SOI高压器件及高压集成技术

SOI技术被誉为21世纪的硅集成技术。文章综述了SOI材料的特点与制备、高压功率器件的最新发展劝态，以及相关的高压功率驱劝集成技术的发展现状；介绍了作者在功率，特别是高压SOI器件和集成电路方面的工作，以作引玉之砖。     

基于自隔离技术的可集成SOI高压功率器件新结构

SOI功率器件的高耐压和高、低压间良好的隔离效果是SOI高压功率集成电路（SOI HVIC）的两项关键技术。本文提出在埋氧层（buried oxide layer,BOX）上表面处埋N岛 (buried n-islands,BNI) 的SOI LDMOS高压功率器件新结构,该结构采用自隔离技术使SOI HPIC中高压功率器件与低压控制电路单元之间达到理想的隔离效果。此外,N岛中的施主离子和位于耗尽N岛间的空穴使BOX层的电场强度从32V/μm增加到113V/μm,同时对漂移区表面电场分布进行调制,最终使器件击穿电压（BV）显著提高。实验测得一个BNI SOI LDMOS样品的耐压为673V,并在SOI HVPIC中表现出良好的隔离特性。     

“碳化硅功率半导体技术”专题前言

半导体功率器件(即电力电子器件)是电力电子技术的三大核心基础之一,被比作电力电子装置的“CPU”。现有功率器件多采用Si基或SOI基,但是受限于自身材料特性的影响,在节能与转换效率方面越来越显示出他们的局限性。为解决上述问题,半导体功率器件除了继续对传统器件进行新理论和新结构的创新研究外,也正在遵循“一代材料、一代器件、一代装置、一代应用”的发展趋势,从传统的Si基和SOI基向宽禁带半导体SiC和GaN基进行扩展和延伸。     

SOI LDMOS晶体管耐压结构的研究

SOI技术已经成功的应用到功率集成电路中,而击穿电压是功率器件一个重要的参数.本文对SOI LDMOS的击穿电压进行了分析,介绍了目前国内外几种典型的提高击穿电压的结构,较为详细的分析了RESURF原理的应用.     

0.18 μm射频SOI LDMOS功率器件的研究

在提出0.18μm射频SOI LDMOS功率器件研究方法的基础上,对工艺进行了设计,并制备了栅宽为1 200μm,栅长为0.7μm,漏的注入区与栅的距离为1.5μm的0.18μm射频SOILDMOS功率器件。对器件进行了测试和模拟,在工作频率为3 GHz,直流偏置电压VDS为3 V,VGS为1.5 V,输入功率Pin为5 dBm时,Pout、增益和PAE分别为15 dBm1、0 dB和35%。     

n埋层PSOI结构射频功率LDMOS的输出特性

提出了具有n埋层PSOI(部分SOI)结构的射频功率LDMOS器件.射频功率LDMOS的寄生电容直接影响器件的输出特性.具有n埋层结构的PSOI射频LDMOS,其Ⅰ层下的耗尽层宽度增大,输出电容减小,漏至衬底的结电容比常规LDMOS和PSOI LDMOS分别降低39.1%和26.5%.1dB压缩点处的输出功率以及功率增益比PSOI LDMOS分别提高62%和11.6%,附加功率效率从34.1%增加到37.3%.该结构器件的耐压比体硅LDMOS提高了14%.     

n埋层PSOI结构射频功率LDMOS的输出特性

提出了具有n埋层PSOI(部分SOI)结构的射频功率LDMOS器件.射频功率LDMOS的寄生电容直接影响器件的输出特性.具有n埋层结构的PSOI射频LDMOS,其Ⅰ层下的耗尽层宽度增大,输出电容减小,漏至衬底的结电容比常规LDMOS和PSOI LDMOS分别降低39.1%和26.5%.1dB压缩点处的输出功率以及功率增益比PSOI LDMOS分别提高62%和11.6%,附加功率效率从34.1%增加到37.3%.该结构器件的耐压比体硅LDMOS提高了14%.     

埋氧层固定界面电荷对RESURF SOI功率器件击穿特性的影响

通过求解具有界面电荷边界条件的二维泊松方程，建立了埋氧层固定界面电荷Qf对RESURF SOI功率器件二维电场和电势分布影响的解析模型。解析结果与半导体器件模拟器MEDICI数值分析结果相吻合。在此基础上，分别研究了Qf对RESURF SOI功率器件横向和纵向击穿特性的影响规律。在横向，讨论了不同硅膜厚度、氧层厚度和漂移区长度情况下Qf对表面电场分布的影响；在纵向，通过分析硅膜内的场和势的分布，提出了临界埋氧层固定界面电荷密度的概念，这是导致器件发生失效的最低界面电荷密度。     

低功率消耗、响应快速的SOI基可变光学衰减器

采用绝缘体上Si(SOI)材料制作了马赫-曾德干涉型(MZI)SOI热光可变光学衰减器(VOA),利用隔热槽有效降低器件的功率消耗,提高响应速度。在1510～1610nm波长范围内动态调节范围可达到0～29dB。与未加隔热槽的相同结构光学衰减器相比,器件插入损耗和调制深度不受影响。最大衰减(29dB)时功率消耗由360mW降低为130mW,器件响应速度提高1倍,响应时间由大于100μs降为小于50μs。     

