半导体器件物理 课件 第8章 功率器件

半导体器件物理第八章功率器件8.1功率器件基本原理与特性8.2分立功率器件8.3可集成功率器件与高压集成技术8.4GaN

功率器件8.5SiC

功率器件8.1功率器件基本原理与特性8.1.1理想的功率器件特性8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1.1理想的功率器件特性如何高效且高质量地进行能量转换、减小电能的损失与浪费是电力电子技术主要需解决的问题，其关键在于功率半导体器件。理想功率器件开关波形8.1功率器件基本原理与特性导通态关断态开关瞬态电压为0电流为0瞬间完成理想功率开关：无功率损耗实际的典型功率开关中：导通态，存在电压降VF；关断态，存在反向漏电；开关瞬态，存在内部寄生的电容、非瞬间完成。实际功率器件开关波形导通态关断态开关瞬态非理想功率开关：存在功率损耗8.1.1理想的功率器件特性8.1功率器件基本原理与特性理想功率整流管：正向导通零压降，反向阻断零漏电。实际应用中：正向导通压降&反向关断漏电导致损耗。理想/实际功率整流管电流-电压关系8.1.1理想的功率器件特性8.1功率器件基本原理与特性9595进入空间电荷区的电子和/或空穴都将从电场中获得能量，与耗尽区内的晶格原子发生碰撞，产生电子-空穴对，发生雪崩击穿。碰撞电离系数与电场强度的近似关系（Fulop定律）：雪崩击穿8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性非穿通结构：三角形电场分布穿通结构：电场分布近似梯形穿通/非穿通结构电场分布95PN结轻掺杂区域的掺杂浓度越低，耗尽层宽度更大，耐压越高。优选使用穿通（Punch-Through，PT）结构来维持耐压。穿通结构小于非穿通结构的厚度，实现相等耐压8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性功率器件平面结平面扩散技术：扩散窗口的直边处形成柱面结，四个角处形成球形结——结曲率会导致如图所示的电场集中效应。曲率效应对击穿影响结边缘处高场碰撞电离系数大耐压非理想8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性95柱面结截面示意图柱面结和理想平行平面结的电场峰值关系式为：曲率效应对击穿影响球面结峰值电场强度为：958.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性场板（FieldPlate，FP）通过改变其偏置电压来缓解曲率效应，使得表面耗尽区展宽，进而提高器件耐压。场板对耗尽区的影响结终端技术曲线A曲线B曲线C曲线D零偏置的理想情况；实际器件氧化物中正电荷存在，耐压降低；正偏压:吸引电子，耗尽区缩小；负偏压:排斥电子，耗尽区展宽。8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性浮空场环（Floatingfieldring，FFR）:位于主结旁的一定距离位置，其没有外接电极施加电位。类似于耗尽层电容的串联：提高器件耐压，避免主结处发生提前的雪崩击穿。浮空场环结构结终端技术外加偏压主结耗尽耗尽层扩展，FFR耐压8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性结终端扩展（JunctionTerminalExtension，JTE）：通过离子注入和/或扩散引入额外电荷来改善击穿特性。引入电荷：结终端终止处产生新峰值电场——须准确地控制掺杂，使新峰值电场强度和主结处的电场峰值相当。结终端扩展技术对耗尽区的影响结终端技术P+负偏压扩展P区耗尽JTE提供负电荷，场峰值降低8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性磨角：以一定角度去除晶圆边缘的硅，防止硅片侧壁缺陷导致器件侧壁PN处提前击穿。结终端技术正/负磨角终端正磨角曲线B从PN结重掺杂侧到轻掺杂侧时更多材料从边缘去除从PN结轻掺杂侧到重掺杂侧时更多材料从边缘去除侧壁硅去除侧壁耗尽区展宽侧壁场降低，击穿位置转移8.1.2功率器件耐压机理与结终端技术8.1功率器件基本原理与特性8.2分立功率器件8.2.1功率二极管8.2.2功率BJT8.2.3晶闸管8.2.4功率MOSFET8.2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）8.2分立功率器件PIN二极管一维基础结构PIN二极管的正向导通特性曲线对于应用在电机驱动等领域的功率器件，整流器需要维持300 ~ 5000V的耐压，因此开发出PIN二极管用于此类高压应用。8.2.1功率二极管PIN二极管单极型导电的肖特基二极管在导通过程中没有少子的注入和存储，因而反向恢复电流小，关断过程快，关断损耗小。特性对比PIN二极管肖特基二极管动态特性开关损耗大、开关速度慢开关损耗小、开关速度快电导调制效应否是反向恢复电流大小反向漏电小大PIN二极管与肖特基二极管特性对比功率肖特基二极管8.2分立功率器件8.2.1功率二极管NPN型功率BJT的基本结构示意图功率BJT广泛应用于各种中低功率电力电子电路，例如在变频器、逆变器、斩波器等装置的主回路上作为功率开关使用。8.2.2

