新型横向功率器件及利用高K介质的终端结构的研究

摘要

随着能源供应问题以及环境污染问题日益严重，新能源电能的开发和利用已刻不容缓。电力电子技术作为最先进的电能控制与变换技术，它的进步和发展不仅能显著降低电力以及电力设施成本，而且还能减轻对环境的污染。同时，它对促进我国国民经济的发展也具有十分重要的意义。电力电子器件作为电力电子系统的核心部件，它的最重要的设计目标之一就是实现低损耗、高耐压。这也是保障电能高效利用的关键所在。然而，在功率器件中击穿电压(BV)和比导通电阻(导通电阻与表面面积之积，Ron,sp)之间是一对难以调和的矛盾关系，对于 LDMOST而言尤甚。这严重限制了其在高压范围的应用。针对此问题，本人在导师陈星弼教授的指导下开展了一系列的研究工作。本文的创新工作主要包括以下几个方面： 1. 为进一步降低 p-LDMOST 的比导通电阻，本文基于采用优化横向变掺杂(OPTimum Variation Lateral Doping，简称OPTVLD)技术的双通道p-LDMOST的已有结构，提出了一种改进结构。在已有的OPTVLD双通道p-LDMOST中由于空穴导通路径上的掺杂分布受OPTVLD理论的制约，很大程度上限制了双通道上的电流导通能力。考虑到这一点，本文基于已有结构，在器件的表面引入了一个自驱动的扩展栅结构。该结构不仅在表面导通路径上引入空穴积累层改善器件的电流能力，而且还可以作为场板改善器件的内部电场分布。仿真表明，耐压为 328 V的改进的双通道p-LDMOST，其比导通电阻仅为75 mΩ·cm2。与相同耐压的已有结构相比，该结构的Ron,sp降低了51.2%，甚至与同工艺条件和相同电压等级下的n-LDMOST的比导通电阻相媲美。 2. 针对深槽 LDMOST 中体内电场衰减现象以及其耐压易受漂移区掺杂浓度变化影响的问题，本文提出了一种新型的具有双高 K(Hk)柱的深槽 LDMOST。该结构将两个Hk柱纵向插入二氧化硅槽中。双Hk柱辅助耗尽漂移区，从而允许漂移区具有更高的掺杂浓度。另外，双Hk柱分别调制源极侧漂移区和漏极侧漂移区的电场分布，使得体内平均电场增加，提高击穿电压，从而使该结构突破了功率器件“硅极限”的制约。在相对介电常数为500时，新结构的BV和Ron,sp分别为749 V和67 mΩ·cm2。这比相同元胞尺寸的传统槽型LDMOST的BV提高了86%， Ron,sp降低了88%。虽然双Hk柱LDMOST的关断时间要比传统槽型LDMOST的长，但瑕不掩瑜，并且这在大多数实际应用中都是可以接受的。 3. 在槽型终端结构中，有源区与终端区交界面上电位移线集中现象限制了槽型终端结构长度的进一步降低，本文针对此问题，提出了一种新型变 K 深槽结终端结构。该结构在介质槽中填充三层介质，顶部Hk介质层的作用主要是将原先集中在交界面处的电位移线转移至金属场板，从而缓解该处的电场电压。底部低 K介质层主要是用于承受纵向耐压。基于不同介质电位移连续原理，利用中部和底部介质介电常数的突变，在靠近结终端结构的有源区中产生一个新的峰值电场，从而增加了该区域的平均电场。在三层介质的共同作用下，变 K 深槽结终端结构在保证耐压的同时大幅降低了结终端结构的表面长度。 4. 本文基于陈星弼教授有关含导电颗粒替代真实 Hk 材料作为耐压层的中美专利的学习和研究，对一种简单情形下的导电颗粒对绝缘介质的作用进行了分析。在含导电颗粒介质中，导电颗粒在外加电场的作用下感应产生了电偶极子，该偶极子对其外部产生了电通量。这使得含导电颗粒介质的有效介电常数εeff和介质中最大电场Emax同时增加。文章还表明导电颗粒的几何形状和导电颗粒在绝缘介质中的堆积方式对εeff和Emax有非常大的影响。仿真结果显示，当正方体导电颗粒在介质中以立方密堆积，导电颗粒在介质中的相对尺寸为0.495时，与不含导电颗粒的介质相比，含导电颗粒的介质的εeff和Emax分别提高了 67.7 倍和 97.5 倍。在实际的含导电颗粒介质中，理论分析εeff和Emax是非常复杂的。本文讨论的结果只适用于导电颗粒分布很均匀的情形，这为含导电颗粒介质在功率器件耐压结构中的应用提供了基本的理论依据。

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