功率集成电路要求功率器件具有高功率、高速、低功耗和易集成的特点,横向功率器件作为功率集成电路的核心成为了研究的热点之一,其中横向超结(Super Junction,简称SJ)器件是一类极具发展潜力的新型器件。超结技术将纵向MOSFET器件中耐压与比导通电阻的2.5次方关系变为1.3次方,缓解了耐压与比导通电阻之间的矛盾。超结技术应用于横向双扩散MOSFET器件(Lateral Double-diffused MOSFET,简称LDMOS)有望进一步降低器件的功耗。但是,在超结LDMOS(SJ-LDMOS)器件中,衬底耗尽区中的电离受主负电荷打破了超结N柱区与P柱区之间的电荷平衡,导致P柱区不能全耗尽,这就是“衬底辅助耗尽效应”,造成横向超结器件的耐压急剧下降。为此,国内外众多学者提出了一系列新的器件结构来缓解衬底辅助耗尽效应的影响,本小组也在最近提出了横向超结器件的等效衬底模型,揭示了衬底辅助耗尽效应的本质。这些结构大多基于电荷补偿原理,仍尚待改进。本文在上述研究的基础上,研究了横向超结高压器件机理,通过求解表面电场分布和比导通电阻,建立了横向超结器件的电荷补偿模型和变漂移区模型。基于两个模型,提出了分段式和N型埋层两类横向超结器件新结构,提高了横向超结器件的耐压,优化了比导通电阻。主要的创新点如下:1、提出横向超结器件的电荷补偿模型。从对横向超结器件的耐压分析出发,给出了三种基本的电荷补偿方式及每种方式的电荷平衡条件,通过对漂移区电势满足的二维Poisson方程求解,导出电荷补偿结构表面电场的分布,并对比导通电阻进行分析,将导通电阻分成了沟道电阻、扩展电阻等四个部分,获得了比导通电阻与电荷补偿结构各参数之间的关系。同时,比较了三种补偿方式的优缺点,提出混合补偿的概念来优化器件的设计。2、提出横向分段式超结器件新结构。基于上述模型,获得将漂移区有效浓度分段来优化器件表面电场分布的设计思想,提出以下三种新器件:(1)表面分段超结层LDMOS。利用非平衡设计的超结层作为电流低阻通道并提高漂移区掺杂浓度,降低了器件的比导通电阻;利用变掺杂浓度的超结P柱区改善器件的电荷平衡,调制器件的表面电场分布,提高了器件的耐压。该器件还兼容标准的CMOS工艺。实验表明,器件在漂移区长度为70μm和超结条宽度为2μm时,耐压达到了800V,比导通电阻为207m?·cm2,功率品质因数FOM(FOM=BV2/Ron,sp)达到了3.1 MW·cm-2,处于国内外已报道横向超结器件实验结果中的领先水平。(2)体内分段超结层LDMOS。将非平衡设计的超结层置于漂移区内部进一步提高了漂移区掺杂浓度,同时保证了器件的耐压。研究表明,当器件漂移区长度为15μm和超结条深宽比为1μm/2μm时,耐压达到了300V,比导通电阻为8.08m?·cm2,相比常规RESURF LDMOS耐压提高了35%,比导通电阻下降了60%。(3)柱区两段式SJ-LDMOS。在常规SJ-LDMOS器件的基础上,仅将超结P柱区分成掺杂浓度不同的两个部分,改善了超结的电荷不平衡,优化了横向电场的分布,提高了器件的耐压,并使该器件与常规SJ-LDMOS器件的制作工艺兼容。分析表明,在漂移区长度为15μm和超结条深宽比为4μm/1μm时,器件的耐压达到了300V,比导通电阻仅为8.2m?·cm2,相比常规SJ-LDMOS在比导通电阻几乎相同的情况下耐压提高了近两倍。3、提出横向超结器件变漂移区模型和N型埋层缓冲SJ-LDMOS新结构。该模型基于变化漂移区厚度以优化器件表面电场的设计思想,通过对漂移区电势满足的二维Poisson方程求解和对比导通电阻的分析,获得了变漂移区结构表面电场、比导通电阻的解析式。基于该模型,提出N型埋层缓冲SJ-LDMOS。N型缓冲层减小了超结条的深宽比,降低了超结的制作难度。靠近漏区的N型埋层针对衬底辅助耗尽效应最严重的漏端进行电荷补偿,进一步改善了器件的电荷平衡,并通过同时改变漂移区厚度和有效浓度,加强了对器件表面电场的调制作用。分析表明,在漂移区长度为15μm时,器件的耐压达到了350V,横向表面平均电场达到23V/μm,已接近硅的理想临界电场。此时,器件的比导通电阻为21m?·cm2。