（微电子学与固体电子学专业论文）提高功率器件整体性能的研究.pdf

摘要 摘要 ( 提高功率器件在耐压、比导通电阻和开关时问方面的整体性能，使之趋于理 想的开关，是长期以来功率电子学研究的一个重要方向。不幸的是，功率器件的 这三个主要性能指标，却受一定的关系制约，并不能同时得到提高。m o s 和i g b t 是栅控器件，具有控制简单的优点，是两类常用的功率器件。m o s 器件的开关 速度很快，但由于是多子导电，所以要做高压器件，比导通电阻就会变得很大。 i g b t 在耐压和比导通电阻方面均有不错的性能，但是由于关断主要靠载流子的 复合，关断速度慢始终是一个问题。 为此，本文在充分了解功率器件发展现状，系统学习前人理论的基础上，提 出了一系列的新思路和优化方案，目的在于同时提高功率器件的各项性能指标。 文章的主要工作是：对功率器件的发展现状进行系统了解；对s o l 器件的主 要特点进行简单分析；对叉指式c b 结构进行优化设计；实现了三种用于可控制 阳极短路i g b t 的方法；对薄膜s o i 耐压层进行了准确的解析设计。其中的独创 性工作主要表现在： 1 叉指式c b 结构的优化设计i l 关于复合缓冲结构( 即c b 结构) ，陈星弼早在1 9 9 3 年的专利文件中就有 详细介绍【c ”n 8 ，1 9 9 3 1 ，并且在此后的研究中，提出了比较系统的理论f 。“e “8 ，1 9 9 8 , 2 0 0 0 , 2 0 0 1 , 2 0 0 2 】。在这些理论的基础上，我们对复合缓冲结构的其中一种原胞形式一 一叉指式进行了优化分析。从电场分布着手，得到了基本结构的击穿电压和导通 电阻的优化关系式。而后，提出了三种用于实现更优结果的解决方案，并给出了 设计结果。该优化设计结果是目前叉指式c b 结构的最优设计结果。木 2 在半桥式功率输出级中实现高速低功耗低侧管哑萱；斑昧、 怔进行电子镇流器的研究过程中，我们根据半桥式功率输出级驱动信号的特 点，提出：低侧输出管使用双栅控制的i g b t ，并利用高侧驱动信号实现低侧1 g b t 的动态阳极短路控制。使得低侧管在导通时等同于普通的i g b t ，而在关断过程 中，由高侧信号实现阳极短路，使i g b t 快速关断。这样，在不增加电路复杂度 的前提下，实现了半桥式功率输出级中高速低功耗低侧管。研究表明，这种方案 在提高i g b t 的关断速度方面有很大的优越性，而且可用于电阻性、电感性和电 容性负载的情形。同时，由于阳极短路结构的存在，使i g b t 的击穿电压趋于 p n 结，提高了耐压。、1 电子科技大学博士论文 3 利用分压电阻实现i g b t 的动态阳极短路阳哼9 喈q “峭“封7 ( 、承接第四章的研究，我们发现，第四章的实现方法，只能用于特定的电路， 有一定的局限性。如果在i g b t 的阳极附近引入一个常丌型p m o s 结构，并且利 用分压电阻提取阳极电压的变化产生控制信号，用于控制p m o s ，就可以实现动 态阳极短路控制。我们对这种方案进行了仔细分析，包括在设计工作条件和非设 计工作条件下i g b t 的性能，结果表明：该结构在两种情况下都能明显改善i g b t 的关断、耐压性能。0 4 利用电阻场板提高l i g b t 性能攀孵伽略q t l 喻3 眦计、 f 承接第五章的研究，我们考虑在l i g b t 中引入电阻场板，利用电阻场板改 善器件耐压的同时，从场板上提取信号，控制l i g b t 的阳极短路，改进其关断 性能。研究发现：由于s o i l i g b t 关断过程的特殊性，当s o i l i g b t 加上电阻 场板后，即使没有可控制阳极短路结构，也能改善器件的关断性能；如果加上可 控制阳极短路结构，则能更进一步提高器件关断性能和阻断电压。也 5 具有电阻场板的薄膜s o i l d m o s 的解析设计。 由于s m a r t c u ts o l 衬底的日益成熟，在s o l 材料上制作功率集成电路 变得比较容易。因为s m a r t c u ts o l 衬底同时具有s i m o x 和s d b 的优点， 既能用于v l s i ，又能用于功率器件。利用电阻场板实现高耐压s o l l d m o s 的 方法虽然早已有人提出r rm a t s u d a i , 嗍2 1 ，但其解析设计理论却有待完善。经过分析， 我们提出了一个准确完善的解析设计理论，包括电蛊壅送型的建立，电场分布的 分析，击穿电压的分析，电离率积分路径的解析及由此得到的击穿电压的修正。 根据上述理论，我们设计出了不同材料参数下的器件，与模拟结果对比发现，设 计理论十分准确。我们还把利用电阻场板实现的高耐压，低功耗l d m o s 与利用 别的方法实现的s o l l d m o s 作了对比，结果显示，这种方法设计出的器件具有 几乎最高的耐压和小很多的比导通电阻，是一种很好的实现方法。心 、 、j、l、 关键词：复合缓冲结构：i g b t ：可控制阳极短路；”s o i l d m o s 电阻场板j 。 