（电路与系统专业论文）功率umosfet器件新结构及其特性研究.pdf

， 一 c l a s s i f i e di n d e x ： 一 u d c ： i i l l iiiii i iii iiii iiii 18 0 8 6 3 5 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho fn o v a lp o w e r u m os f e td e v i c e s c a n d i d a t e ：h a i f a nh u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry i n gw a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c i r c u i ta n ds y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n ：a p r i l ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，； 一 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：祸汽帆 日期：加易年6 月，6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。陟密学位论文待解密后适用本声明。 本论文难授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：胡海怩 日期： 劾后年乡月日 导师( 签字) ： 1旨1 吨爻镟 锄o 年占月，占e t ， ， 功率u m o s f e t 器件新结构及其特性研究 _ i ! - 摘要 功率槽栅m o s ( u m o s f e t ) 是在v d m o s 和v m o s 基础上发展起来 的一种功率半导体器件，由于功率u m o s f e t 可以从工艺技术上有效的降低 器件的特征导通电阻( r o n ) ，并且能处理较大的导通电流，因此，近年来功 率u m o s f e t 在计算机等消费电子中的发展更为迅速。目前，功率 u m o s f e t 技术在低压m o s f e t 产品市场中被广泛接受，具有较高的市场占 有率。但功率u m o s f e t 在耐压方面，相对与横向器件还是有一定的差距， 因此在不增加功率u m o s f e t 器件工艺难度的基础上，尽可能地提高器件的 击穿电压( ) ，或者在允许的耐压范围内，尽可能地降低器件的r o n ，成为 了当今功率u m o s f e t 技术发展的主要研究方向。 本论文的主要思想是利用器件中s 淤i g e 和s i s i g e c 异质结效应，对功 率u m o s f e t 器件沟道及漂移区的载流子迁移率的改善，达到优化功率 u m o s f e t 器件特性的目的。并且提出栅增强结构：g e l i m o s ( g a t ee n h a n c e d u m o s ) ，其特征是将侧氧中多晶硅电极与栅电极短接。为了改进g o b u m o s ( g r a d i e n to x i d e b y p a s s e du m o s ) 电特性品质因数及寄生电容的限制，又提 出s g e u m o s ( s p l i tg a t ee n h a n c e du m o s ) 结构。具体研究内容如下： ( 1 ) 提出应变s i s i g e 沟道和基于s i g e c 材料沟道的功率u m o s f e t 的器件 结构，并与传统器件的电流电压特性进行比较。s i s i g e 和s i s i g e c 异质结能 够有效的提高沟道区载流子的迁移率，增大a s 、降低及器件的r o m 因此 在满足v b d 要求的基础上，应变s i s i g e 、s i g e c 沟道功率u m o s f e t 相对传统 器件，在尼p p k 、r o ，等方面有较大的改进。、 ( 2 ) 提出了基于s i g e 的半超结功率u m o s f e t ( s i g ep i l l a rs g p ) 器件 及其引用可行性。通过3 d 器件仿真对比传统半超结u m o s f e t ( c o n v e n t i o n a l s e m i s jc s s j ) ，分析s g p 器件载流子迁移率模型，超结结构的能带模型， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 电场场强，击穿电压，电荷平衡，g e 含量影响和器件热稳定性等特性。结果 表明，在v a o 降低仅4 8 的基础上，器件的特征导通电阻降低4 4 。在低压 器件应用中，由于引入了应变效应，s g p 与传统的半超结器件在v s o 和r o n 的 折中和热稳定性比较中，占据明显优势。 ( 3 ) 提出栅增强功率u m o s f e t ( g a t ee n h a n c e dg e ) ，该结构的特点 是深槽多晶硅电极与栅电极短接，器件在保证v a o 的同时，于n 型漂移区的 边侧产生高密度的电子电流。与传统超结和g o b 器件比较，该结构拥有更 低的特征导通电阻。