新型功率半導(dǎo)體器件的研究及其終端耐壓層的利用

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1、電子科技大學(xué)UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士學(xué)位論文DOCTORALDISSERTATION（電子科技大學(xué)圖標(biāo)）論文題目新型功率半導(dǎo)體器件的研究及其終端耐壓層的利用學(xué)科專業(yè)微電子學(xué)與固體電子學(xué)學(xué)號200911030106作者姓名呂信江指導(dǎo)教師陳星弼教授院士分類號密級注1UDC學(xué)位論文新型功率半導(dǎo)體器件的研究及其終端耐壓層的利用（題名和副題名）呂信江（作者姓名）指導(dǎo)教師陳星弼教授電子科技大學(xué)成都（姓名、職稱、單位名稱）申請學(xué)位級別博士學(xué)科專業(yè)微電子學(xué)與固體電子學(xué)提交論文日期2014年4

2、月論文答辯日期2014年5月學(xué)位授予單位和日期電子科技大學(xué)2014年6月答辯委員會主席評閱人注1：注明《國際十進(jìn)分類法UDC》的類號。STUDYONNOVELPOWERSEMICONDUCTORDEVICESANDTHEUTILIZATIONOFTHEEDGE-TERMINALADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAuthor:LyuXinj

3、iangAdvisor:Prof.ChenXingbiSchool:SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：日期：年月日論文使用授權(quán)本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有

4、關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日摘要電力電子技術(shù)的發(fā)展為電能的高效利用發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。電力電子技術(shù)的核心是功率半導(dǎo)體器件。正所謂“一代電力電子器件，一代電力電子技術(shù)”,電力電子技術(shù)的發(fā)展歸根結(jié)底是源于功率半導(dǎo)體器件的突破與創(chuàng)新。功率半導(dǎo)體器件從上個世紀(jì)50年代的晶閘管開始發(fā)展到現(xiàn)在，

5、在近60年的時間里，逐漸形成了各種類型的器件蓬勃發(fā)展的格局。功率半導(dǎo)體器件在電力電子技術(shù)中多數(shù)情況下是作為一種開關(guān)來應(yīng)用。理想的開關(guān)應(yīng)該具有極高的阻斷電壓、極強(qiáng)的導(dǎo)電能力、極高的開關(guān)速度還有極易驅(qū)動的特點(diǎn)，而現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體器件特性與理想開關(guān)之間仍有很大的差距。以硅材料的縱向雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（VDMOS）為例，它最突出的問題是比導(dǎo)通電阻隨著擊穿電壓的提高而顯著增加，即可怕的“硅極限”，嚴(yán)重限制了器件在高電壓領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的超結(jié)（SuperJunction，簡稱SJ）器件打破了這種限制，使得相同耐壓下比導(dǎo)通電阻相比

6、普通VDMOS小了一個數(shù)量級。而在近幾年，出現(xiàn)了另一種新型功率半導(dǎo)體器件——在耐壓區(qū)利用高介電系數(shù)（簡稱高K或Hk）介質(zhì)的MOSFET（Hk-MOSFET）。高K介質(zhì)的引入使得耐壓區(qū)宏觀上等效的介電系數(shù)大大提高，使得Hk-MOSFET和超結(jié)MOSFET有著可比擬的比導(dǎo)通電阻。本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)以及所作的工作在于，在已有的幾種新型功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)上，提出了進(jìn)一步降低器件單位面積導(dǎo)通電阻（也稱比導(dǎo)通電阻）的方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。模擬結(jié)果顯示，本文所提出的器件比導(dǎo)通電阻相比現(xiàn)有的器件可再降低20%～70%。Hk-MOSFET耐壓區(qū)內(nèi)半導(dǎo)體與高K介質(zhì)排布

7、的方式有多種多樣，顯然具有最密堆積的六角形元胞具有最小的比導(dǎo)通電阻。本文討論了六角形元胞圖形的Hk-MOSFET的比導(dǎo)通電阻與耐壓的理論關(guān)系，并對理論結(jié)果和器件特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。理論分析表明六角形圖形比叉指條形的的元胞的比導(dǎo)通電阻平均減小了約20%，文中還給出了器件參數(shù)最優(yōu)化的方案，對將來六角形元胞的Hk-MOSFET的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。模擬的900V器件顯示，Hk-MOSFET的比導(dǎo)通電阻僅比同耐壓的SJ-MOSFET大了約5%，而前者對電荷非平衡效應(yīng)具有較強(qiáng)的魯棒性。然而，制造Hk-MOSFET的最大難題在于尋找合適的高K材料，而且，相關(guān)的工藝

8、也有待開發(fā)。本文還提出了一種在縱向超結(jié)器件的漂移區(qū)引入積累層載流子的方法及其終端耐壓層的利用。