a b s t r a c t a b s t r a c t i t sa n i m p o r t a n t t a s kt oi m p r o v et h ew h o l e p e r f o r m a n c eo f p o w e rd e v i c e ，m a i n l y i n c l u d i n gb r e a k d o w nv o l t a g e ，s p e c i f i co n r e s i s t a n c ea n ds w i t c h i n gs p e e d ，t oa p p r o a c h t h ei d e a ls i t u a t i o n ，w h i c hm e a n si n f i n i t ev a l u eo fr e s i s t a n c ew h i l ei ni t so f f - s t a t ea n d z e r ow h i l ei ni t s o n s t a t e ，f u r t h e r m o r e i tn e v e rb r e a k d o w n sa n dn e e d sn ot i m et o s w i t c h u n f o r t u n a t e l y ，t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e t h r e ec h a r a c t e r i s t i c sl i m i t st h e i m p r o v e m e n t o f w h o l e p e r f o r m a n c e i t sc o n v e n i e n tt oc o n t r o lm o s f e ta n di g b ts i n c et h c ya r ef i e l d c o n t r o l l e d d e v i c e s a l t h o u g h m o s f e ts w i t c h e s f a s t ，i t c a l l ts u s t a i n h i g hv o l t a g e w h i l e m a i n t a i n sl o ws p e c i f i co n r e s i s t a n c eb e c a u s ei tc o n d u c t sc u r r e n to n l yb ym a j o r i t y c a r r i e r s i g b th a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fb o t hb r e a k d o w nv o l t a g ea n ds p e c i f i c o n r e s i s t a n c e b u tt h es l o wt u r n o f fs p e e di sa l w a y st h ep r o b l e mw h e ni ti sa p p l i e d ， s i n c et h er e m o v a lo f t h ec a r r i e r sm a i n l yd e p e n d so d - t h er e c o m b i n a t i o n t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st oi m p r o v et h ew h o l ep e r f o r m a n c eb ys o m en e w i d e a sa n do p t i m i z a t i o nb a s e do nt h et h o r o u g hr e v i e wo f t h ed e v e l o p m e n to f t h ep o w e r d e v i c e t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i s a r e ：o b t a i n i n g a g e n e r a l s i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to f t h ep o w e r d e v i c e ；s i m p l ea n a l y s i so f t h es o d e v i c e ；t h eo p t i m i z a t i o n o ft h ei n t e r d i g i t a t e dc o m p o s i t eb u f f e rs t r u c t u r e ；r e a l i z i n gt h r e er e s o l u t i o n so f s i m p l y c o n t r o l l i n g t h e d o u b l e - g a t e di g b t ；a c c u r a t ea