由于g e - u m o s 侧氧中多晶硅电极和栅电极短接，增大 了该结构的寄生电容，进而提出具有分裂栅的栅增强功率u m o s f e t ( g a t e e n h a n c e dw i t hs p l i tg a t es g e ) 结构，将该结构和g o b u m o s 进行器件对比 仿真。s g e u m o s 结构可以降低器件漂移区宽度w ，从而提高漂移区杂质浓 度，拥有比g e u m o s 、g o b u m o s 和s j u m o s 等器件更低的r o n 。并且 s g e - u m o s 器件侧氧中多晶硅电极浮空，相对于g o b u m o s ，改善了器件 的品质因数。 关键词：沟槽栅；功率m o s f e t = 导通电阻；硅锗；超结；栅增强；分裂栅 功率u m o s f e t 器件新结构及其特性研究 _ i t | 叠宣譬叠_ 薯叠_ ， ? j ： ， 一，a b s t r a c t 。一 ， ：，j ，： ， 一 ： _ 。p o w e rt r e n c h g a t em o s f e t ( u m o s f e t ) i sas e m i c o n d u c t o rd e v i c ew h i c h d e v e l o p e do nt h eb a s i so fv d m o sa n dv m o s b e c a u s et h ep o w e ru m o s f e t c a nr e d u c et h ed e v i c eo n - s t a t es p e c i f i c r e s i s t a n c e ( r o n ) e f f i c i e n t l yi np r o c e s s , a n d h a n d l el a r g e rt i l r n - o nc u r r e n t , s oi ti sd e v e l o p e di nc o m p u t e r sa n do t h e rc o n s u m e l e l e c t r o n i c sm o r er a p i d l yi nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t , t h ep o w e ru m o s f e t t e c h n o l o g yi sw i d e l ya c c e p t e di nl o w - v o l t a g em o s f e tp r o d u c tm a r k e t s ，a n dw i t h ah i g hs h a r e h o w e v e r , b r e a k d o w nv o l t a g e ( v b o ) o fp o w e ru m o s f e ti ss t i l l l o w e rt h a nt h a to fl a t e r a ld e v i c e t o d a y , t h e r e f o r e ，t h em a i nr e s e a r c ho fp o w e r u m o s f e ti st oi m p r o v et h ev b da sm u c ha sp o s s i b l eo nt h eb a s eo fl e s s d i f f i c u l 锣o fm a n u f a c n a i n gp r o c e s s ，o rt or e d u c et h er o no fd e v i c e 嬲m u c ha s p o s s i b l ei n t h ea l l o w e db r e a k d o w nv o l t a g ea r e a ，。f 7 1 t h ei d e a so ft h i st h e s i sa r ea p p l y i n gt h ee f f e c t so ft h eh e t e r o j u n c t i o n g e n e r a t e db ys i s i g ea n ds i s i g e ct oi m p r o v et h ec a r r i e rm o b i l i t yi nt h ec h a n n e l o rd r i f tr e g i o n , a n do p t i m i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e ru m o s f e td e v i c e a n o v e lt e c h n o l o g y , w h i c hi sc a l l e dc r a t ee n h a n c e du m o s f e t ( g e u m o s ) s t r u c t u r ef o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sp a p e r , t h ek e yo ft h i ss t r u c t u r ei st h ep o l y s i l i c o n e l e c t r o d ei sc o n n e c t e dt ot h eg a t ee l e c t r o d e 啊论c r a t ee n h a n c e dw i t