功率BJT功率BJT基本结构8.2分立功率器件NPN型功率BJT工作在饱和区与准饱和区时N-漂移区的载流子分布功率BJT典型的阻断特性功率BJT电学特性8.2.2

功率BJT8.2分立功率器件功率晶闸管的基本结构及等效电路图20世纪50年代，功率晶闸管便已经逐渐发展起来，其同时具有正向和反向电压的阻断能力，非常适合运用在交流电路中。8.2.3

晶闸管晶闸管基本结构8.2分立功率器件晶闸管的I-V特性曲线晶闸管版图电学特性和版图8.2.3

晶闸管8.2分立功率器件功率VDMOSFET的基本结构及等效电路图应用于大功率场合的分立功率MOSFET结构往往会将漂移区纵向放置以节省芯片面积，提高电流密度8.2.4功率MOSFETVDMOSFET基本结构8.2分立功率器件VDMOSFET输出特性曲线VDMOSFET电学特性VDMOSFET的电学特性与普通MOSFET类似。而VDMOSFET中存在的体二极管使其并不具备反向阻断能力，在实际电力电子电路中自身就能完成续流过程8.2.4功率MOSFET8.2分立功率器件VDMOSFET导通电阻构成VDMOSFET导通电阻构成Rcon：接触电阻Rs：源区电阻Rch：沟道电阻RA：积累层电阻RJFET：JFET区电阻Rdrift：漂移区电阻Rsub：衬底电阻8.2.4功率MOSFET8.2分立功率器件VDMOSFET寄生电容构成VDMOSFET寄生电容构成栅源电容Cgs由Cgm、CN+、CP并联构成；栅漏电容Cgd由Cgd1、Cgd2串联构成；源漏电容Cds是体区与漂移区之间的PN结电容8.2.4功率MOSFET8.2分立功率器件沟槽栅MOSFET结构VDMOSFET优化结构屏蔽栅MOSFET结构超结MOSFET结构8.2.4功率MOSFET8.2分立功率器件超结VDMOSFET交替排列P柱和N柱，引入显著的二维场效应，使电场分布近似呈矩形分布。比导通电阻与耐压的折衷关系由2~2.5次方指数关系下降至1.3次方。超结VDMOSFET结构8.2.4功率MOSFET8.2分立功率器件IGBT的基本结构及等效电路图IGBT的栅极结构与VDMOSFET类似差别在于将漏端N+层替换为P+层，导通时产生电导调制效应，降低导通电阻。8.2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT基本结构8.2分立功率器件IGBT输出特性曲线IGBT电学特性IGBT可以被视为MOSFET与PIN二极管的串联在集电极电压VCE为正时，电子从N+发射区经沟道流入N-区，为PNP型BJT提供基极电流，P+区进而向N-区注入空穴，形成集电极电流ICE当MOSFET沟道或JFET沟道被夹断时，电流会出现饱和8.2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）8.2分立功率器件IGBT等效电路图IGBT闩锁效应当集电极电流增大到一定程度时，Rs上的电压降会使NPNBJT开通，触发寄生晶闸管，器件将不再受栅极控制，发生闩锁这一破坏性效应8.2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）8.2分立功率器件穿通型（PT）IGBTIGBT纵向耐压结构非穿通型（NPT）IGBT场截止型（FS）IGBT8.2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）8.2分立功率器件沟槽栅IGBTIGBT优化结构逆导型（RC）IGBT超结IGBT8.2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）8.2分立功率器件8.3可集成功率器件与高压集成技术8.3.1LDMOSFET8.3.2LIGBT8.3.3RESURF技术8.3.4BCD工艺技术8.3.1LDMOSFETLDMOSFET是一种可集成的横向功率器件，其制造成本低、集成能力强、功率特性良好。LDMOSFET多采用BCD工艺制造，它是一种单片集成的工艺技术，现已成为功率集成电路制造的主流技术。关键性能参数：击穿电压BV和比导通电阻Ron（sp）。LDMOSFET基本结构示意图8.3可集成功率器件与高压集成技术LDMOSFET输出特性截止区非饱和区饱和区击穿区栅极电压低于阈值电压栅极电压高于阈值电压且漏极电压较小漏极电压增大到使沟道夹断漏极电压进一步增大直至发生雪崩击穿8.3.1LDMOSFET8.3可集成功率器件与高压集成技术当栅极电压大于阈值电压后，漏极才会出现明显电流。栅极电压小于阈值电压，漏极电压达到击穿电压BV，载流子和晶格原子发生碰撞次数增多，产生大量电子空穴对，发生雪崩击穿，电流迅速增大。LDMOSFET转移特性LDMOSFET关态击穿特性8.3.1LDMOSFET8.3可集成功率器件与高压集成技术8.3.2LIGBT横向绝缘栅双极型晶体管（LateralInsulatedGateBipolarTransistor，LIGBT），双极型导电器件，通过采用轻掺杂漂移区和RESURF技术，具备了高正向阻断电压的能力。优势：电导调制效应，能显著降低导通压降。缺点：关断时漂移区存储的少数载流子会发生反向恢复过程，导致关断时间延长、动态特性恶化。传统LIGBT基本结构示意图8.3可集成功率器件与高压集成技术95为应对传统LIGBT关断慢的问题，提出了阳极短路结构LIGBT（ShortedAnodeLIGBT，SALIGBT），其核心是在阳极增加一个与P+区短路的N+区。N+区的存在，在器件关断时亦提供了电子抽取路径，加速了器件的关断从而减小了器件的关断损耗。SALIGBT阳极短路的LIGBT基本结构示意图8.3.2LIGBT8.3可集成功率器件与高压集成技术SA