n a l y t i c a la n a l y s i s o ft h et h i n - f i l m s o l l d m o sw i t l lr e s i s t i v ef i e l dp l a t e t h ei n n o v a t i v eo n e sa r ea sf o l l o w s 1 t h eo p t i m i z a t i o no ft h ei n t e r d i g i t a t e dc o m p o s i t eb u f f e rs t r u c t u r e t h er e s u l t so ft h ed e t a i la n a l y s i so nt h ec o m p o s i t eb u f f e rs t r u c t u r eh a v eb e e n p u b l i s h e di nt h ep a t e n tf i l ea p p l i e db yc h e nx b i n 1 9 9 3 【c h ”。8 ，1 9 9 3 1 ，a n dm o r e s v s t e m i ct h e o r i e sh a v eb e e np r e s e n t e dt h e r e a f i e r 【c “。”xb ，1 9 9 8 , 2 0 0 0 ，2 0 0 1 , 2 0 0 2 1 ，b a s e do n w h i c ht h eo p t i m i z a t i o no fo n ec e l lf o r m i n t e r d i g a t e dc bi sa c c o m p l i s h e di nt h i s t h e s i s f i r s t ，t h eo p t i m u mr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h es p e c i f i c o n r e s i s t a n c ei so b t a i n e db a s e do nt h ee l e c t r i c a lf i e l da n a l y s i s t h e n ，t h r e er e s o l u t i o n s a r ep r e s e n t e dt oa c h i e v et h em o s to p t i m u mr e l a t i o n s h i p ，w h i c hs h o w sg o o da g r e e m e n t w i t ht h eh u m e r i c a 】r e s u l t s 电子科技大学1 尊十论文 2 t h er e a l i z a t i o no fah i g hs p e e d ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，l o w - s i d ed e v i c eo f t h eh a l f * b r i d g eo u t p u ts e c t i o n d u r i n g t h er e s e a r c ho ft h ee l e c t r i c a ll a m pb a l l a s t ，w ea c h i e v e da ni d e aa c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v i n gs i g n a l so ft h eh a l f _ b r i d g eo u t p u ts e c t i o n ，w h i c hi s t h a ti n t r o d u c i n gad o u b l e g a t e di g b ti n t ot h eo u t p u ts e c t i o na c t i n ga st h el o w s i d e d e v i c e ，a n dw h e t h e ra n o d e s h o r to rn o ti sc o n t r o l l e db yt h eh i g h s i d ed r i v i n gs i g n a l t h e nt h el o w - s i d ed e v i c ep e r f o r m sj u s tl i k ean o r m a li g b t w h i l ei ni t so n - s t a t e ，b u t t u r n so f fi nt h ea n o d e s h o r tm o d e ，w h i c hl e a d st ol o wf o r w a r dv o l t a g ed r o pa n df a s t t u r n i n go f fw i t h o u ta d d i