hs p l i tg a t e u m o s f e t ( s g e - u m o s ) i sp r o p o s e dt om o d i f yt h ed r a w b a c k so fw a s t i n gs i l i c o n l o o ma n dl i m i t i n g p a r a s i t i cc a p a c i t o r a b o u tt h e g r a d i e n to x i d e b y p a s s e d u m o s f e t ( c , o b - u m o s ) ? s e v e r a lk i n d so fd e v i c e sa r ed e s i g n e da sf o l l o w i n g ：1 ( 1 ) s t r a i ns i s i g e ，s i g e cp o w e ru m o s f e ts t r u c t u r ew e r e p r e s e n t e da n d c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lu m o s f e ti ni o s - v 傩c h a r a c t e r i s t i c s t h es i s i g e a n ds i s i g e ch e t e r o - j u n c t i o n sc o u l di m p r o v et h ec a r r i e rm o b i l i t ya n d 红澌t l l l o w e r a n dr o s t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so fm e e t i n g r e q u i r e m e n t , t h es t r a i n s “s i g ea n ds i g e cc h a n n e lu m o s f e th a dag r e a t e ri m p r o v e m e n tt h a n 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 c o n v e n t i o n a lu m o s f e ti nr o n , i d s v d sa n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n g t h e s e m i s u p e r j u n c t i o n ( s e m i s j ) w i t h s i g e - p i l l a r ( s g p ) c o n c e p tt op o w e ru m o s f e ti ss t u d i e di n t h i sp a p c r1 k e l e c t r i c a i p e r f o r m a n c e s o f s g p a r c c o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a l s e m i - s u p e r j u n c t i o n ( c s s j ) p o w e rm o s f e tt h r o u g h3 dd e v i c es i m u l a t i o nw o r k i nt e r m so fr o n , v s o , t h ee f f e c tt oc h a n g et h eg em o l ef r a c t i o ni nt h es g pa n dt h e t h e r m a ls t a b i l i z a t i o n 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h er o ni sr e d u c e db y4 4 o nt h eb a s e o fv b or e d u c i n go n l y4 8 t r a d e o f fr o nv s v b da n dt h e r m a ls t a b i l i z a t i o no fs g p a r es u p e r i o rt ot h a to fc o n v e n t i o n a ls e m i s js i n c et h es t r a i ne f f e c ti n d u c i n gi n t o t h es g ps t r u c t u r ei nt h el o wp o w e rd e v i c e a p p l i c a t i o n ： 。 