超结功率器件等效衬底模型与非全耗尽工作模式研究

发布时间：2018-02-23 01:27

本文关键词： 超结器件非全耗尽模式 R阱模型最低比导通电阻等效衬底模型　出处：《电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：人类使用的电能75%以上是由功率半导体转换,功率MOS器件是功率半导体的主力军,兼具高耐压V_B和低比导通电阻R_(on)是其研究之热点。本文研究的对象正是功率MOS领域后起之秀—超结器件。超结器件以N/P型双导电结型耐压层替代常规单一导电阻型耐压层,这是耐压层的一次质变。通过在耐压层引入等量异型电荷,使表面高场转向体内,实现从表面场到体内场的优化。众多学者研究表明,超结器件耐压层的掺杂浓度N几乎独立于V_B,在相同V_B下可显著降低R_(on),使功率MOS的重要关系R_(on)∝V_B~(2.5)降低到1.32次方,使之成为“功率MOS器件里程碑”。近10年来,超结器件的研究集中在两方面:在制造工艺方面,致力于研制更小元胞尺寸和更严格电荷平衡的耐压层结构;在器件物理方面,采用电场判据分析一维或二维场分布,在耐压层全耗尽等条件下,求解R_(on)的局域值。可否考虑R_(on)全域优化,寻求最低值,为广大同行所关注,迄今悬而未决。研究R_(on)最低值的意义在于,指出实际指标与理论极限相差几何,从而明确改进方向。本文深究超结器件R_(on)基础问题,遵循“物穷其理”理念,建立电荷场概念,揭示其调制机理,提出超结器件最低比导通电阻R_(on,min)优化理论,获得迄今最优关系R_(on)∝V_B~(1.03)。该理论包括2模型、1模式和1方法,即比导通电阻阱—R阱模型和横向超结等效衬底模型,非全耗尽耐压模式,R_(on,min)优化法,以实现R_(on)全域优化,寻求R_(on,min)值。主要创新点如下:一.提出超结器件非全耗尽(non-full depletion,NFD)耐压新模式。引入电荷场概念,发现其纵向峰值场仅由掺杂剂量唯一确定;提出归一化电荷场分析法,由此引出耐压归一化系数;揭示在电荷场强调制下,器件工作于非全耗尽状态,具有更低的R_(on),从而提出NFD模式,解析给出最低R_(on)值,获得R_(on)∝V_B~(1.03)新关系。以器件耐压从200 V增加至800 V为例,采用传统2.5次方关系,器件R_(on)将增加32倍,本文新关系使得R_(on)增加倍数将降低至1/8。(相关研究发表于IEEE Transactions on Electron Devices(T-ED),2015,62(12):4114-4120)二.建立超结器件全域优化R阱模型。超结器件R_(on)受到元胞尺寸决定的最大掺杂浓度N_(max)与V_B决定的最短耐压层长度L_d,min两个基本约束,导致R_(on)随N呈U形阱分布,称为R阱。R阱上每点皆在电荷场与电势场矢量叠加后的击穿状态下取得,囊括了非全耗尽与全耗尽两种模式下所有可能优化点。R阱模型给定R_(on)优化的最佳路径,普适于现有超结优化法,在R阱上选定不同取值点即能实现不同条件的超结优化。(相关工作发表于IEEE T-ED,2016,63(5):1984-1990和IEEE T-ED,2017,64(1))三.建立R_(on,min)优化方法。在R阱模型基础上,首先在超结参数应用范围内,变化不同元胞尺寸与V_B获得各自的R阱分布;其次采用黄金分割寻优算法寻求每个R阱的唯一最低点R_(on,min)作为器件优化设计点;最后对所有优化点采用最小二乘法非线性拟合获得解析设计式及R_(on)-V_B关系。基于R_(on,min)优化,采用深槽刻蚀填充工艺研制了900 V/10 A的纵向超结器件,在V_B为950 V条件下R_(on)为53mΩ·cm2。比常规R_(on)∝V_B~(2.5)极限关系降低77%。(相关研究发表于IEEE T-ED,2016,63(5):1984-1990和IEEE T-ED,2017,64(1))四.建立横向超结器件等效衬底模型。将除超结之外的耐压层结构,即电荷补偿层与衬底视为等效衬底,研究其整体电场对表面超结的调制,揭示衬底辅助耗尽效应的本质乃衬底电离电荷影响表面超结电荷平衡,致使P条非全耗尽而N条全耗尽,器件耐压降低。进而获得理想衬底条件:电中性条件与均匀场条件。满足理想衬底条件时,横向超结器件可实现与纵向超结可比拟的器件耐压。在此基础上进一步对具有理想与非理想衬底的横向超结器件进行R_(on,min)优化,获得对应解析设计式,提出具有界面介质的单元胞横向超结结构。(相关研究发表于IEEE T-ED 2014,61(2):525-532和同期518-524)在横向超结R_(on,min)优化的指导下,实验获得两种横向超结器件结构:1)SOI基部分超结结构,其近源端和漏端分别采用1和0.15μm的厚硅层和薄硅层结构,厚硅层区三次注入形成表面超结。该器件结合超结低R_(on)与薄硅层结构的高临界场高V_B优点,实现最高耐压为977 V的SOI高压器件结构,比导通电阻比全薄层结构降低34.8%,新结构硅层临界场达106.7 V/μm,验证了文中提出的临界场公式;2)基于体硅基的表面单元胞超结结构,在常规结构表面注入形成纵向叠层单元胞超结,形成连通源漏两端且覆盖整个器件的表面高掺杂低阻层。研制的单元胞超结器件,V_B和R_(on)分别为805 V和86.49 mΩ·cm2,实现相同V_B下同类表面两次注入工艺形成超结器件中最低R_(on)。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

【参考文献】