SOI材料在光电子学中的应用

SOI材料是应用于硅基光电子学中的一种重要的光波导材料。近年来随着SOI材料制备和加工技术的成熟,SOI基光波导器件的研究日益受到人们的重视。文章介绍了SOI材料在光电子学领域的一些具体应用,包括了在热光器件、电光器件、亚微米波导器件与光纤的耦合器以及光电子集成芯片等方面的最新研究进展。更小的波导截面尺寸是未来SOI光波导器件发展的必然趋势。     

SOI power devices

This paper provides an introduction to silicon-on-insulator (SOI) technology and the operating principles of high-voltage SOI devices, reviews the performance of the available SOI switching devices in comparison with standard silicon devices, discusses the reasoning behind the use of SOI technology in power applications and covers the most advanced novel power SOI devices proposed to date. The impact of SOI technology on power integrated circuits (PICs) and the problems associated with the integration of high-voltage and low-voltage CMOS are also analysed     

功率集成器件及其兼容技术的发展

功率集成器件在交流转直流(AC/DC)电源转换IC、高压栅驱动IC、LED驱动IC等领域均有着广泛的应用。介绍了典型的可集成功率高压器件,包括不同电压等级的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(LDMOS)以及基于硅和SOI材料的横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT),此外还介绍了高低压器件集成的BCD工艺和其他的功率集成关键技术,包括隔离技术、高压互连技术、dV/dt技术、di/dt技术、抗闩锁技术等,最后讨论了功率集成器件及其兼容技术的发展趋势。     

模拟集成电路的发展动态

本文介绍了Ａ／Ｄ与Ｄ／Ａ转换器、超高速ＳＯＩ器件及电路、超高速双极电路、ＧｅＳｉ／Ｓｉ异质结器件和电路、智能功率等模拟集成电路的发展概况。     

薄膜全耗尽应变Si SOI MOSFET特性模拟与优化分析

研究了应变Si沟道引入对薄膜全耗尽SOI MOSHET器件特性的影响,并分析了器件特性改进的物理机理.与传统的SOI MOSFET结构相比,器件的驱动电流和峰值跨导都有明显提高,对n-FET分别为21%和16.3%,对p-FET为14.3%和10%.应变si沟道的引入还降低了器件的阈值电压,这有益于集成电路中供电电压的降低和电路功耗的减小.另外,本文还对新结构中的Ge含量进行了优化分析,认为当Ge含量为30%时,器件有较好的电特性,而且不会增加器件制作的工艺成本.     

复合埋层上的薄层SOI-LDMOS功率器件

为了提高SOI-LDMOS功率器件击穿电压及相关性能,针对薄层SOI-LDMOS功率器件提出了一种新结构,在新结构中引入了复合埋层,它由p埋层与Si3N4绝缘介质埋层构成。复合埋层不仅改善了比导通电阻与耐压的关系,而且还缓解了自热效应。仿真结果表明,在漂移区长度为57 m时,新结构耐压达到了1052 V,与CamSemiSOI相当,而比导通电阻与表面最高温度分别比CamSemi SOI降低了233.05.mm2和64 K。     