7 ； ( 3 ) g e - u m o si sp r o p o s e dt od e c r e a s et h er o # o ft h ed e v i c e t h ek e yf e a t u r e o ft h i ss t n l e t u r ei st h a tt h ed e e pt r e n c hp o l y s i l i c o ne l e c t r o d ei sc o n t a c t e dt ot h e g a t ee l e c t r o d e ，m a i n t a i n i n gt h e a n df o r m i n gt h eh i g he l e c t r o nc u r r e n td e n s i t y a ts i d en - d r i f tr e g i o n , r e s u l t i n gi nt h el o w e rr o sc o m p a r e dt ot h es u p e r j u n c t i o n ( s j ) s t r u c t u r ea n dg r a d i e n to x i d eb y p a s s e d ( g o b ) s t r u c t u r e b u tt h e p a r a s i t i cc a p a c i t o r i n c “鞠曝eal o tf o rt h et w oe l e c t r o d e sc o n n e c t e dt o g e t h e r s ot h eg a t ee n h a n c e d 诵ms p l i tg a t eu 1 o s f e t ( s g e - u m o s ) s t r u c t u r ei sp r o p o s e da n ds i m u l a t e da s c o m p a r e dt og o b - u m o s 1 1 1 ew i d t ho fs g e - u m o sd r i f tr e g i 叩wc o u l db e r e d u c e d , a n di n c r e a s et h ei m p u r i t yc o n c e n u 甚t i o n , s ot h er o no fs g e - u m o si s l o w e rt h a nt h a to fg e - u m o s 。g o b - u m o sa n ds j 删o s b e c a u s et h e o x i d e b y p a s s e dp o l y s i l i c o ne l e c t r o d ei sf l o a t i n g , t h e 桃( f i g u r eo fm e r i t ) a r e i m p r o v e da sc o m p a r e dt og o b u m o s 。 ， k e y w o r d s ：t r e n c hg a t e ；p o w e rm o s f e t ；s p e c i f i cr e s i s t a n c e ；s i g e ；s u p e r j u n c t i o n ； 一 功率u m o s f e t 器件新结构及其特性研究 ； 目录 第1 章绪论。“：i j ：二_ ：l 1 1 研究意义- j 一：l 1 2 功率u m o s f e t 发展现状3 1 3 本文的主要研究内容i - 13 第2 章基于s i g e 、s i g e c 功率u m o s f e t 器件的特性研究1 5 2 1 应变s i s i g e 沟道功率u m o s f e t ：- 1 5 ，2 1 1l n o s f e t 器件模型o 1 5 2 1 2 模拟与分析：1 7 。 2 1 2 1s i u m o s f e t 与s i s i g e u m o s f e t 模拟分析j ：17 2 1 2 2s i g e 区域在u m o s f e t 器件中的横向优化j ：。1 7 2 2 基于s i g e c 为功率u m o s f e t 沟道材料的特性研究2 2 2 2 1 器件参数与几何结构j ：2 3 2 2 2s i l * l ，i g e 犯，模型：_ j ：2 4 2 2 2 1b 元素在s i l _ 警y i g e 疋y 的扩散模型：2 7 2 2 2 2c 元素对b 元素瞬态扩散的抑制2 7 2 2 3 仿真结构与讨论2 7 2 3 本章小结3 1 第3 章基于s i g e 的半超结功率u m o s f e t 的特性研究一3 3 3 1 引言3 3 3 2 结构与模型分析3 4 3 2 1 结构分析3 4 3 2 2s i g e 材料模型分析3 6 3 3 仿真结果与分析3 7 3 3 1 击穿特性分析3 7 3 3 2 导通特性分析3 9 3 3 3 电荷平衡分析4 0 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 3 3 4s i g e 柱中g e 含量分析4 2 3 3 5 热稳定性分析：_ 4 3 3 4 本章小结4 5 第4 章栅增强功率u m o s f e t 器件的特性研究一节4 6 4 1 超低导通电阻的栅增强功率u m o s f e t ( g e _ u m o s ) 器件的特性研 ，究。1 1 6 ：4 1 1 器件结构与工作原理一4 6 4 1 2 仿真结果与讨论w 。4 7 4 2 具有分裂栅的栅增强功率u m o s f e t 器件( s g e u m o s ) 的特性研究 。5 5 4 2 1 器件结构与工作原理一5 6 4 2 2 仿真结果与讨论。5 6 4 3 本章小结。