LIGBT工作原理123低漏极电流下：同常规LDMOSFET一样工作漏极电流增大：P+阳极/N缓冲区结开启，发生电导调制，导通电阻降低。在关断时：N+区为电子提供了高效的抽取路径，从而实现更快的关断过程。8.3.2LIGBT8.3可集成功率器件与高压集成技术95闩锁效应基于SOI衬底单片集成LIGBT的结构示意图然而，LIGBT在实际应用中还面临一个更严峻的挑战——闩锁效应。解决方案：通常采用N型缓冲层来降低寄生晶体管的增益，从而抑制闩锁并实现性能折衷。在实际产品中普遍采用SOI衬底与深沟槽介质隔离技术，将LIGBT与NMOS和PMOS相互隔离开来，从而避免衬底注入空穴对低压器件的影响。8.3.2LIGBT8.3可集成功率器件与高压集成技术当在阴极施加电压使得PN结反偏时，耗尽区主要在N-外延区域扩展，电场峰值出现在P+/N-冶金结面处，当电场峰值大到Si的临界击穿电场Ecrit

时，器件发生击穿，击穿位置在冶金结界面处。8.3.3RESURF技术8.3可集成功率器件与高压集成技术RESURF技术的基本设计原理在于电荷平衡的优化达到RESURF电荷平衡条件时的特点利用P衬底/N-外延层的纵向耗尽对P+/N结的表面耗尽区展宽作用，使得整个漂移区完全耗尽时，硅表面电场尚未达到硅临界击穿电场，器件的击穿点由表面转移到体内，从而提高器件耐压，缓解器件比导通电阻与击穿电压的矛盾关系。8.3.3RESURF技术8.3可集成功率器件与高压集成技术基于LDMOSFET结构，单重RESURF逐步发展成为双重RESURF和三重RESURF单重RESURFLDMOSFET结构双重RESURFLDMOSFET结构三重RESURFLDMOSFET结构8.3.3RESURF技术8.3可集成功率器件与高压集成技术具有四重RESURF的LDMOSFET结构为进一步提高RESURF技术效果，可以采用多层注入的方式在N漂移区从下到上依次形成N埋层2（NB2）、P埋层（PB）、N埋层1（NB1）以及位于漂移区表面的P-top层（PT），能够实现基于四重RESURF技术的LDMOSFET器件。该器件Ron（sp）与BV之间的指数关系从2降至1.67。8.3.3RESURF技术8.3可集成功率器件与高压集成技术8.3.4BCD工艺技术双极型工艺技术CMOS工艺技术BiCMOS工艺技术BCD工艺技术BJTCMOSDMOSBCD技术发展历程8.3可集成功率器件与高压集成技术利用晶体管和衬底之间自然形成的反偏PN结来实现隔离。自隔离采用自隔离技术的LDMOSFET结构示意图隔离技术8.3.4BCD工艺技术8.3可集成功率器件与高压集成技术利用衬底与外延层或阱区形成的反向PN结来实现隔离。结隔离采用结隔离技术的LDMOSFET结构示意图隔离技术8.3.4BCD工艺技术8.3可集成功率器件与高压集成技术介质隔离利用绝缘介质来实现电路中各器件之间的隔离，具有低的寄生电容、无漏电流和有助于减小高电压元件尺寸的优点。介质隔离采用深沟槽隔离技术的LDMOSFET采用全介质隔离技术的LDMOSFET隔离技术8.3.4BCD工艺技术8.3可集成功率器件与高压集成技术8.4GaN功率器件8.4.1GaN耗尽型MIS-HEMT功率器件8.4.2GaN增强型p-GaNHEMT功率器件8.4.3其他结构GaN增强型功率器件8.4GaN功率器件GaN被认为是提高大功率电力系统转换效率的新一代功率器件的主要候选材料。