基于介质电场增强理论的SOI横向高压器件与耐压模型

SOI(Silicon On Insulator)高压集成电路(High Voltage Integrated Circuit,HVIC)因其具有高速、低功耗、抗辐照以及易于隔离等优点而得以广泛应用。作为SOIHVIC的核心器件,SOI横向高压器件较低的纵向击穿电压,限制了其在高压功率集成电路中的应用。为此,国内外众多学者提出了一系列新结构以提高SOI横向高压器件的纵向耐压。但迄今为止,SOI横向高压器件均采用SiO2作为埋层,且实用SOI器件击穿电压不超过600V;同时,就SOI横向器件的电场分布和耐压解析模型而言,现有的模型仅针对具有均匀厚度埋氧层和均匀厚度漂移区的SOI器件建立,而且没有一个统一的理论来指导SOI横向高压器件的纵向耐压设计。笔者围绕SOI横向高压器件的耐压问题,从耐压理论、器件结构和耐压解析模型几方面进行了研究。基于SOI器件介质层电场临界化的思想,提出介质电场增强ENDIF(Enhanced Dielectric LayerField)理论。在ENDIF理论指导下,提出三类SOI横向高压器件新结构,建立相应的耐压解析模型,并进行实验。(1)ENDIF理论对现有典型横向SOI高压器件的纵向耐压机理统一化ENDIF理论的思想是通过增强埋层电场而提高SOI横向器件的纵向耐压。ENDIF理论给出了增强埋层电场的三种途径:采用低εr(相对介电常数)介质埋层、薄SOI层和在漂移区/埋层界面引入电荷,并获得了一维近似下埋层电场和器件耐压的解析式。ENDIF理论可对现有典型SOI横向高压器件的纵向耐压机理统一化,它突破了传统SOI横向器件纵向耐压的理论极限,是优化设计SOI横向高压器件纵向耐压的普适理论。(2)基于ENDIF理论,提出以下三类SOI横向高压器件新结构,并进行理论和实验研究①首次提出低εr型介质埋层SOI高压器件新型结构及其耐压解析模型低εr型介质埋层SOI高压器件包括低εr介质埋层SOI高压器件、变εr介质埋层SOI高压器件和低εr介质埋层PSOI(PartialSOI)高压器件。该类器件首次将低介电系数且高临界击穿电场的介质引入埋层或部分埋层,利用低εr介质增强埋层电场、变εr介质调制埋层和漂移区电场而提高器件耐压。通过求解二维Poisson方程,并考虑变εr介质对埋层和漂移区电场的调制作用,建立了变εr介质埋层SOI器件的耐压模型,由此获得RESURF判据。此模型和RESURF判据适用于变厚度埋层SOI器件和均匀介质埋层SOI器件,是变介质埋层SOI器件(包括变εr和变厚度介质埋层SOI器件)和均匀介质埋层SOI器件的统一耐压模型。借助解析模型和二维器件仿真软件MEDICI研究了器件电场分布和击穿电压与结构参数之间的关系。结果表明,变εr介质埋层SOI高压器件的埋层电场和器件耐压可比常规SOI器件分别提高一倍和83%,当源端埋层为高热导率的Si3N4而不是SiO2时,埋层电场和器件耐压分别提高73%和58%,且器件最高温度降低51%。解析结果和仿真结果吻合较好。②提出并成功研制电荷型介质场增强SOI高压器件笔者提出的电荷型介质场增强SOI高压器件包括:(a)双面电荷槽SOI高压器件和电荷槽PSOI高压器件,其在埋氧层的一侧或两侧形成介质槽。根据ENDIF理论,槽内束缚的电荷将增强埋层电场,进而提高器件耐压。电荷槽PSOI高压器件在提高耐压的基础上还能降低自热效应;(b)复合埋层SOI高压器件,其埋层由两层氧化物及其间多晶硅构成。该器件不仅利用两层埋氧承受耐压,而且多晶硅下界面的电荷增强第二埋氧层的电场,因而器件耐压提高。开发了基于SDB(Silicon Direct Bonding)技术的非平面埋氧层SOI材料的制备工艺,并研制出730V的双面电荷槽SOILDMOS和760V的复合埋层SOI器件,前者埋层电场从常规结构的低于120V/μm提高到300V/μm,后者第二埋氧层电场增至400V/μm以上。③提出薄硅层阶梯漂移区SOI高压器件新结构并建立其耐压解析模型该器件的漂移区厚度从源到漏阶梯增加。其原理是:在阶梯处引入新的电场峰,新电场峰调制漂移区电场并增强埋层电场,从而提高器件耐压。通过求解Poisson方程,建立阶梯漂移区SOI器件耐压解析模型。借助解析模型和数值仿真,研究了器件结构参数对电场分布和击穿电压的影响。结果表明:对tI=3μm,tS=0.5μm的2阶梯SOI器件,耐压比常规SOI结构提高一倍,且保持较低的导通电阻。仿真结果证实了解析模型的正确性。     

SOI铁电负电容晶体管亚阈值特性研究

随着微电子技术进入纳米领域,功耗成为制约技术发展的主要因素,因此,低功耗器件成为半导体器件领域的研究热点。负电容场效应晶体管基于铁电材料的负电容效应可有效地降低器件的亚阈值摆幅,从而降低器件的功耗。该文设计了一种基于绝缘体上硅(SOI)结构的铁电负电容场效应晶体管,利用TCAD Sentaurus仿真工具对负电容晶体管进行仿真研究,得到了亚阈值摆幅为30.931 mV/dec的负电容场效应晶体管的器件结构和参数。最后仿真研究了铁电层厚度、等效栅氧化层厚度对负电容场效应晶体管亚阈值特性的影响。     

Unclamped inductive switching behaviour of high power SOI vertical DMOS transistors with lateral drain contacts

The switching dynamics of silicon-on-insulator (SOI) high power vertical double diffused MOS (VDMOS) transistors with an inductive load has been investigated by device simulation. Unlike other conventional VDMOS devices, this device has drain contacts at the top surface. In general the switching behaviour of a power device during the unclamped inductive switching (UIS) test will determine the reliability of the power device as the energy stored in the inductor during the on state is dumped directly into the device when it is turned off. In this paper we compare the switching dynamics of the SOI VDMOS transistor with standard bulk silicon VDMOS device by doing numerical simulations. It is shown here, using 2D-device simulations that the power dissipated in the SOI VDMOS device during the UIS test is smaller by approximately a factor of 2 than in the standard bulk silicon VDMOSFET. The lower dissipation is due to the presence of the silicon film/buried oxide/substrate structure (this structure forms a SOI capacitor). In the case of the SOI VDMOS transistor the energy released from the inductor during the UIS test is stored to some extent in the SOI capacitor and partly dumped directly into the device. As a result the maximum current through the SOI device is separated in time from the maximum voltage across the device, unlike in the bulk case, thereby reducing the maximum power.