n gm o r ec o n t r o l l i n gc i r c u i t s a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h ea d v a n t a g eo fi m p r o v i n gt h es w i t c h i n gs p e e di so b v i o u s m o r e o v e r ，t h i s i d e ac a nb ea p p l i e di nt h es i t u a t i o no fc a p a c i t i v el o a do ri n d u c t i v el o a d o b v i o u s l y ， t h es u s t a i n i n gv o l t a g ec a na l s ob ei n c r e a s e ds i n c et h ea n o d e - s h o r ts t r u c t u r em a k e st h e b r e a k d o w n p e r f o r m a n c e o f t h ei g b tc l o s et oan o r m a lp n j u n c t i o n 3 ah i g hs p e e di g b tb a s e do nd y n a m i cc o n t r o l l e da n o d e - s h o r t i g b tw i t hh i 曲s w i t c h i n gs p e e di sd e s c r i b e db a s e do nt h ed y n a m i cc o n t r o l l e d a n o d e - s h o r t ，w h i c hi n c o r p o r a t e san o r m a l l y o np - m o s f e t c o n t r o l l e db yt h ea n o d e v o l t a g ei n d i r e c t l y t h i sd e v i c ew o r k sj u s ta sn o r m a lw h e n i t si no n - s t a t e ，s i n c et h e c h a r m e lo f t h e p - m o s f e t i sk e p to f f d u r i n gt h ec o u r s eo f t u r n i n go f f , t h ec h a n n e lo f t h ep - m o s f e tw i l lp r e v e n tt h ei n j e c t i o no fm i n o r i t i e sa n di n t r o d u c ea ne x t r aa c c e s s f o rt h ec a r r i e r st of l o wt ot h ea n o d ed i r e c t l y ，w h i c hm a k e st h e1 g b tr e a c hi t so f f - s t a t e i nas h o r t e rt i m e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h en e ws t r u c t u r ec a nr e d u c et h e t u r n o f ft i m ec o m p a r e dw i t ht h en o r m a lo n eu n d e rt h es a m eo n s t a t ep e r f o r m a n c ea n d h i g h e rb r e a k d o w nv o l t a g e a n dc a no p e r a t eu n d e rt h es i t u a t i o no fp a r a m e t e r sw h i c h a r en o ti na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nv a l u e s o n l yt w om o r er e s i s t o r sa r en e e d e d w h e n u s i n gt h i ss t r u c t u r e ，a n dt h er e q u i r e m e n to f t h ed r i v i n gc i r c u i t si sj u s tt h es a m e a sn o r m a l 4 i m p r o v e m e n to ft h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fs o i l i g b tb yr e s i s t i