新型缓冲层分区电场调制横向双扩散超结功率器件

为了突破传统横向双扩散金属-氧化物-半导体器件(lateral double-diffused MOSFET)击穿电压与比导通电阻的极限关系,本文在缓冲层横向双扩散超结功率器件(super junction LDMOS-SJ LDMOS)结构基础上,提出了具有缓冲层分区新型SJ-LDMOS结构.新结构利用电场调制效应将分区缓冲层产生的电场峰引入超结(super junction)表面而优化了SJ-LDMOS的表面电场分布,缓解了横向LDMOS器件由于受纵向电场影响使横向电场分布不均匀、横向单位耐压量低的问题.利用仿真分析软件ISE分析表明,优化条件下,当缓冲层分区为3时,提出的缓冲层分区SJ-LDMOS表面电场最优,击穿电压达到饱和时较一般LDMOS结构提高了50%左右,较缓冲层SJ-LDMOS结构提高了32%左右,横向单位耐压量达到18.48 V/μm.击穿电压为382 V的缓冲层分区SJ-LDMOS,比导通电阻为25.6 mΩ·cm2,突破了一般LDMOS击穿电压为254 V时比导通电阻为71.8 mΩ·cm2的极限关系.     

具有N型缓冲层REBULF Super Junction LDMOS

针对功率集成电路对低损耗LDMOS (lateral double-diffused MOSFET)类器件的要求,在N型缓冲层super junction LDMOS (buffered SJ-LDMOS)结构基础上, 提出了一种具有N型缓冲层的REBULF (reduced BULk field) super junction LDMOS结构. 这种结构不但消除了N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底带来的衬底辅助耗尽效应问题, 使super junction的N区和P区电荷完全补偿, 而且同时利用REBULF的部分N型缓冲层电场调制效应, 在表面电场分布中引入新的电场峰而使横向表面电场分布均匀, 提高了器件的击穿电压. 通过优化部分N型埋层的位置和参数, 利用仿真软件ISE分析表明, 新型REBULF SJ-LDMOS 的击穿电压较一般LDMOS提高了49%左右, 较文献提出的buffered SJ-LDMOS结构提高了30%左右. 关键词： lateral double-diffused MOSFET super junction 击穿电压 表面电场     

阶梯氧化层新型折叠硅横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需的低功耗横向功率器件, 提出了一种具有阶梯氧化层折叠硅横向双扩散金属-氧化物-半导体(step oxide folding LDMOS, SOFLDMOS)新结构. 这种结构将阶梯氧化层覆盖在具有周期分布的折叠硅表面, 利用阶梯氧化层的电场调制效应, 通过在表面电场分布中引入新的电场峰而使表面电场分布均匀, 提高了器件的耐压范围, 解决了文献提出的折叠积累型横向双扩散金属-氧化物-半导体器件击穿电压受限的问题. 通过三维仿真软件ISE分析获得, SOFLDMOS 结构打破了硅的极限关系, 充分利用了电场调制效应、多数载流子积累和硅表面导电区倍增效应, 漏极饱和电流比一般LDMOS 提高3.4倍左右, 可以在62 V左右的反向击穿电压条件下, 获得0.74 mΩ·cm²超低的比导通电阻, 远低于传统LDMOS相同击穿电压下2.0 mΩ·cm²比导通电阻, 为实现低压功率集成电路对低功耗横向功率器件的要求提供了一种可选的方案.     

新型Si3N4层部分固定正电荷AlGaN／GaNHEMTs器件耐压分析

为了优化传统AlGaN／GaNhighelectronmobilitytransistors结构表面电场分布,提高器件击穿电压和可靠性,本文利用不影响AlGaN／GaN异质结极化效应的Si3N4钝化层电荷分布,提出了一种sbN4钝化层部分固定正电荷AIGaN／GaNhighelectronmobilitytransistors新结构．SiaN4钝化层中部分固定正电荷通过电场调制效应使表面电场分布中产生新的电场峰而趋于均匀．新电场峰使得新结构栅边缘和漏端高电场有效降低,器件击穿电压从传统结构的296V提高到新结构的650V,而且可靠性改善．通过Si3N4与AlGaN界面横、纵向电场分布,说明了产生表面电场峰的电场调制效应,为设计SiaN4层部分固定正电荷新结构提供了科学依据．Si3N4钝化层部分固定正电荷的补偿作用,使沟道二维电子气浓度增加,导通电阻减小,输出电流提高．     

