新型横向功率器件及利用高K介质的终端结构的研究

发布时间：2020-07-14 00:35

【摘要】：随着能源供应问题以及环境污染问题日益严重,新能源电能的开发和利用已刻不容缓。电力电子技术作为最先进的电能控制与变换技术,它的进步和发展不仅能显著降低电力以及电力设施成本,而且还能减轻对环境的污染。同时,它对促进我国国民经济的发展也具有十分重要的意义。电力电子器件作为电力电子系统的核心部件,它的最重要的设计目标之一就是实现低损耗、高耐压。这也是保障电能高效利用的关键所在。然而,在功率器件中击穿电压(BV)和比导通电阻(导通电阻与表面面积之积,R_(on,sp))之间是一对难以调和的矛盾关系,对于LDMOST而言尤甚。这严重限制了其在高压范围的应用。针对此问题,本人在导师陈星弼教授的指导下开展了一系列的研究工作。本文的创新工作主要包括以下几个方面:1.为进一步降低p-LDMOST的比导通电阻,本文基于采用优化横向变掺杂(OPTimum Variation Lateral Doping,简称OPTVLD)技术的双通道p-LDMOST的已有结构,提出了一种改进结构。在已有的OPTVLD双通道p-LDMOST中由于空穴导通路径上的掺杂分布受OPTVLD理论的制约,很大程度上限制了双通道上的电流导通能力。考虑到这一点,本文基于已有结构,在器件的表面引入了一个自驱动的扩展栅结构。该结构不仅在表面导通路径上引入空穴积累层改善器件的电流能力,而且还可以作为场板改善器件的内部电场分布。仿真表明,耐压为328 V的改进的双通道p-LDMOST,其比导通电阻仅为75 m?·cm~2。与相同耐压的已有结构相比,该结构的R_(on,sp)降低了51.2%,甚至与同工艺条件和相同电压等级下的n-LDMOST的比导通电阻相媲美。2.针对深槽LDMOST中体内电场衰减现象以及其耐压易受漂移区掺杂浓度变化影响的问题,本文提出了一种新型的具有双高K(Hk)柱的深槽LDMOST。该结构将两个Hk柱纵向插入二氧化硅槽中。双Hk柱辅助耗尽漂移区,从而允许漂移区具有更高的掺杂浓度。另外,双Hk柱分别调制源极侧漂移区和漏极侧漂移区的电场分布,使得体内平均电场增加,提高击穿电压,从而使该结构突破了功率器件“硅极限”的制约。在相对介电常数为500时,新结构的BV和R_(on,sp)分别为749 V和67 m?·cm~2。这比相同元胞尺寸的传统槽型LDMOST的BV提高了86%,R_(on,sp)降低了88%。虽然双Hk柱LDMOST的关断时间要比传统槽型LDMOST的长,但瑕不掩瑜,并且这在大多数实际应用中都是可以接受的。3.在槽型终端结构中,有源区与终端区交界面上电位移线集中现象限制了槽型终端结构长度的进一步降低,本文针对此问题,提出了一种新型变K深槽结终端结构。该结构在介质槽中填充三层介质,顶部Hk介质层的作用主要是将原先集中在交界面处的电位移线转移至金属场板,从而缓解该处的电场电压。底部低K介质层主要是用于承受纵向耐压。基于不同介质电位移连续原理,利用中部和底部介质介电常数的突变,在靠近结终端结构的有源区中产生一个新的峰值电场,从而增加了该区域的平均电场。在三层介质的共同作用下,变K深槽结终端结构在保证耐压的同时大幅降低了结终端结构的表面长度。4.本文基于陈星弼教授有关含导电颗粒替代真实Hk材料作为耐压层的中美专利的学习和研究,对一种简单情形下的导电颗粒对绝缘介质的作用进行了分析。在含导电颗粒介质中,导电颗粒在外加电场的作用下感应产生了电偶极子,该偶极子对其外部产生了电通量。这使得含导电颗粒介质的有效介电常数?_(eff)和介质中最大电场E_(max)同时增加。文章还表明导电颗粒的几何形状和导电颗粒在绝缘介质中的堆积方式对?_(ef) _f和E_(max)有非常大的影响。仿真结果显示,当正方体导电颗粒在介质中以立方密堆积,导电颗粒在介质中的相对尺寸为0.495时,与不含导电颗粒的介质相比,含导电颗粒的介质的?_(ef) _f和E_(max)分别提高了67.7倍和97.5倍。在实际的含导电颗粒介质中,理论分析?_(ef) _f和E_(max)是非常复杂的。本文讨论的结果只适用于导电颗粒分布很均匀的情形,这为含导电颗粒介质在功率器件耐压结构中的应用提供了基本的理论依据。
【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

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐敏毅;高低压兼容的CMOS门阵列设计[J];固体电子学研究与进展;1988年04期

