利用高K絕緣介質的新型功率半導體器件的研究.pdf

1、隨著經濟的發(fā)展，全球對電能的需求量在逐年增加。如今，中國已超越美國成為了世界上電能消耗量最大的國家，而且中國的電能消耗量的增長率也遠超美國和歐盟。這樣的發(fā)展趨勢顯然是我國實現(xiàn)節(jié)能減排目標的一個重大挑戰(zhàn)。面對這一挑戰(zhàn)，高效地利用電能顯得尤為重要。電力電子技術是一種能將電能高效利用的新興技術，而功率半導體器件是電力電子技術的核心。因此，研究功率半導體器件對我國實現(xiàn)節(jié)能減排有重要意義。電子科技大學陳星弼教授提出的超結（Superjunctio

2、n，SJ）耐壓層是功率半導體器件領域的重要發(fā)明。SJ耐壓層可以獲得遠比傳統(tǒng)耐壓層更優(yōu)異的比導通電阻（Ron）與擊穿電壓（VB）的關系，因而被譽為功率半導體器件的里程碑。然而，SJ耐壓層也有一些缺點，比如VB容易受電荷非平衡條件的影響等。為此，陳星弼教授又提出了高K耐壓層。高K耐壓層不僅改善了SJ耐壓層的一些缺點，而且可以獲得與SJ耐壓層相近的Ron與VB的關系。作者在陳星弼教授的指導下主要開展了應用高K耐壓層的縱向雙擴散金屬-氧化物-半

3、導體場效應晶體管（VDMOS）和肖特基二極管（SBD）的研究。本文中主要的創(chuàng)新工作有：
　　1.為了深入理解高K耐壓層的原理及特點，給出了高K耐壓層的解析模型，解釋了高K耐壓層的基本原理，并給出了高K耐壓層的最優(yōu)化設計方法以及最優(yōu)化的Ron與VB的關系。仿真結果顯示，在相同VB下，與應用了SJ耐壓層的VDMOS（SJ-MOSFET）相比，應用了高K耐壓層的VDMOS（Hk-MOSFET）的Ron會稍大一點，開關時間會更長一些，但在

4、大電流下的耐壓會明顯更高。此外，還提出了適用于Hk-MOSFET的叉指條形元胞和兩種六角形元胞的統(tǒng)一的簡化設計方法，并比較了這些元胞結構的 Ron。理論和仿真計算均發(fā)現(xiàn)，若要獲得最小的 Ron，就需要根據(jù)設計條件來選取合適的元胞結構。
　　2.研究了一種改進的Hk-MOSFET，給出了適用于改進的Hk-MOSFET的解析模型以及最優(yōu)化設計的方法，并與以前的Hk-MOSFET以及SJ-MOSFET作了對比。理論和仿真計算結果均顯示，

5、在相同VB下，改進的Hk-MOSFET的Ron比以前的Hk-MOSFET的Ron低30％~50%。一個VB=600 V的例子的仿真結果顯示，改進的Hk-MOSFET的功率優(yōu)值（Figure of Merit，F(xiàn)OM=VB2/Ron）達到了31.8 MW/cm2，它比以前的Hk-MOSFET的FOM高73%，也比SJ-MOSFET的FOM高57%。另外，與SJ-MOSFET相比，這兩種Hk-MOSFET的VB受工藝誤差的影響也都明顯更小。

6、
　　3.研究了一種利用高K絕緣介質的SJ耐壓層（Hk-SJ耐壓層），提出了一個解析模型用于優(yōu)化設計該結構，并將應用了Hk-SJ耐壓層的 VDMOS（Hk-SJ-MOSFET）與傳統(tǒng)SJ-MOSFET作了對比。解析模型中的VB的目標設計值與仿真結果很接近，兩者之間誤差僅為-5%到+8%。此外，在高K絕緣介質的介電系數(shù)?I=20~300?0下，Hk-SJ-MOSFET的最優(yōu)化的Ron幾乎不變。在相同的VB和元胞尺寸下，Hk-SJ-M

7、OSFET的Ron比傳統(tǒng)SJ-MOSFET的Ron低約8%~20%。VB=400 V和 VB=800 V的兩個例子的仿真結果均顯示，當?I達到60?0時，Hk-SJ-MOSFET中 p區(qū)的摻雜濃度誤差對VB的影響可以比傳統(tǒng)SJ-MOSFET中p區(qū)的摻雜濃度誤差對VB的影響小2倍。
　　4.研究了幾種應用了高 K耐壓層的 SBD（Hk-SBD），并將它們與應用了SJ耐壓層的SBD（SJ-SBD）作了對比。仿真結果顯示，Hk-SBD的

8、Ron和VB的值與SJ-SBD的Ron和VB的值相接近，而且Hk-SBD的反向恢復特性比SJ-SBD的反向恢復特性更軟。為了降低 Hk-SBD的反向漏電流并且不增加 Ron，還提出了一種Hk-SBD的新結構，即帶有n+-poly的Hk-SBD。該結構中引入的n+-poly區(qū)不僅在在反向承受高壓時可以降低肖特基結上的電場，而且在正向導通時在 n區(qū)頂部區(qū)域與高K絕緣體區(qū)界面上可以形成一個高濃度的電子積累層。一個VB=400 V的例子的仿真結