具有高K材料的大功率可集成器件研究

摘要

智能功率集成电路（SPIC）要求功率半导体器件与低压控制电路可以集成在同一块芯片上，同时希望功率半导体器件的功率密度能尽可能得增大，因此具有大功率可集成特性的新型器件是重要的发展方向。对于绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），纵向结构一般具有较大的功率密度，但不能集成化；横向结构因高电位电极分布于器件同一侧，可以进行集成化，但因较大的表面积往往使功率密度降低。且IGBT器件存在的拖尾电流使关断功耗激增，导通电流与关断时间存在折衷关系，无法同时改善。而MOSFET器件的比导通电阻与击穿电压也相互制约，限制了其在高压领域的应用。 为了解决上述问题，本论文基于横向绝缘栅双极晶体管（LIGBT）和纵向双扩散MOSFET（VDMOS），通过引入高K材料，分别提出了一种同时具有大功率和可集成化特性的器件。对于LIGBT器件在可集成的基础上提高其功率密度，并消除关断时的拖尾电流；对于VDMOS器件在大功率的基础上实现其集成化，并改善比导通电阻与击穿电压的制约关系。本论文的主要研究工作与仿真内容如下： 提出了一种具有高K材料的LIGBT器件，通过在器件表面淀积高K材料和多晶硅层，控制空穴的流动，在关断时消除拖尾电流。对具有不同高K介质层厚度和介电常数的该器件进行仿真并与传统LIGBT比较，发现新型LIGBT不仅可以在关断状态提高器件的击穿电压，而且可以在导通状态和开关转换状态使器件的导通电流密度和关断速度同时得到提高，打破了传统LIGBT导通电流与关断时间的制约关系。对该器件和传统LIGBT一些关键区域的参数发生改变时器件性能的变化进行了仿真比较，发现该器件的导通特性与开关特性始终优于传统LIGBT。 提出了一种具有高K材料的可集成VDMOS器件，该器件的高电平电极位于同一侧，可以与其他电路单片集成，同时引入的高K材料可以优化漂移区电场分布改善器件性能参数。对具有不同高K介质介电常数的该器件进行仿真并与可集成VDMOS进行比较，发现新型VDMOS器件阈值电压显著降低，开关速度与可集成VDMOS一样迅速，击穿电压显著提高，比导通电阻有大幅降低，对比导通电阻与击穿电压的制约关系有明显改善。对该器件的关键参数发生变化时的器件特性进行仿真并计算优值，为优化器件结构提供依据。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 功率半导体器件的发展

1.3 功率LIGBT器件简介

1.4 功率VDMOS器件简介

1.5 本文主要工作

第二章 LIGBT与VDMOS理论分析

2.1 LIGBT工作原理与特性分析

2.1.1 LIGBT等效电路分析

2.1.2 LIGBT阻断特性分析

2.1.3 LIGBT正向导通特性分析

2.1.4 LIGBT开关特性分析

2.2 VDMOS工作原理与特性分析

2.2.1 VDMOS基本工作原理

2.2.2 VDMOS主要静态参数分析

2.2.3 VDMOS主要动态参数分析

2.3 本章小结

第三章 具有高K材料的LIGBT器件研究

3.1 CE-LIGBT器件结构

3.2 CE-LIGBT器件工作状态与机理

3.2.1 CE-LIGBT关断状态

3.2.2 CE-LIGBT导通状态

3.2.3 CE-LIGBT开关转换状态

3.3 CE-LIGBT仿真验证

3.3.1 CE-LIGBT击穿电压仿真

3.3.2 CE-LIGBT导通特性仿真

3.3.3 CE-LIGBT开关特性仿真

3.3.4 CE-LIGBT结构参数对器件特性的影响仿真

3.4 CE-LIGBT的工艺流程

3.5 本章小结

第四章 具有高K材料的可集成VDMOS器件研究

4.1 HK-VDMOS器件结构

4.2 HK-VDMOS器件工作机理

4.3 HK-VDMOS仿真验证

4.3.1 HK-VDMOS阈值电压仿真

4.3.2 HK-VDMOS开关特性仿真

4.3.3 HK-VDMOS击穿电压与比导通电阻仿真

4.3.4 HK-VDMOS关键参数对器件特性的影响仿真

4.4 本章小结

第五章 全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果