v e f i e l dp l a t e t h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fs o i l i g b t ，i n c l u d i n gb r e a k d o w nv o l t a g ea n d t u r n o f fs p e e d i s i m p r o v e db yi n c o r p o r a t i n g ar e s i s t i v ef i e l dp l a t e ( i 疆p ) a n da p - m o s f e t t h ep - m o s f e t i sc o n t r o l l e db yas i g n a ld e t e c t e df r o map o i n to ft h e r f p d u r i n gt h et u r n i n g o f fo ft h ei g b t ，t h ep - m o s f e ti s t u r n e do n ，w h i c h l l a b s t r a c t p r o v i d e sac h a n n e l f o rt h ee x c e s s i v ec a r r i e r st of l o wo u to ft h ed r i f t r e g i o na n d p r e v e n t s t h ec a r r i e r sf r o m b e i n gi n j e c t e d i n t ot h ed r i f t r e g i o n ，s i m i l a r t oa n a n o d e s h o r ts t r u c t u r e a tt h es a m et i m e t h ee l e c t r i cf i e l da f f e c t e db yt h er f pm a k e s t h ee x c e s s i v ec a r r i e r sf l o wt h r o u g haw i d e rr e g i o n ，w h i c ha l m o s te l i m i n a t e st h e s e c o n dp h a s eo f t h et u m i n g - o f f c o u r s eo f t h es o l l i g b tc a u s e db yt h es u b s t r a t eb i a s f a s t e rt a m o f fs p e e di sa c h i e v e db yt h ea b o v et w of a c t s d u r i n gt h eo ns t a t eo ft h e i g b t ，t h ep - m o s f e ti so f f , w h i c hl e a d st o a l lo d s t a t ep e r f o r m a n c ej u s tl i k et h e n o r m a lo n e 5 a n a l y t i c a ld e s i g no f t h i n - f i l ms 0 1 - l d m o sc o m b i n e dw i t hr e s i s t i v ef i e l d p l a t e a n a l y t i c a ld e s i g no f t h i n f i l ms o i - - l d m o s c o m b i n e dw i t hr e s i s t i v ef i e l dp l a t ei s p r o p o s e d am o d e lr e l a t i n gt h eb r e a k d o w nv o l t a g e ，i m p u r i t yc o n c e n t r a t i o na n dl e n g t h o fd r i f tr e g i o nt ot h ek e yp a r a m e t e r ss u c ha st h i c k n e s so fs i l i c o nl a y e ra n db u r i e d o x i d ei sp r e s e n t e db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ee l e c t r i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n ，a n dl e a d st o t h eo p t i m u m d e s i g no f t h ed e v i c e t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wi ng o o da g