ron,sp= 7m cm2且 BV = 250V，DT SOI LDMOS (对应 tI=1.5 m 时)获得了 Ron,sp=3.3m cm2且 BV=233V，二者较对应的体硅与 SOI 基常规LDMOS 的 Ron,sp都有大幅的降低。2012 年文献[64]与[65]分别在体硅与 SOI 基 DTLDMOS 漂移区中 SiO2介质槽中再引入另外一个槽栅结构，进一步加强了槽结构对漂移区的辅助耗尽作用和槽栅侧壁的积累效果。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】