基于电荷平衡的横向功率器件研究

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高速、低损耗、可集成的横向功率器件是功率集成电路(Power IntegratedCircuit:PIC)的核心和关键。本文以横向功率器件为研究对象,从分析电荷非平衡对器件性能影响,特别是对器件击穿电压的影响入手,提出了一种基于电荷平衡效应的横向功率器件优化设计新方法。根据电中性原理,通过引入附加电荷产生的附加电场来调制原有电场,达到新的电场优化,从而提高器件击穿电压。主要创新工作包括:(1)具有多等位环结构的LDMOS(MER-LDMOS)。该结构通过等位环与硅表面直接相连,使等位环电势与硅表面电势保持一致,降低或者消除了器件硅表面的高压互连线(High Voltage Interconnection,简称HVI)场致电荷,提高了器件耐压,实现了屏蔽HVI场致电荷的目的。在此基础上,针对MER-LDMOS结构的不足,提出了改进型MER-LDMOS结构,通过改变等位环结构形状,进一步实现了对HVI场致电荷的屏蔽作用,器件击穿电压达到820V。(2)具有部分N埋层的SJ-LDMOS(Super Junction LDMOS)。该结构在硅基SJ-LDMOS器件高电势区域(漏端)的P衬底与SJ(Super Junction)柱区之间引入部分N埋层,用于补偿衬底辅助耗尽作用对额外N型杂质的需要,使SJ部分的N柱区电荷与P柱区电荷达到平衡,消除了常规SJ-LDMOS中衬底辅助耗尽效应对器件性能的影响,提高了器件击穿电压。同时,N埋层还有助于降低器件的正向导通电阻。分析结果表明,本文提出的具有部分N埋层的SJ-LDMOS结构击穿电压比常规SJ-LDMOS器件击穿电压提高121%,同时具有较小的比导通电阻和较好的工艺兼容性。(3)具有非均匀N埋层的高压SJ-LDMOS。借助横向变掺杂技术,在硅基SJ-LDMOS的P衬底与SJ柱区之间引入非均匀N埋层,实现了在靠近器件源端的低电势区域和靠近漏端的高电势区域分别引入不同的杂质剂量,从而最大程度平衡了器件源端和漏端对补偿衬底辅助耗尽效应所需的杂质剂量不同的矛盾,使器件表面电场分布均匀,实现了高达700V甚至1300V的高压SJ-LDMOS。(4)具有阶梯掺杂表面注入层的SOI SJ-LDMOS。该结构针对SOI SJ-LDMOS场致效应所导致的电荷非平衡问题,提出了在SOI SJ-LDMOS的SJ部分N柱区表面引入一层阶梯掺杂的表面注入层,用于补偿由于纵向电场作用对额外N型杂质的需要,可使SJ部分的N柱区电荷与P柱区电荷达到平衡,消除了场致效应对器件性能的影响,提高器件击穿电压,且高浓度的表面注入层有利于降低器件正向导通电阻。分析结果表明,本文提出的具有阶梯掺杂表面注入层的SOI SJ-LDMOS器件击穿电压比常规SOI SJ-LDMOS器件击穿电压提高55%,同时比导通电阻降低37.4%。此外,本文还对双极型功率晶体管中非平衡电荷(非平衡载流子)对晶体管电流增益的影响进行了研究,该研究结果特别适用于功率集成电路中的横向双极型功率晶体管,具体如下:基于双极型功率晶体管在大电流工作模式下所具有的大注入效应,本文首次从理论上分析了工作在饱和区或准饱和区状态下基区非平衡少子被正偏的基极电极所抽取的现象,分析了基极少子抽取对双极型功率晶体管电流增益的影响以及基区局部重掺杂对双极型功率晶体管电流增益的影响,理论分析结果与实验结果基本吻合。
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