电场调制硅基和氮化镓基功率器件设计及建模

摘要

横向功率器件是功率集成电路技术（Power Integrated Circuits，PIC）的核心器件。作为横向功率器件的核心问题之一，改善器件击穿电压与比导通电阻之间的矛盾关系，始终是功率器件领域研究人员的主要任务。对于该问题，研究者们提出了多种技术来改善横向功率器件的性能，如场板、RESURF、VLD等等，其中电场调制技术作为一种通过改变器件体电场分布，进而调制漂移区表面电场分布，提升器件性能的技术。自被提出以来，一直被广大研究者应用于各种新型结构的设计中。但是其在应用过程中也存在两个方面的问题，一是针对电场调制技术调制机理的解析模型亟待建立，二是该技术在应用过程中，横向器件的纵向耐压需要同时优化，即利用电场调制技术同时优化器件的横向和纵向电场。
　　本文研究了具有电场调制效应的硅基和氮化镓基横向高压器件的性能，并给出了该类型器件的二维电场与电势分布解析模型，说明了电场调制的机理；并提出了一种辅助耗尽衬底技术，通过扩展纵向耗尽区提高器件纵向耐压，利用电场调制技术，同时调制器件的表面电场和体内电场分布，大幅提升器件性能：
　　（1）建立了具有电场调制效应的图形化介质埋层SOI横向器件的电场与电势分布解析模型，该模型充分考虑了电场调制效应在漂移区以及介质埋层结构参数发生变化时的作用，获得了电场调制因子表达式，解释了通过改变介质埋层的电场分布进而调制漂移区表面电场分布的机理。
　　结合解析模型和仿真软件对单面阶梯以及双面阶梯 SOI器件进行分析研究，验证了解析模型的准确性。对于单面阶梯 SOI器件，由于埋氧层厚度在漂移区方向是变化的，使得埋氧层内的电场分布发生变化并产生电场峰，进而通过电场调制效应，在漂移区表面引入了新电场峰，因此漂移区表面电场分布更加均匀。在漂移区长度相同的情况下，其击穿电压相对于常规LDMOS器件提高了50％以上，而比导通电阻基本保持不变。对于双面阶梯 SOI器件，由于双面阶梯具有在阶梯位置积累载流子的作用，因此，在载流子积累的量足够多的情况下，电场调制效应可以得到明显加强，其击穿电压相对于常规SOI器件可以提高80%左右。
　　利用该解析模型，进一步获得了单面阶梯和双面阶梯SOI器件的RESURF判据，并对器件的电场分布、击穿电压、比导通电阻随着器件结构参数变化的趋势进行了分析，获得了器件的最优结构参数。
　　（2）建立了具有阶梯AlGaN外延层的新型AlGaN/GaN HEMT器件电场与电势分布解析模型，并结合仿真软件讨论了器件沟槽深度以及沟槽长度变化对器件性能的影响。由于AlGaN外延层厚度呈阶梯状，因此AlGaN/GaN异质结界面处二维电子气浓度分布也发生了变化，从而通过电场调制效应调制了漂移区表面电场分布，使得漂移区栅边缘高电场峰减小，并在沟槽边缘引入了新电场峰，漂移区电场分布更加均匀，器件的击穿电压也得到了显著提高。然而，该结构中的沟槽区域二维电子气浓度有所减小，器件的比导通电阻有小幅增大。因此，在进行器件设计中，需要对击穿电压和比导通电阻同时进行优化设计。
　　进一步对具有阶梯AlGaN外延层的新型AlGaN/GaN HEMT进行了实验研究，通过刻蚀栅边缘的AlGaN外延层形成了阶梯的AlGaN，获得了阈值电压为-1.8V的新型电场调制AlGaN/GaN HEMTs器件，经过测试发现新器件的正向特性与常规器件基本一致，但是击穿电压相对于常规结构有非常明显的提高，同时由于表面电场分布得到了优化，器件的电流崩塌效应得到了缓解，器件的可靠性也因此有所提高。
　　（3）为了进一步优化横向高压器件的耐压性能，提出了一种辅助耗尽衬底（Assisted Depleting Substrate，ADS）技术，该技术通过扩展横向功率器件衬底中的纵向耗尽区，充分利用衬底承担漏端电压，大幅提高了器件的纵向耐压，打破了常规横向功率器件纵向击穿电压饱和的限制；同时该技术还能通过衬底调制表面电场分布，达到通过电场调制同时优化器件横向和纵向电场的目的。
　　为了充分说明该技术在横向功率器件上应用时的作用机理，以一种具有辅助耗尽衬底层（Assisted Depleting Substrate Layer，ADSL）的LDMOS器件为例，对ADS技术的原理进行论证，该辅助耗尽衬底层由垂直于漂移区表面的P型柱和N型柱交替排列于器件漏极下方形成。该辅助耗尽衬底层能够大幅扩展器件的纵向耗尽区，同时通过电场调制效应对器件的表面电场以及体内纵向电场进行调制，使得器件的表面电场以及体内电场分布更加均匀，提高了器件的耐压水平。通过Sentaurus仿真软件分析表明，当漂移区均为70μm时，ADSL LDMOS结构的击穿电压为1151V，相较于常规LDMOS的击穿电压653V，提高了76%左右。

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缩略语对照表

第一章绪论

1.1 横向LDMOS 高压功率器件技术概述

1.2 GaN基功率器件技术概述

1.3优化横向器件性能的几种技术

1.4横向功率器件耐压模型研究进展

1.5本文的研究内容和安排

第二章图形化埋层SOI器件的二维解析模型

2.1 图形化埋层SOI高压器件的结构与模型

2.2 单面阶梯SOI LDMOS器件的模型与器件性能研究

2.3 双面阶梯SOI LDMOS器件模型与器件性能研究

2.4 本章小结

第三章具有电场调制效应阶梯AlGaN外延层AlGaN/GaN

3.1 阶梯AlGaN外延层AlGaN/GaN HEMT器件的解析模型

3.2 阶梯AlGaN外延层AlGaN/GaN HEMT器件的实验研究

3.3 本章小结

第四章具有辅助耗尽层的横向双扩散晶体管

4.1具有辅助耗尽衬底层的LDMOS结构

4.2本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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