r e e m e n tw i t h t h en u m e r i c a lr e s u l t sa c h i e v e db yt h es i m u l a t i o nt o o lt m a m e d i c i b yu s i n gt h i s a n a l y t i c a lt h e o r y ，am u c hl o ws p e c i f i c o n r e s i s t a n c ea n dh i g hb r e a k d o w nv o l t a g e i d m o sc a nb et e a 】j z e dw i t ht h et h j n f i l ms o ls u b s t r a t e k e yw o r d s ：c o m p o s i t e b u f f e rs t r u c t u r e ，i g b t ，d y n a m i c - c o n t r o l l e da n o d e - s h o r t ，s o l l d m o s ，r e s i s t i v ef i e l dp l a t e i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：盈复兰i 垂日期：。2 年，月何日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：五壹：竺：f 垒、导师签名：i 篁幽 日期：0l 年ft 月x h 第一章绪论 1 1 功率器件的发展现状 第一章绪论 电子产品的形式虽然多种多样，但是稍加分析不难发现，它们都有一个共同 的特点，那就是：基本上讲，一个功能完善的产品，或者说是一个系统，都大概 可以分为两个部分，即控制部分和执行部分。如果用人作类比，那么控制部分就 相当于电子产品的大脑，执行部分则相当于其四肢。只有大脑灵活，四肢发达的 系统才会有出色的性能。控制部分包含了多个方面的技术，包括数据采集、信号 处理、控制信号输出等；而执行部分相对来说要简单些，几乎都是由一定的功率 器件对控制信号进行放大，进而达到输出一定功率的目的。由于功率器件的输出 电压、电流，以及它自身的速度、功耗等方面的性能的提高对电子产品的总体表 现有相当大的影响，所以对功率器件的研究是当前电子学研究的个重要方向。 并且由此催生出了一种新的独立的技术，即电力电子技术。 现代电力电子技术无论对改造传统工业( 电力、机械、矿冶、交通、化工、 轻纺等) ，还是对高新技术产业( 航天、激光、通信、机器人等) 都至关重要。 应用领域几乎涉及到国民经济的各个部门。近几年西方发达的国家，尽管总体经 济的发展速度较慢，电力电子技术却一直保持着每年百分之十几的高速增长。 电力电子技术主要是由电力半导体器件，电力半导体变流技术和控制技术三 部分组成，它主要利用电力半导体器件，把电能( 包括其电压、电流、频率、相 位等) 从一种形式变换成另一种形式，亦即把电能从a c 变成d c ，d c 变成a c ， d c 变成d c 以及a c 变成a c ，满足用电设备的各种需要，以达到最佳利用电能 的目的。但是在这种电能变换过程中，采用哪一种电力半导体器件能够使变流装 置的体积最小、重量最轻、变换效率最高，且电路简单、电能品质最好、价格便 宜、操作安装方便，从而使变流系统最可靠呢? 这是装置设计者长期以来首先要 考虑和解决的重要问题，亦是器件设计者长期追求的目标。 电力半导体器件是电力电子技术的基础，是电力变流装置的心脏，它非但对 电力变流装置的体积、重量、效率、性能以及可靠性等起到至关重要的作用，而 且对装置的价格也起到很大影响。一种新型器件的诞生往往使整个装置系统面貌 发生巨大改观，促进电力电子技术向前发展。自1 9 5 7 年第一个晶闸管问世以来， 噬子辩技太学簿士论文 经过几十年的开发和研究，已推出各种电力半导体器件近4 0 种，醋豁正潘着高 频化、智能化、大功率化和模块化方向发殿。 自从5 0 年代，硅晶阐管闻键以后，功率半导体器件静研究工作已取褥了使 世人瞩目的成就。6 0 年代厝期，可关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能，并 使轿波工作频率扩矮至l k h z 戮上。7 0 年代中期，胬功率晶体管和臻率m o s f e t 问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。8 0 年代，绝缘栅双 极麓晶体餐( i g b t ) 褥毽，它综合了功率m o s f e t 和双缀型功率晶体管辩者豹 功能。它的迅速发展，又激励了人们对综台功率m o s f e t 和晶闸管两者功能的 薪毽功率嚣侔一耱羧鑫瓣管豹研究。 根据电极引出情况和电流流向的不同，功率器件又可以分为横向功率器件和 缎两功率器俸。一般来专荛，横向嚣传豹电摄使子蕊片豹表嚣，电渡呈横囱滚动。 纵向器件的电极位于器件袭面和衬底材料的底部，电流是纵向流动。要了解功率 器髂豹发浚情况，藏要了解这蘧类器 孛豹发曩。 