，矗6 2 结论? ! “ 参考文献一6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果? 7 6 致访1 7 7 第1 章绪论 第1 章绪论 本章简要介绍了功率u m o s f e t 器件的发展和研究历程，对一些代表性 的功率u m o s f e t 的特点进行了综述，并指出了u m o s f e t 器件的优点，在 此基础上阐述本文的立题依据，并给出了本论文的研究内容。 1 1 研究意义 功率半导体器件是电力电子技术发展的基础，目前已成为微电子技术研 究的主要方向。随着目前集成电路( i c s ) 的小型化及器件性能要求的提高， 微电子的发展受到了器件的物理及材料属性的限制i l 】。因此，现在迫切需要 通过增强器件内部单个元胞的性能来提升整个集成电路系统性能，而并非是 通过增大器件的面积来进行性能的改善1 2 】。当今，半导体的发展与功率和能 量控制的结合越来越密切。在美国，6 0 的电量都要经过功率半导体器件。 在中国，驱动机械设备的电动机的耗电量约占中国电力消耗总量的6 0 ，这 些机械设备包括水泵、风机和压缩机。如果采用节能电机和功率驱动控制方 案，就能节省约1 0 的电能消耗。因此，增强功率器件的性能及其稳定性将 对能量使用效率，环境的绿化有重大影响1 3 ，4 1 。 据市场研究公司i s u p p l i 调查显示，在2 0 0 2 年，中国半导体消费水平达 到2 5 0 亿美元，大约占全球市场的1 6 ，而到2 0 0 6 年，中国的半导体消费 达到5 6 0 亿美元，占全球市场的2 6 1 5 1 。i s u p p l i 最新调查【4 】的大功率半导体 市场规模及发展趋势分析中显示，从2 0 0 5 年到2 0 1 0 年，全球大功率半导体 市场消费为1 7 0 2 亿美元，美国占1 5 1 9 亿美元，日本占1 9 1 5 亿美元，而中 国占7 5 6 9 亿美元，居全球榜首。功率半导体器件主要分为两大类：功率分 立器件及功率集成电路。在全球市场的总份额中，功率集成电路占其中的 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 4 0 ，而功率分立器件则占近6 0 。在功率集成电路中，欧美厂商占有绝对 优势，如美国的n s ，t i ，m a x i m 等厂商，但中国也有自己立足于全球市场 的优势，如圣邦微电子、明微、长运通等，主要针对中低端功率集成电路的 设计。 分立功率器件在系统中被广泛应于两大方面【5 】：功率整流器和功率开关。 对于低、中、高功率的半导体开关器件，要想实现它们的最优结构，就需要 在实际的制作中对静态中导通下的低电阻值和关闭下的最大耐压值之间进行 折中。随着中国电子业的快速发展，中国已成为全球最大的分立器件市场， 在全球市场中占举足轻重的地位。2 0 0 8 年，中国的大功率分立器件的市场占 全球市场的3 9 ，并预测在未来5 年中，中国大功率分立器件的市场销售额 将以2 0 的速度增长，到2 0 1 0 年，中国将占全球4 7 的半导体市场【6 】。 全球的功率半导体的分立器件生产厂商主要有：i r ，f a i r c h i l d ，o ns e m i ， t o s h i b a ，v i s h a y ，s t 等等，其中瓜是研发并生产m o s f e t 功率器件最早的 公司，现在，该公司已将主要的产品转移到功率模拟集成电路上。由于在功 率半导体方面有主导地位，在功率应用方面，将有迅猛的发展。功率分立器 件的市场在急剧扩大，促使它的价值猛烈提升。市场中不断改进的个人电脑 ( p c ) 的微处理器，还有持续走好的手持终端设备都在对电源处理器件提出 新的要求。随着手持终端小型化趋势的前进，相应电子产品的驱动电压和氧 化层厚度需要降低，而驱动电流则要增加或保持不变：这就导致了高的功率 输出和损耗，因此，低r o , v 和高速功率器件的研制迫在眉蒯引。 由于u m o s f e t 可以从工艺技术上有效的降低器件的r o , v ，并且能处理 较大的导通电流，因此，近年来u m o s f e t 在计算机等消费电子中的发展更 为迅速。目前，u m o s f e t 技术在低压m o s f e t 产品市场中被广泛接受，具 有较高的市场占有率。但u m o s f e t 在耐压方面，相对与横向器件还是有一 定的差距，因此在不增加u m o s f e t 器件工艺的生产难度的基础上，尽可能 的提高器件的击穿电压，或者在允许的耐压范围内，尽可能的降低器件的 r o , v ，成为了当今u m o s f e t 技术发展的主要研究方向。 2 第1 章绪论 1 2 功率u m o s f e t 发展现状 双扩散工艺使得器件本身在重掺杂的n + 源区上覆盖一层薄的栅氧化层， 因此直接生成了栅、源电极电容( c a s ) ，导致器件的开关速率的受到限制。 而且，在高压应用中，器件n 。漂移区的电阻值在器件的整个r o s 值占主要部 分，借鉴v l s i 工艺技术设计，可以将d m o s f e t 的r o s 优化，但是在 d m o s f e t 中，内部饱和电流密度受到了器件固有特性的限制，这种限制来 自于器件结构的j f e t 电阻，电流流过此区域时相当于经过一个结型场效应 晶体管( j f e t ) ，这让功率m o s f e t 的结构设计到达了u m o s f e t 阶段1 7 驯。 s o u r c e v ， 矿朔g a t e 陟刀 l 一1 r c l - t 拿l p b a s e 。坚兰剑 r 。 