利用高K绝缘介质的新型功率半导体器件的研究

摘要

随着经济的发展，全球对电能的需求量在逐年增加。如今，中国已超越美国成为了世界上电能消耗量最大的国家，而且中国的电能消耗量的增长率也远超美国和欧盟。这样的发展趋势显然是我国实现节能减排目标的一个重大挑战。面对这一挑战，高效地利用电能显得尤为重要。电力电子技术是一种能将电能高效利用的新兴技术，而功率半导体器件是电力电子技术的核心。因此，研究功率半导体器件对我国实现节能减排有重要意义。电子科技大学陈星弼教授提出的超结（Superjunction，SJ）耐压层是功率半导体器件领域的重要发明。SJ耐压层可以获得远比传统耐压层更优异的比导通电阻（Ron）与击穿电压（VB）的关系，因而被誉为功率半导体器件的里程碑。然而，SJ耐压层也有一些缺点，比如VB容易受电荷非平衡条件的影响等。为此，陈星弼教授又提出了高K耐压层。高K耐压层不仅改善了SJ耐压层的一些缺点，而且可以获得与SJ耐压层相近的Ron与VB的关系。作者在陈星弼教授的指导下主要开展了应用高K耐压层的纵向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管（VDMOS）和肖特基二极管（SBD）的研究。本文中主要的创新工作有：
　　1.为了深入理解高K耐压层的原理及特点，给出了高K耐压层的解析模型，解释了高K耐压层的基本原理，并给出了高K耐压层的最优化设计方法以及最优化的Ron与VB的关系。仿真结果显示，在相同VB下，与应用了SJ耐压层的VDMOS（SJ-MOSFET）相比，应用了高K耐压层的VDMOS（Hk-MOSFET）的Ron会稍大一点，开关时间会更长一些，但在大电流下的耐压会明显更高。此外，还提出了适用于Hk-MOSFET的叉指条形元胞和两种六角形元胞的统一的简化设计方法，并比较了这些元胞结构的 Ron。理论和仿真计算均发现，若要获得最小的 Ron，就需要根据设计条件来选取合适的元胞结构。
　　2.研究了一种改进的Hk-MOSFET，给出了适用于改进的Hk-MOSFET的解析模型以及最优化设计的方法，并与以前的Hk-MOSFET以及SJ-MOSFET作了对比。理论和仿真计算结果均显示，在相同VB下，改进的Hk-MOSFET的Ron比以前的Hk-MOSFET的Ron低30％~50%。一个VB=600 V的例子的仿真结果显示，改进的Hk-MOSFET的功率优值（Figure of Merit，FOM=VB2/Ron）达到了31.8 MW/cm2，它比以前的Hk-MOSFET的FOM高73%，也比SJ-MOSFET的FOM高57%。另外，与SJ-MOSFET相比，这两种Hk-MOSFET的VB受工艺误差的影响也都明显更小。
　　3.研究了一种利用高K绝缘介质的SJ耐压层（Hk-SJ耐压层），提出了一个解析模型用于优化设计该结构，并将应用了Hk-SJ耐压层的 VDMOS（Hk-SJ-MOSFET）与传统SJ-MOSFET作了对比。解析模型中的VB的目标设计值与仿真结果很接近，两者之间误差仅为-5%到+8%。此外，在高K绝缘介质的介电系数?I=20~300?0下，Hk-SJ-MOSFET的最优化的Ron几乎不变。在相同的VB和元胞尺寸下，Hk-SJ-MOSFET的Ron比传统SJ-MOSFET的Ron低约8%~20%。VB=400 V和 VB=800 V的两个例子的仿真结果均显示，当?I达到60?0时，Hk-SJ-MOSFET中 p区的掺杂浓度误差对VB的影响可以比传统SJ-MOSFET中p区的掺杂浓度误差对VB的影响小2倍。
　　4.研究了几种应用了高 K耐压层的 SBD（Hk-SBD），并将它们与应用了SJ耐压层的SBD（SJ-SBD）作了对比。仿真结果显示，Hk-SBD的Ron和VB的值与SJ-SBD的Ron和VB的值相接近，而且Hk-SBD的反向恢复特性比SJ-SBD的反向恢复特性更软。为了降低 Hk-SBD的反向漏电流并且不增加 Ron，还提出了一种Hk-SBD的新结构，即带有n+-poly的Hk-SBD。该结构中引入的n+-poly区不仅在在反向承受高压时可以降低肖特基结上的电场，而且在正向导通时在 n区顶部区域与高K绝缘体区界面上可以形成一个高浓度的电子积累层。一个VB=400 V的例子的仿真结果显示，与以前的Hk-SBD相比，带有n+-poly的Hk-SBD在350 V反向偏压下的漏电流降低了约40倍，而比导通电阻（等于3.13 mΩ?cm2）几乎不变。

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第一章 绪 论

1.1 电力电子技术与功率半导体器件的介绍

1.2 传统耐压层与传统高压多子器件

1.3 超结耐压层与超结器件

1.4 利用高K绝缘介质的耐压层

1.5本章小结

1.6本论文的主要研究工作

第二章Hk-MOSFET的理论及元胞设计

2.1 高K耐压层的基本原理

2.2 叉指条形元胞的Hk-MOSFET的优化设计

2.3 Hk-MOSFET的电特性

2.4 叉指条形元胞与六角形元胞的比较

2.5 本章小结

第三章 Hk-MOSFET的改进结构的理论及最优化设计

3.1 高K耐压层的改进结构及其基本原理

3.2 Hk-MOSFET的改进结构的优化设计

3.3几种MOSFET的仿真对比

3.4 本章小结

第四章 利用高K绝缘介质的SJ-MOSFET的理论及优化

4.1 利用高K绝缘介质的超结耐压层的基本原理

4.2 Hk-SJ-MOSFET的优化设计

4.3仿真结果及讨论

4.4 本章小结

第五章 利用高K绝缘介质的SBD

5.1 常见的SBD的结构及特点

5.2带有n+-poly的Hk-SBD的基本原理及能带图

5.3仿真结果及讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1本文总结

6.2 后续工作的展望

附录一 高K耐压层的电势分布求解过程

附录二 高K耐压层的改进结构的电势分布求解过程

附录三 电子积累层的电子电荷面密度的推导过程

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果