漂移区多沟槽耐压的SOI高压器件特性研究与优化设计

摘要

智能功率模块是指将驱动电路和功率器件封装在一起组成的整体电路模块，具有了高效、智能的特点，而单芯片智能功率模块将智能功率模块的各个组成部分集成在同一芯片上，实现了系统的小型化和高可靠性。对于一个典型的单芯片智能功率模块，功率器件作为核心元件，占用模块的大部分面积。智能功率模块的发展趋势要求功率器件有更高的电流密度和更低的开关损耗。在功率器件的漂移区引入沟槽结构，保证器件耐压能力的前提下，优化器件的电流能力和关断性能是当前的研究热点。
　　本论文首先阐述了漂移区沟槽结构的国内外研究现状，分析了漂移区对厚膜SOI器件耐压机理、正向导通特性和开关特性的影响。接着对深氧化沟槽(Deep oxide Trench，DOT)器件的电学特性进行了理论分析，通过仿真分析了在不同状态下器件的电势分布、载流子分布以及电流分布。然后研究了几种现有DOT结构的改进结构，分析了这些结构各自的优缺点。在这些研究的基础上，给出了漂移区多深氧化沟槽(Mutiple Deep oxide Trench，MDOT)器件。该器件具有阶梯状的漂移区多沟槽结构，在保持器件耐压的前提下，大幅提升器件的电流能力，提升了少子器件的关断速度。最后本文对MDOT器件的工艺和版图进行了设计。
　　测试结果表明:本论文所设计的MDOT横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，LIGBT)的导通电流密度从246A/cm2上升到354A/cm2，关断时间从330ns缩短到146ns;MDOT横向双扩散金属氧化物晶体管(Lateral Double Diffused MOSFET,LDMOS)的导通电阻从0.414Ω·cm2下降到0.104Ωcm2;MDOT快恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)的反向恢复时间从280ns缩短到124ns，均达到设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 智能功率模块与SOI器件

1．1．1 智能功率模块介绍

1．1．2 厚膜SOI器件在单芯片智能功率模块中的应用

1．1．3 厚膜SOI器件发展遇到的问题

1．2 关于漂移区辅助结构的国内外研究现状

1．2．1 研究现状

1．2．2 发展趋势

1．3 论文研究内容和设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 厚膜SOI器件工作原理

2．1 厚膜SOI器件耐压特性与漂移区的关系

2．2 厚膜SOI器件正向导通特性与漂移区的关系

2．2．2 厚膜SOI-LIGBT器件正向导通特性与漂移区的关系

2．2．3 厚膜SOI-FRD器件正向导通特性与漂移区的关系

2．3 厚膜SOI器件开关特性与漂移区的关系

2．3．1 厚膜SOI-LDMOS器件开关特性与漂移区的关系

2．3．2 厚膜SOI-LIGBT器件开关特性与漂移区的关系

2．3．3 厚膜SOI-FRD器件开关特性与漂移区的关系

2．4 本章小结

第三章 厚膜SOI漂移区沟槽器件特性研究

3．1 漂移区沟槽器件特性

3．1．1 耐压特性

3．1．2 正向导通特性

3．1．3 关断特性

3．2 几种改进器件的仿真研究

3．2．1 沟槽栅DOT器件

3．2．2 VFP-DOT器件

3．2．3 DDOT器件

3．2．4 快速关断结构

3．3 本章小结

第四章 MDOT器件结构优化设计

4．1 MDOT-LIGBT器件的优化设计

4．1．1 MDOT-LIGBT器件的结构特点和工作原理

4．1．2 MDOT-LIGBT器件的耐压设计

4．1．3 MDOT-LIGBT器件的阈值电压设计

4．1．4 MDOT-LIGBT器件的电流能力设计

4．1．5 MDOT-LIGBT器件的关断特性设计

4．2 MDOT-LDMOS器件的优化设计

4．3 MDOT-FRD器件的优化设计

4．4 本章小结

第五章 MDOT器件结构的流片及测试

5．1 MDOT器件的工艺流程设计

5．2 MDOT器件的版图设计

5．3 MDOT器件的测试结果

5．3．1 MDOT-LIGBT器件的测试结果

5．3．2 MDOT-LDMOS器件的测试结果

5．3．3 MDOT-FRD器件的测试结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果和发表的论文