2 陈星弼,杨功铭;横向结构深结功率MOSFET漂移区的优化设计[J];微电子学;1988年04期

3 赵元富;可集成的高压LDPMOSFET的设计及实验研究[J];微电子学;1989年01期

4 陈铭;;具有梯度掺杂漂移区的分裂栅功率场效应晶体管设计[J];集成电路应用;2018年05期

5 张海鹏;邱晓军;胡晓萍;沈世龙;杨宝;岳亚富;;DRT MC SOI LIGBT器件漂移区新结构的可实现性[J];电子器件;2006年01期

6 李琦;王卫东;赵秋明;晋良念;;薄型双漂移区高压器件新结构的耐压分析[J];微电子学与计算机;2012年02期

7 管小进;王子欧;帅柏林;;DDDMOS特性研究与建模[J];苏州大学学报(工科版);2006年03期

8 朱奎英;钱钦松;孙伟峰;;Double RESURF nLDMOS功率器件的优化设计[J];固体电子学研究与进展;2010年02期

9 罗向东;孙玲;陈海进;刘焱华;孙海燕;徐炜炜;陶涛;程梦璋;景为平;;110V体硅LDMOS器件研究[J];南通大学学报(自然科学版);2008年02期

10 冯银宝;;双漂移区离子注入毫米波雪崩二极管[J];半导体情报;1972年01期

相关会议论文 前8条

1 冯松;高勇;杨媛;;1100V IGBT结构参数的分析[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年

2 郭宇锋;蹇彤;徐跃;王志功;;一种具有阶梯漂移区的新型SOI横向耐压结构[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年

3 杨寿国;罗小蓉;李肇基;张波;;阶梯厚度漂移区SOI新结构耐压分析[A];四川省电子学会半导体与集成技术专委会2006年度学术年会论文集[C];2006年

4 郭宇锋;王志功;;阶梯厚度漂移区SOI横向高压器件[A];第十届中国科协年会论文集（四）[C];2008年

5 孟坚;高珊;陈军宁;柯导明;孙伟锋;时龙兴;徐超;;用阱作高阻漂移区的LDMOS导通电阻的解析模型[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年

6 薛谦忠;刘濮鲲;;三腔回旋速调管预群聚电流谐波分量研究[A];中国电子学会真空电子学分会——第十四届年会论文集[C];2004年

7 武洁;方健;李肇基;;单晶扩散型LDMOS特性分析[A];展望新世纪——’02学术年会论文集[C];2002年

8 武洁;方健;李肇基;;单晶扩散型LDMOS特性分析[A];中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集[C];2002年

相关重要报纸文章 前1条

1 张波;SOI：技术瓶颈突破 应用领域扩大[N];中国电子报;2007年

相关博士学位论文 前10条

1 李欢;新型横向功率器件及利用高K介质的终端结构的研究[D];电子科技大学;2018年

2 邓菁;新型横向功率器件的研究及高K介质在耐压层中的应用[D];电子科技大学;2018年

3 杨文伟;SOI RESURF原理研究及SOI LDMOS研制[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2004年

4 孟坚;LDMOS的可靠性和温度特性研究[D];安徽大学;2007年

5 高珊;复合栅多阶梯场极板LDMOS电学特性的研究[D];安徽大学;2007年

6 李琦;薄漂移区横向高压器件耐压模型及新结构[D];电子科技大学;2008年

7 伍伟;横向超结器件模型与新结构研究[D];电子科技大学;2014年

8 胡月;基于PSOI的高压LDMOS研究[D];武汉大学;2012年

9 范杰;高压低导通电阻SOI器件模型与新结构[D];电子科技大学;2013年

10 花婷婷;横向集成高压器件纵向掺杂分布优化理论的研究[D];南京邮电大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 黄示;硅基横向功率器件耐压新技术—漂移区形状调制技术[D];南京邮电大学;2014年

2 陈银晖;基于体电场调制技术的高压LDMOS器件研究[D];重庆大学;2017年

3 邹淅;应变RF LDMOSFET的研究[D];电子科技大学;2015年

4 徐琴;射频LDMOS新结构的特性与工艺研究[D];南京邮电大学;2013年

5 俞军军;30V，2.4GHz SOI-LDMOS 设计[D];东南大学;2006年

6 王小波;基于SOI的600V NLDMOS器件结构设计及特性研究[D];电子科技大学;2013年

7 裴晓延;具有多凹陷源/漏漂移区的4H-SiC MESFETs设计与仿真[D];西安电子科技大学;2014年

8 李鹏程;电导增强型高压功率器件研究[D];电子科技大学;2015年

9 吴俊峰;新型槽栅低阻LDMOS设计[D];电子科技大学;2017年

10 袁晴雯;槽栅型二维类超结LDMOS研究[D];南京邮电大学;2017年

本文编号：2754208