具有半绝缘多晶硅完全三维超结横向功率器件

为了突破传统LDMOS (lateral double-diffused MOSFET)器件击穿电压与比导通电阻的硅极限的2.5 次方关系, 降低LDMOS器件的功率损耗, 提高功率集成电路的功率驱动能力, 提出了一种具有半绝缘多晶硅SIPOS (semi-insulating poly silicon)覆盖的完全3 D-RESURF (three-dimensional reduced surface field)新型Super Junction-LDMOS结构(SIPOS SJ-LDMOS). 这种结构利用SIPOS的电场调制作用使SJ-LDMOS的表面电场分布均匀, 将器件单位长度的耐压量提高到19.4 V/μupm; 覆盖于漂移区表面的SIPOS使SJ-LDMOS沿三维方向均受到电场调制, 实现了LDMOS的完全3 D-RESURF效应, 使更高浓度的漂移区完全耗尽而达到高的击穿电压; 当器件开态工作时, 覆盖于薄场氧化层表面的SIPOS的电场作用使SJ-LDMOS的漂移区表面形成多数载流子积累, 器件比导通电阻降低. 利用器件仿真软件ISE分析获得, 当SIPOS SJ-LDMOS的击穿电压为388 V时, 比导通电阻为20.87 mΩ·cm², 相同结构参数条件下, N-buffer SJ-LDMOS的击穿电压为287 V, 比导通电阻为31.14 mΩ·cm²; 一般SJ-LDMOS 的击穿电压仅为180 V, 比导通电阻为71.82 mΩ·cm².     

背栅效应对SOI横向高压器件击穿特性的影响

提出一种SOI基背栅体内场降低BG REBULF(back-gate reduced BULk field)耐压技术. 其机理是背栅电压诱生界面电荷，调制有源区电场分布，降低体内漏端电场，提高体内源端电场，从而突破习用结构的纵向耐压限制，提高器件的击穿电压. 借助二维数值仿真，分析背栅效应对厚膜高压SOI LDMOS (>600V) 击穿特性的影响，在背栅电压为330V时，实现器件击穿电压1020V，较习用结构提高47.83%. 该技术的提出，为600V以上级SOI基高压功率器件和高压集成电路的实现提供了一种新的设计思路. 关键词： SOI 背栅 体内场降低 LDMOS     

阶梯AlGaN外延新型Al_(0.25)Ga_(0.75)N/GaNHEMTs击穿特性分析

为了优化AlGaN/GaN HEMTs器件表面电场,提高击穿电压,本文首次提出了一种新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构.新结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律,通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层,使沟道2DEG浓度分区,形成栅边缘低浓度2DEG区,低的2DEG使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰,新电场峰的出现有效降低了栅边缘的高峰电场,优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布,使器件击穿电压从传统结构的446 V,提高到新结构的640 V.为了获得与实际测试结果一致的击穿曲线,本文在GaN缓冲层中设定了一定浓度的受主型缺陷,通过仿真分析验证了国际上外延GaN缓冲层时掺入受主型离子的原因,并通过仿真分析获得了与实际测试结果一致的击穿曲线.     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

阶梯AlGaN外延新型Al0.25Ga0.75N/GaNHEMTs器件实验研究

本文报道了作者提出的阶梯AlGaN外延层新型AlGaN/GaN HEMTs结构的实验结果. 实验利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀栅边缘的AlGaN外延层, 形成阶梯的AlGaN 外延层结构, 获得浓度分区的沟道2DEG, 使得阶梯AlGaN外延层边缘出现新的电场峰, 有效降低栅边缘的高峰电场, 从而优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布. 实验获得了阈值电压-1.5 V的新型AlGaN/GaN HEMTs器件. 经过测试, 同样面积的器件击穿电压从传统结构的67 V提高到新结构的106 V, 提高了58%左右; 脉冲测试下电流崩塌量也比传统结构减少了30%左右, 电流崩塌效应得到了一定的缓解.     

具有纵向漏极场板的低导通电阻绝缘体上硅横向双扩散金属氧化物半导体器件新结构

为降低绝缘体上硅(SOI)横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件的导通电阻,同时提高器件击穿电压,提出了一种具有纵向漏极场板的低导通电阻槽栅槽漏SOI-LDMOS器件新结构.该结构特征为采用了槽栅槽漏结构,在纵向上扩展了电流传导区域,在横向上缩短了电流传导路径,降低了器件导通电阻;漏端采用了纵向漏极场板,该场板对漏端下方的电场进行了调制,从而减弱了漏极末端的高电场,提高了器件的击穿电压.利用二维数值仿真软件MEDICI对新结构与具有相同器件尺寸的传统SOI结构、槽栅SOI结构、槽栅槽漏SOI结构进行了比较.结果表明:在保证各自最高优值的条件下,与这三种结构相比,新结构的比导通电阻分别降低了53%,23%和提高了87%,击穿电压则分别提高了4%、降低了9%、提高了45%.比较四种结构的优值,具有纵向漏极场板的槽栅槽漏SOI结构优值最高,这表明在四种结构中新结构保持了较低导通电阻,同时又具有较高的击穿电压.     

Novel high-K with low specific on-resistance high voltage lateral double-diffused MOSFET

A novel voltage-withstand substrate with high-K (HK, k>3.9, k is the relative permittivity) dielectric and low specific on-resistance (R_on,sp) bulk-silicon, high-voltage LDMOS (HKLR LDMOS) is proposed in this paper. The high-K dielectric and highly doped interface N⁺-layer are made in bulk silicon to reduce the surface field drift region. The high-K dielectric can fully assist in depleting the drift region to increase the drift doping concentration (N_d) and reshape the electric field distribution. The highly doped N⁺-layer under the high-K dielectric acts as a low resistance path to reduce the R_on,sp. The new device with the high breakdown voltage (BV), the low R_on,sp, and the excellent figure of merit (FOM=BV²/R_on,sp) is obtained. The BV of HKLR LDMOS is 534 V, R_on,sp is 70.6 mΩ·cm², and FOM is 4.039 MW·cm^-2.     

