橫向超結(jié)功率器件的REBULF理論與新技術(shù).pdf

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展要求功率器件具有更優(yōu)越的高壓、高速、低功耗性能，超結(jié)（Superjunction，簡稱SJ）器件作為一類新型功率器件能進(jìn)一步提高器件的耐壓，降低比導(dǎo)通電阻。在超結(jié)MOSFET中，比導(dǎo)通電阻與耐壓的1.3次方關(guān)系打破了常規(guī)器件中2.5次方的“硅極限”，緩解了比導(dǎo)通電阻與耐壓之間的矛盾。LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)是功率集成電路（Power Integrated Circu

2、it，簡稱PIC）的關(guān)鍵器件，將超結(jié)技術(shù)應(yīng)用于LDMOS構(gòu)成SJ-LDMOS功率器件以提高其性能。但是，在橫向超結(jié)器件中，縱向電場影響了超結(jié)的電荷平衡，使超結(jié)耐壓下降，通常稱為“襯底輔助耗盡效應(yīng)”。這降低了SJ-LDMOS的性能，妨礙了橫向超結(jié)功率器件的發(fā)展。
　　 本文研究了橫向超結(jié)器件的耐壓機(jī)理，通過優(yōu)化體內(nèi)電場分布，促進(jìn)超結(jié)電荷平衡；并通過降低硅中的體電場提高器件縱向耐壓，提出了橫向超結(jié)器件的降低體電場（Reduced B

3、ulk Field，簡稱REBULF）耐壓模型。根據(jù)REBULF耐壓模型，研制了一種基于電荷補(bǔ)償?shù)腟J-LDMOS器件，并從介質(zhì)場增強(qiáng)和電位調(diào)節(jié)途徑提出了兩類新型器件結(jié)構(gòu)，提高了橫向超結(jié)器件的耐壓。主要的創(chuàng)新工作包括：
　　 1．提出了橫向超結(jié)器件的REBULF耐壓模型，通過優(yōu)化體內(nèi)電場提高超結(jié)器件的耐壓。從電荷補(bǔ)償、介質(zhì)場增強(qiáng)和電位調(diào)節(jié)三個方面分析了優(yōu)化體電場的方法。通過在漂移區(qū)補(bǔ)償電荷來承擔(dān)襯底耗盡，從而保證超結(jié)的電荷平衡，

4、優(yōu)化體電場；利用高密度的界面電荷增強(qiáng)介質(zhì)層的電場，從而降低超結(jié)中的縱向電場，改善超結(jié)的電荷平衡，并提高器件縱向耐壓；利用SOI器件的背柵特性，通過調(diào)節(jié)縱向電位，能優(yōu)化體電場分布，促進(jìn)電荷平衡。
　　 2．基于電荷補(bǔ)償?shù)腞EBULF耐壓模型，結(jié)合BCD工藝的特點(diǎn)，研制了一種表面低阻通道LDMOS(Surface Low On-resistance Path LDMOS，簡稱SLOPLDMOS)。此器件利用高摻雜濃度的橫向超結(jié)作為電

5、流低阻通道，利用厚的N-well（或N-epi）作為縱向的耐壓層，緩解了縱向電場對橫向超結(jié)的影響，改善了電荷平衡，提高了器件耐壓。同時，SLOP LDMOS利用了表面超結(jié)的特點(diǎn)，兼容了BCD工藝，能應(yīng)用于功率集成電路。本文研制了500V耐壓級的SLOP LDMOS器件，在超結(jié)寬度為3μm的情況下，測試的功率品質(zhì)因數(shù)FOM(FOM=BV2/Ron，sp)達(dá)到了2.6MW/cm2。
　　 3．基于介質(zhì)場增強(qiáng)的REBULF耐壓模型，提

6、出了增強(qiáng)埋氧層電場的SOISJ-LDMOS，包括具有埋氧層表面固定電荷和具有動態(tài)緩沖層的器件結(jié)構(gòu)。通過界面電荷增強(qiáng)埋氧層的電場，降低了超結(jié)中的縱向電場，從而消除了縱向電場對超結(jié)電荷平衡的影響，同時提高了器件縱向耐壓能力。動態(tài)緩沖層具有自適應(yīng)增強(qiáng)電場的能力，利用電荷槽的電荷積累特性，電荷可以根據(jù)縱向電場的大小自適應(yīng)的積累，做到了對電荷的按需分配，達(dá)到了完美的效果。分析表明，當(dāng)漂移區(qū)長度為10μm時，超結(jié)器件的耐壓達(dá)到220V，平均橫向電場

7、達(dá)到22V/μm。
　　 4．基于電位調(diào)節(jié)的REBULF耐壓模型，提出了具有動態(tài)背柵電壓的SOISJ-LDMOS。利用SOI器件的背柵特性，通過動態(tài)的背柵電壓來優(yōu)化超結(jié)器件的縱向電場的分布。背柵電壓使電子和空穴同時被吸引到埋氧層下方，這改善了超結(jié)的電荷平衡。因?yàn)楸硸烹妷簩⒁徊糠挚v向電壓從漏端轉(zhuǎn)移到了源端，這提高了器件的縱向耐壓能力。
　　 同時，本文還研究了基于電荷補(bǔ)償?shù)腜SOI SJ-LDMOS。此結(jié)構(gòu)利用超結(jié)在頂層形