众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在 截止状态孵藐承受寒电莲，完全没骞澄满魄滚；在导通状态对，熊逶过大媳流丽 且具有很低的压降：在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i d t 和 d v d t ；嚣鼓容易控剑且不鬟要能爨，鄹可以羽零电流下的电压信号或者是零电压 下的电流信号来控制。事实上，学者们的研究也就是为了使功率器件向这一理想 情形靠近。 1 1 1 横向功率器件 横向功率器件的电极均位于芯片的表谣，易予通过内部连接窳琥与低疆信号 电路及其瓮器件的相互集成，并鼠驱动电路简单，正是由于这些优点的存在，横 向功率器件得到了缀侠的发展。鹜蓠，国际上横两功率器彳牟主要露：横囱双扩散 m o s 管l d m o s ，横向绝缘栅双极型晶体管l i g b t ，横向栅控晶闸管l m c t 及 横向双极麓晶体警l b j t 等。下蘸对这鳖器箨懿发震情况律一个薅要分绥。 1 1 1 1l d m o s l d m o s 是横向双扩散( l a t e r a ld o u b l ed i f f u s i o n ) m o s 管的简称，是茸前十 分常溺的类功率爨搏。岛普通躲c m o s 器件蝴比，它狂结构方面的特点有两 个：一是它的沟邋区由两次不同杂质类型、不同扩散深度的扩散形成；二是它的 2 第一章绪论 漏极由单一的重掺杂变成了由承受电压的轻掺杂区和用于引出电极的重掺杂区 构成。从特性上讲，它具有如下特点： 优点：场控器件，控制简单：开关速度快；大的安全工作区；无闭锁； 热稳定性好；易与c m o s 电路集成。 缺点：电流密度小；导通电阻大，不适用于大功率应用领域。 所以被广泛用于各种消费类电子产品中，如电子表中的相对高压部分、音响用的 功率放大器、开关电源、电子镇流器等。 l d m o s 经过几十年的发展，产生了许多成熟的结构以及技术，这些结构和 技术对l d m 0 s 耐压、导通电阻等方面的性能有巨大的提高。 其中优化横向变掺杂( o p v l d ) f c “。n x8 ，1 9 9 2 】是一项有重大意义的技术。这 技术的意义不仅体现在能够通过对漂移区掺杂浓度优化以取得击穿电压与比导 通电阻的最佳关系，还体现在，工艺与常规的c m o s 或b i c m o s 工艺兼容，非 常适用于做功率集成电路，能够使成本大大减少。优化横向变掺杂技术通过在器 件表面引入一个掺杂的函数，能够使表面电场接近均匀分布，从而提高耐压。文 献 c h e nx b ，1 9 9 2 ，1 9 9 6 】经过解析得出，优化的横向变掺杂可以使漂移区达到 平行平面结击穿电压的9 0 ，优化掺杂曲线见图1 1 。而且根据实际工艺提出了 应用优化变掺杂的器件，该器件在耐压为3 4 0 v 时，比导通电阻为0 1 q c m 2 ，已 经十分接近于传统的“硅极限”限制了。同时，应用陈星弼提出的将功率器件集 成在功率集成电路中的美国专利( u s - p a t e n t5 ，7 2 6 ，4 6 9 ) ，可以采用常规的 c m o s 或b i c m o s 工艺制作功率集成电路，避免了采用成本较高的b c d 工艺。 这对于推动功率集成电路的广泛应用有着重大的意义。 z 巨 1 _ 0 0 8 0 6 0 4 0 2 玉 k 图1 一l 归一化的浓度与归一化距离的曲线m “。8 ，”2 1 除了优化横向变掺杂技术，还有一些别的技术。下面就对这些技术作一个简 要介绍： 电子科技大学博士论文 一，h 一j f 玎 ，7 7 阮 k m 期跪 严“= ”节 图1 2 图1 2 优点：利用r e s u r f 技术， 图1 - - 3 降低器件表面电场，提高器件的击穿电 压。r e s u r f 技术已经经历了2 0 多年的发展，它广泛应用于高电压，低导通电 阻器件的设计制造中。【卢”。1 9 9 5 ：c h e n 。8 ，1 9 9 0 】 图1 3 的优点：利用横向结终端扩展( j t e ) 技术，优化器件的表面电场， 缩短器件的漂移区长度，降低导通电阻。工艺容易实现。【”车岢 1 9 9 9 】 图1 4图1 5 图1 4 是利用漂移区杂质线性分布的技术，在薄膜s o l 上做高压l d m o s 。 其优点是可以优化漂移区中的电场分布，提高击穿电压，降低导通电阻，且与 s o ic m o s 工艺兼容。在材料参数：硅层厚度t s j = 0 2 肿，埋氧层厚度= 3i x m 时，能够做到击穿电压为：6 1 2 v ，比导通电阻为：o 5 f 2 c m 2 。【z 咖g s h c n g d o n g ，1 9 9 卅 图1 5 是利用亚微米b i c m o s 工艺制作的自隔离互补l d m o s ，它与3 v c m o s ，横向n p n ，p n p 工艺全兼容。n 沟和p 沟l d m o s 的击穿电压分别为： 8 7 v 和7 3 v ，比导通电阻分别为：o 1 2 4 和o 3 1 5 q r n m 2 。 a k o 。”