Design and simulation of AlN-based vertical Schottky barrier diodes

The key parameters of vertical AlN Schottky barrier diodes(SBDs) with variable drift layer thickness(DLT) and drift layer concentration(DLC) are investigated. The specific on-resistance(R_(on,sp)) decreased to 0.5 m? · cm~2 and the breakdown voltage(V_(BR)) decreased from 3.4 kV to 1.1 kV by changing the DLC from 10~(15) cm~(-3) to 3×10~(16) cm~(-3). The VBRincreases from 1.5 kV to 3.4 kV and the Ron,sp also increases to 12.64 m? · cm~2 by increasing DLT from 4-μm to 11-μm. The VBRenhancement results from the increase of depletion region extension. The Baliga's figure of merit(BFOM) of3.8 GW/cm~2 was obtained in the structure of 11-μm DLT and 10~(16) cm~(-3) DLC without FP. When DLT or DLC is variable,the consideration of the value of BFOM is essential. In this paper, we also present the vertical AlN SBD with a field plate(FP), which decreases the crowding of electric field in electrode edge. All the key parameters were optimized by simulating based on Silvaco-ATLAS.     

具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相对较低的击穿电压严重限制了其大功率应用.为了进一步改善器件的击穿特性,通过在n-GaN外延缓冲层中引入六个等间距p-GaN岛掩埋缓冲层(PIBL)构成p-n结,提出一种基于p-GaN埋层结构的新型高耐压AlGaN/GaN HEMT器件结构.Sentaurus TCAD仿真结果表明,在关态高漏极电压状态下,p-GaN埋层引入的多个反向p-n结不仅能够有效调制PIBL AlGaN/GaN HEMT的表面电场和体电场分布,而且对于缓冲层泄漏电流有一定的抑制作用,这保证了栅漏间距为10μm的PIBL HEMT能够达到超过1700 V的高击穿电压(BV),是常规结构AlGaN/GaN HEMT击穿电压(580 V)的3倍.同时,PIBL结构AlGaN/GaN HEMT的特征导通电阻仅为1.47 m?·cm~2,因此获得了高达1966 MW·cm~(-2)的品质因数(FOM=BV~2/R_(on,sp)).相比于常规的AlGaN/GaN HEMT,基于新型p-GaN埋岛结构的HEMT器件在保持较低特征导通电阻的同时具有更高的击穿电压,这使得该结构在高功率电力电子器件领域具有很好的应用前景.     

具有P型覆盖层新型超级结横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需要的低功耗横向双扩散金属氧化物半导体器件(lateral double-diffused MOSFET), 在已有的N型缓冲层超级结LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构基础上, 提出了一种具有P型覆盖层新型超级结LDMOS结构(P-covered-SJ-LDMOS). 这种结构不但能够消除传统的N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底产生的衬底辅助耗尽问题, 使得超级结层的N区和P区的电荷完全补偿, 而且还能利用覆盖层的电荷补偿作用, 提高N型缓冲层浓度, 从而降低了器件的比导通电阻. 利用三维仿真软件ISE分析表明, 在漂移区长度均为10 μm的情况下, P-covered-SJ-LDMOS的比导通电阻较一般SJ-LDMOS结构降低了59%左右, 较文献提出的N型缓冲层 SJ-LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构降低了43%左右.     

1000 V p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管

GaN材料具有优异的电学特性,如大的禁带宽度(3.4 eV)、高击穿场强(3.3 MV/cm)和高电子迁移率(600 cm~2/(V·s)). AlGaN/GaN异质结由于压电极化和自发极化效应,产生高密度(1×10~(13)cm~(-2))和高迁移率(2000 cm~2/(V·s))的二维电子气(2DEG),在未来的功率系统中, AlGaN/GaN二极管具有极大的应用前景.二极管的开启电压和击穿电压是影响其损耗和功率处理能力的关键参数,本文提出了一种新型的具有高阻盖帽层(high-resistance-cap-layer, HRCL)的p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管来优化其开启电压和击穿特性.在p-GaN/AlGaN/GaN材料结构基础上,通过自对准的氢等离子体处理技术,在沟道区域形成高阻盖帽层改善电场分布,提高击穿电压,同时在阳极区域保留p-GaN结构,用于耗尽下方的二维电子气,调控开启电压.制备的p-GaN混合阳极(p-GaN HRCL)二极管在阴阳极间距Lac为10μm时,击穿电压大于1 kV,开启电压+1.2 V.实验结果表明, p-GaN混合阳极和高阻GaN盖帽层的引入,有效改善AlGaN/GaN肖特基势垒二极管电学性能.