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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。