n n + ， d r a i n 图1 3 功率u m o s f e t 示意图 沟槽技术令功率m o s f e t 器件得到很好的发挥，以沟槽为基础的先进超 大规模集成电路技术，包括存储元胞和器件隔离。u 型槽栅区域用反应离子 刻蚀( r ) 工艺生成，图1 3 所示n 型沟道u m o s f e t ( n u m o s f e t ) 截 面示意图。在n - 外延层中扩散p 有源区后，进行刻蚀生成垂直的沟槽壁，然 后在沟槽的侧壁热生长一层氧化层，用多晶硅填充沟槽，最后进行平坦化， 将外表面作为电极接触点。 u m o s f e t 结构相对于双扩散m o s f e t ( d o u b l ed i f f u s i o nm o s n t ) 的 主要优势在于：更大的沟道密度，更低的功耗损失，用r i e 工艺生成的u 型 3 哈尔滨下程大学硕十学位论文 槽栅，可以使元胞的尺寸相对于d m o s f e t 做得更小。更重要的是u m o s f e t 结构消除了限制d m o s f e t 发挥的j f e t 电阻。因此，低r o u 成为垂直槽栅 u m o s f e t 的基准和技术动力1 1 0 】。 ( 1 ) 超低导通电阻u m o s f e t 图1 4 ( a ) 积累型u m o s f e t ，( b ) 反型u m o s f e t ，( c ) 沟槽延伸型u m o s f e t 及 ( d ) 传统u m o s f e t 对比示意副1 1 1 1 9 9 4 年s y a ut ，v e n k a t r a m a np ，b a l i g ab j 等人提出了3 种新型功率 u m o s f e t 器件结构，分别是积累型u m o s f e t ，反型u m o s f e t 和沟槽延 伸型u m o s f e t 。这些结构的特点是器件的栅电极都延伸到i 1 + 外延层。与传 统器件结构相比，新型功率u m o s f e t 器件进一步降低了器件的导通电阻， 4 第1 章绪论 实验结果显示在2 5 v 击穿电压的条件下，器件的导通电阻能够达到 1 0 0 2 5 0 t o c m 2 。由于电流在槽栅电极的边缘形成的电子载流子积累层或者反 型层流过，器件的导通电阻得到了降低。分析中指出，如果有更好的微影技 术和更薄的栅氧化层，功率u m o s f e t 器件的导通电阻会进一步降低。图1 4 给出了积累型u m o s f e t ，反型u m o s f e t ，沟槽延伸型u m o s f e t 及传统 u m o s f e t 对比示意图。 ( 2 ) 沟槽电极接触功率u m o s f e t a ) b ， 图1 5 ( a ) 沟槽电极接触和( b ) 表面电极接触结构对比示意酬1 2 1 1 9 9 4 年，m a t s u m o t os ，o h n o 王，i s h i ih ，y o s h i n oh 等提出沟槽电极接触 u m o s f e t 器件结构。采用自对准技术，降低u m o s f e t 器件元胞间距到 2 5 t m ，提高元胞的沟道密度。通过对比设计5 0 v 击穿电压的沟槽电极接触 u m o s f e t ( t r e n c hc o n t a c tt c ) 和表面电极接触u m o s f e t ( s u r f a c ec o n t a c t s c ) 的结果可见，t c u m o s 器件的导通电阻随着元胞间距的降低而降级； 不同的是，s c u m o s 器件在元胞间距的最优值时有最低导通电阻，而元胞 间距低于此优值，则导通电阻增大。器件元胞间距低于3 t i m 时，t c - u m o s 相对s c u m o s 有更低的输入寄生电容和导通电阻，因此t c u m o s 是一个 具有更快开关速度的功率开关器件，且t c u m o s 器件的临界雪崩击穿的电 流是s c u m o s 器件的1 4 倍，对器件的二次击穿有一定的保护作用。图1 5 给出相应对比示意图。 5 哈尔滨1 ：程大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 超结结构功率u m o s f e t 当器件阻断电压超过1 0 0 v 时，m o s f e t 器件的导通损耗在很大程度上 由漂移区的电阻来决定，因此，在高压m o s f e t 中沟槽技术并没有优势。表 面看来对于器件的r 0 2 v ，由于它的主要组成部分漂移区电阻凡嗽完全被 m o s f e t 耐压能力所限制，但这种限制能通过直接补偿的原理加以克服，这 嚼 删 图1 6s j u m o s f e t l l 5 】图1 7pn 结和超结的电场分布 就是超结( s u p e rj u n c t i o ns j ) 概念。该结构由陈星弼在1 9 9 3 年提出【1 4 】，如 图1 6 所示，器件设计的主要特征是，超结器件漂移区n 柱的掺杂浓度大约 要比普通u m o s f e t 器件n 区的浓度大一个数量级。n 柱为电子形成了低导 通电阻通路，大大降低了漂移区的r d 1 1 5 j 。为了不降低s j m o s f e t 的v b o ， 超结结构中的n 柱被同等电荷的p 柱包围。电荷补偿的结构如图1 7 所示， 可以看到，所要求的阻断电压能力可以通过单个pn 结或者多个pn 结串联而 实现。在后一种情况下，由于电荷的就地补偿，p 柱和n 柱中的掺杂浓度远 高于二极管结的n 区。