1 9 9 5 】 4 第一章绪论 图1 6 l 1 1 f 口d ff 图1 7 图l 一6 应用一种新型场氧化方法制作了一个p 沟s o il d m o s 。由于缩短 了空穴的路径，且减少了硼的外扩散，在相同的击穿条件下，此结构的导通电阻 更小。试验结果：此结构与普通l d m o s 的击穿电压分别为：2 8 5 ，2 9 8 v ，比导 通电阻分别为：3 1 5 和5 7 m f 2 c m 2 。 j o n 9 6 ”k i m , 1 9 9 9 1 图1 7 应用1 1 型场注入来改善l d m o s 的安全工作区( s o a ) 。并得出了 最优化的“n f i e l d ”的剂量。【p “o ”o o o 】 图1 8图i 一9 图1 8 是一个新型的3 维l d m o s 。因为有埋栅结构，以及源极位于漂移 区上部而节省了面积等有利因素，该结构的导通电阻极低。实验结果：击穿电压： 4 9 5 v ，比导通电阻：4 2 m q c m 2 。1 7 3 ”“u u 6 “g 1 9 9 8 】 图1 9 是具有e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 自保护功能的l d m o s 。它是 普通l d m o s 的改进，其电学性能相似，且与高压工艺及b i c m o s 工艺全兼容。 s a m e c rp e n d h a r k a r 2 0 0 0 1 电子科技大学博士论文 圈l 一1 0强1 一 图l 一1 0 是种新型叠栅l d m o s ( f o l d e d ，g a t e l d m o s ) ，此结构在礁衬 底上袤l 稽，彩戏叠横结擒，傻海遂密度秀羹话，麸瑟魄普逶l d m o s 敬魄导逶瞧疆 减小了4 0 ，而跨导提高了8 0 。f 舶s 8 y n ”岵0 0 0 0 1 强l l l 是秘其鸯攮滚菠魅戆瑟型攮掇结构l d m o s 。蘧缝构豹击穿泡压 为2 5 v ，比导通电阻为7 8 m q c m 2 ，比普通槽栅结构的比导通电阻低2 0 ，且具 毒1 1 e 4 a 勉兹邀滚芙颧能力。【a 。泌n 矗k a g a w a 2 0 l 1 1 1 2l i g b 。l l i g b t 怒横向绝缘裰双缀型晶体警( l a t e r a li n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 的简称，也是目前十分常用的一类功率器件。宦靠阳极注入的非平衡载流子导电， 结台了m o s 器侔的褥控特镶帮双极鍪晶体篱静嵩辩压、祗鼯通损糕菸特煮，具 有广泛的用途。从结构上讲，它与普通的l d m o s 几乎相同，只是把l d m o s 漏 援秘n + ( 对予n 淘遴l d m o s ) 抉簸了p 十褥已。宅疑有热下特点： 优点：场控器件，挖制简单；在耐压高的同时能做到较小的导通电阻； 毫滚密度丈；大豹安全工佟嚣；易与c m o s 电路繁藏。 缺点：开关速度慢：有二次辔穿。 囊手横囱器终不容易骰戮超裹辩送、越穴毫流，掰良l i g b t 巍不缝澎箱予 超犬功率的场合( 比如高压输电、机车牵引镣) ，硝只能用于一些中小功率的情 形。 厦然如此，由于l i g b t 的诸多优点，依然得到了飞速的发展。下面同样对 l i g b t 匏一魏发展馕况搀一个麓要分缓。 6 第一章绪论 图1 一1 2 图1 一1 3 图l 一1 2 应用r e s u r f 技术，击穿电压为1 2 0 0 v 的l i g b t 。 t o m 曲m h 曲油m 1 9 9 5 】 图1 1 3 为阳极短路l i g b t 。由于在阳极处引入了n + 区作为非平衡载流子 的流出通道，所以关断速度快。只是，由于关断时，电流会流经阳极p + 区的下 方，形成压降，增加p + 区向n 区额外的注入，对关断不利。 图1 1 4 图1 1 5 电子科技人学博十论文 图1 一1 4 是分段阳极l i g b t 。当需要基区调制较重时，只需调节p 十区和n + 区宽度的比例就可以达到，而不用把p 十区做的很长，节省了面积；而且，电子直 接流向n + 区，不会造成空穴的额外注入。这样，分段阳极结构就克服了普通阳极 短路结构的缺点。i j o h n n y “os i n , 1 9 9 1 】 图l 1 5 是带有p + 注入的双栅阳极短路l i g b t 。该结构比普通s a l i g b t 的导通压降减少了o 6 v ，并且消除了普通s a l i g b t 所固有的负阻区。与标准 c m o s 工艺兼容。试验结果：击穿电压5 0 v ，闭锁电流4 0 0 a c m 2 。【k 。8 y 。o “g 舶。“， 1 9 9 8 图1 1 6 h t 孵女簿 * 摊 矗 * 瓣1 1 日 h 辱抽捆 图1 1 7 图l 1 6 是可关断阳极短路l i g b t 。它利用外加电路使l i g b t 在导通时阳 极不短路，关断时阳极短路，从而解决了正向压降与关断速度之间的矛盾。【r o ”“ p l i k a t 1 9 9 8 图1 一1 7 是具有p + 一d