具有两种载流子的高压功率LDMOS的研究

发布时间：2018-06-20 18:40

  本文选题：功率半导体器件 + 优化横向变掺杂　； 参考：《电子科技大学》2016年博士论文

【摘要】：电力电子技术是国民经济发展的重要支撑技术,它是电能变换和控制的关键技术。作为电力电子技术的核心,功率半导体器件在电力电子技术领域的应用和市场中起着决定性的作用。在众多功率半导体器件中,功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Power MOSFET)被广泛应用于各种中小功率范围。在各种功率MOSFET器件中,由于横向双扩散场效应晶体管(LDMOS)具有易于集成的特点,因此被广泛应用于各种功率集成电路中。随着人们对电能的应用形式日趋多样化,功率器件的性能要求也越来越高,其性能主要体现在功耗与可靠性两个方面。由于功率器件往往作为开关来应用,因此其功耗与器件导通时的压降以及开关速度有关,而可靠性则往往与器件的安全工作区域有关。对于高压LDMOS器件而言,开关速度通常较快,其主流技术一般围绕进一步降低器件的比导通电阻与提高安全工作区域而展开。本文主要工作在于提高高压功率LDMOS的性能,具体包括提高器件安全工作区域与降低比导通电阻两个方面。在本文的工作中所提出的各种方法均是利用了两种带电类型相反的载流子的作用。主要研究内容包括以下四个方面:1.首先主要介绍了优化横向变掺杂(OPTVLD)理论以及其应用于LDMOS中的技术发展历程,并对OPTVLD MOS器件I V特性曲线中存在的“上翘”现象进行了理论研究。通过借助于一个耐压为340 V OPTVLD nMOS器件的模拟仿真,本文对该“上翘”现象产生的机理进行了分析和验证。通过分析发现,由于电子电流将额外负电荷引入器件耐压区,引起局部电场增加,从而导致局部碰撞电离加剧,因此导致器件I V特性曲线出现“上翘”现象。这种现象会导致器件在高压大电流工作区域产生热载流子效应甚至是提前击穿。2.针对OPTVLD MOS器件I V特性曲线中存在的“上翘”问题,本文基于陈星弼教授提出的利用两种多数载流子导电的思想,提出了两种新型的具有两种多数载流子导电的OPTVLD nMOS器件,来改善高压LDMOS中大电流所引入的电荷降低器件可靠性的问题。在这一章中,首先介绍了两种多数载流子导电技术的原理,即在同一器件中同时构造nMOS与pMOS,当器件处于高压大电流阶段时,这两种MOS均开启,从而在器件耐压区中同时出现电子电流与空穴电流,且电子与空穴均以多数载流子的形式存在。而实现这一问题的关键在于如何将nMOS与pMOS集成在同一器件中,且器件整体仍为三端器件。在前期工作中,分别提出了两种在三维上来实现两种多数载流子导电的结构,但这两种结构内部分别需要隔离与复杂的低压电路和低压电源。于是本文提出了两种在二维上实现的三端具有两种多数载流子导电的OPTVLD nMOS器件,并对器件的电学特性进行了仿真验证。模拟仿真结果表明,当器件处于高压大电流的工作区域时,器件内部同时具有电子和空穴导电,且电子与空穴均以多数载流子的形式存在;由于电子与空穴所带电荷之间的相互作用,器件具有较为平坦的输出特性曲线,存在于传统OPTVLD nMOS中的“上翘”现象基本被消除,器件安全工作区域也被大幅提高,其中较大栅压下的饱和电流值是传统OPTVLD nMOS的三倍。3.在耐压一定的情形下,为进一步降低LDMOS中比导通电阻Ron,sp,本文提出了一种利用自驱动分裂栅在漂移区表面形成积累层来导电的n型LDMOS。当这种器件导通时,分裂栅氧化层两侧同时存在电子与空穴两种载流子的积累层,从而使得比导通电阻Ron,sp不再受限于漂移区的掺杂剂量而获得极低值。其中分裂栅是采用一种可集成的低压电源技术来实现自驱动,从而使得器件拥有与传统Double RESURF LDMOS相近的栅电荷QG。在这一章中首先详细介绍了这种器件的结构和工作原理,并借助于仿真软件MEDICI对器件性能进行了验证和分析。仿真结果表明器件内部可以成功获取一个10 V左右的电压来驱动分裂栅。从而使得一个耐压为600 V的器件比导通电阻Ron,sp约为20.7 m??cm2,仅为传统Double REUSRF LDMOS的值的五分之一左右。同时,这一章所提出的器件具有与传统MOS类器件类似的高速开关特性。4.主要针对利用分裂栅在器件表面形成积累层来导电的LDMOS中存在的安全工作区域较小的问题,将两种多数载流子导电的思想也应用在上一章所提出的积累层器件中,进而提出了一种利用两种多数载流子导电的积累层LDMOS。在这一章中,首先介绍了器件的结构与工作原理。接着以一个耐压为600 V的器件的仿真结果为例,来分析和验证本章中所提出的器件的特性,并对相关特性予以解释。最后给出了实现该器件的关键工艺步骤与相关讨论。仿真结果表明,器件导通时,漂移区表面形成了电子积累层,因此,器件的比导通电阻较低;当器件工作在高压大电流区域时,分裂栅氧化层的上下两侧分别形成了空穴与电子的电流。器件安全工作区域被大幅提高,对比只有电子导电的情形,本文所提出的器件在高压大电流下的击穿电压显著增加,源漏电流IDS的饱和值也明显增加。
[Abstract]:鐢靛姏鐢靛瓙鎶，

本文编号：2045309