s j 结构的应用使得器件的品质因数得到了很好的改善， 并且在单位体积内的门极电荷酝量，和传统的功率m o s f e t 相近。因此， 在给定的应用条件下使器件尺寸变的更小成为可能，但这并不意味着半导体 的制作成本会降低，因为s j 器件的制作过程是较为复杂和昂贵的。 ( 4 ) 采用s i c 材料的功率u m o s f e t 硅半导体器件已经有5 0 多年的历史，目前仍是主要的半导体器件材料， 6 第1 章绪论 但是硅固有的一些物理属性，如带隙较窄、电子流动性和击穿电场较低等特 点限制了其在高频高功率器件方面的应用，为此，业界一直在进行新材料的 研发。随着在衬底材料增长方面以及器件加工技术上都取得重大进展，碳化 硅- ( s i c ) 在各类新材料中脱颖而出，在应用方面走在前端。s i c 材料的击穿电 场强度高( 4 x 1 0 6v c m ) 、，载流子饱和漂移速度高( 2 x 1 0 7c m s ) 、热导率高 ，1 ：竺! i j i 。il ， 图1 8s i c u m o s f e t 1 9 1 ( 4 9 w c m - o k ) ，热稳定性好等特点，特别适合制作大功率，高压、高温、 抗辐照电子器件。由于s i c 功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此s i c 功率器件也被誉为新能源革命的绿色能源器件【1 每1 8 1 。s i c 材料因内部i 与c 原子的不同排列可以有很多种属性，但对功率器件有较大影响的只是4 h s i c 和6 h s i c 两种多晶形式【1 9 1 。6 h 和4 h 最大不同是4 h s i c 中的电子迁移率在 c 轴方向上是纵向6 h s i c 中的两倍，是横向6 h s i c 中的十倍。因此4 h s i c 在功率半导体中的发展得到很大的重视。相对于硅( s j ) 和砷化镓( g a a s ) 材料，虽然4 h s i c 中的电子载流子迁移率较低，但是它拥有的较高的击穿电 压场强、饱和漂移区速率和热传导令其更适合在高压器件中的应用。 s i c u m o s f e t 器件示意图如图1 8 所示。 ( 5 ) 分裂p 柱的超结功率u m o s f e t 2 0 0 5 年，m i u r ay ，n i n o m i y ah ，k o b a y a s h ik 提出分裂p 柱的超结功率 u m o s f e t 器件结构( s u p e r j u n c t i o nu m o s f e t w i t hs p l i tp c o l u m n ) 。为了进 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图1 9 分裂p 柱的超结功率u m o s f e t 器件示意刚加1 一步降低低压器件的导通电阻，1 0 0 v 以下的功率u m o s f e t 器件也采用了 超结结构，但是随着元胞间距的降低，超结中p 、n 柱宽度也随着降低，但在 工艺上很难实现。因此提出通过b 离子多次注入的方式来实现超结中的p 柱 的方法，且p 柱被n 型s i 层隔离。且相对于传统超结器件，该结构提高了器 件的设计灵活性，并且在v s d = 6 8 o v 条件下，得到器件导通 电阻r o , v = 2 8 7 m o m m 2 的良好特性，这和传统超结u m o s f e t 的特性相当。 该结构在1 7 5 0 c 时，抗重复的电感式开关应力性较强，并且器件的反向恢复 特性没有恶化。图1 9 给出了分裂p 柱的超结功率u m o s f e t 器件示意图。 ( 6 ) 侧氧调制功率u m o s n 玎 超结在实际制作工艺中，由于n 柱中施主杂质与p 柱中的受主杂质互相 扩散，尤其是低于3 0 0 v 的s j 器件，p 、n 柱的宽度只有1 - 3 t m ，很难使得器 件漂移区中的p 、n 柱中电荷量达到完全匹配的效果。为了克服制造s j 器件 的工艺限制，2 0 0 5 年y u n gc l i a n g 和y uc h e n 提出一种新超结结构侧 氧( o x i d eb y p a s s e do b ) 结构，结构示意图如图1 1 0 所示，这种o b 结构工 艺制作避开了传统s j 器件工艺的难点，而是用较为简单的控制氧化层厚度 使得器件得到s j 的电特性近似效果。要得到高电压的器件，那么漂移区中的 电场大小应尽可能一致，但是o b 结构漂移区中的电场一致性分布比传统s j 差。为了克服o b 结构缺点，并保留o b 结构简单工艺的结构，y u n gc l i a n g 8 第1 章绪论 s t r t t 艄洲岬嘲 图1 1 0o b 结构的功率u m o s f e t 图1 1 1g o b 结构的功率u m o s f e t ( o b u m o s ) 【2 1 】( g o b u m o s ) 1 2 1 1 又提出了角度侧氧( g r a d i e n to x i d eb y p a s s e dg o b ) 结构【2 ，结构示意图如 图1 1 1 所示，只要g o b 结构侧氧的厚度合适，那么漂移区中的电场分布可 与传统p 、1 1 柱s j 结构相当。 ( 7 ) 具有s i g e 沟道的功率u m o s f e t 图1 1 2 具有s i g e 沟道的u m o s f e t t 2 2 1 最近，硅锗( s i g e ) 材料受到了