GaN功率器件的工作频率远低于GaN射频器件，一般在50K-1MHz之间，主要关注器件的导通电阻、击穿电压和开关损耗等性能。GaN异质结的强极化特性，其界面处天然存在高浓度的2DEG，因此传统的GaNHEMT器件均为耗尽型（D-mode）器件。然而在器件应用模式方面，增强型（E-mode，也称为常关型）器件具有低功耗，高安全性以及简化的驱动电路设计等优势，在行业应用中更具吸引力。为了适应开关器件的应用特点，耗尽型GaNHEMT功率器件需要设计成cascode结构来实现增强型的应用模式。cascode级联增强型GaNHEMT结构如右图：在级联结构中，GaNHEMT承担了高电压，而低压SiMOSFET仅辅助完成整个级联结构的正向阈值电压偏置。8.4.1GaN耗尽型MIS-HEMT功率器件Cascode级联GaNHEMT器件结构示意图8.4GaN功率器件耗尽型GaNHEMT功率器件多采用MIS的绝缘栅结构，相对肖特基栅结构，栅介质的采用能极大的降低栅泄漏电流，提高栅极可靠性。高压耗尽型GaNHEMT产品，一般采用多级场板结构提高击穿电压并提高器件可靠性。多级场板能耗尽更长的栅漏电极间的沟道，形成承压的高阻沟道区，降低高压下的电场峰值。具有三级场板及MIS栅结构的耗尽型GaNHEMT示意图8.4.1GaN耗尽型MIS-HEMT功率器件8.4GaN功率器件可以通过在栅极和AlGaN势垒层中间生长一层p型掺杂的GaN层来实现增强型GaNHEMT器件，器件结构图和转移特性曲线如下图所示。8.4.2GaN增强型p-GaNHEMT功率器件增强型p-GaNHEMT结构示意图增强型p-GaNHEMT转移特性曲线8.4GaN功率器件所引入的p型GaN层会拉高AlGaN势垒层的导带，从而使整个异质结构的导带被整体拉高到费米能级(EF))以上，导致栅下方因为极化所形成的2DEG被完全耗尽，在未施加任何外界偏置的情况下实现器件的关断。随着外界栅极偏置电压不断正向增加，会使异质结导带的弯曲量不断增加，异质结界面处的导带底不断向下移动，使得沟道处的2DEG逐步恢复。增强型p-GaNHEMT栅极区域导带能带图8.4.2GaN增强型p-GaNHEMT功率器件8.4GaN功率器件通过调整p-GaN层的p型掺杂浓度和AlGaN势垒层厚度d可达到调整阈值电压的目的。增强型p-GaNHEMT器件结构对p-GaN层、AlGaN势垒层、栅极金属有比较严格的要求，因为各结构参数之间存在互相制约的关系。对于AlGaN势垒层，厚度一般为10-15nm、Al组分一般为15%-25%，这通常是增强型p-GaNHEMT的优选范围。增强型p-GaNHEMT结构8.4.2GaN增强型p-GaNHEMT功率器件8.4GaN功率器件凹槽MIS栅增强型GaNHEMT，采用低损伤的慢速刻蚀技术将栅电极下方AlGaN势垒层部分或者全部刻蚀掉，通过减弱异质结极化效应使栅极下方沟道中的2DEG浓度降低，实现零栅偏压下沟道的关断状态。势垒层刻蚀会引入界面态，其刻蚀精度同时也会影响阈值电压和导通电阻，因为提高阈值电压与降低导通电阻的目标相互制约，如何平衡设计是该结构器件的关键。8.4.3

其他结构GaN增强型功率器件凹槽MIS栅增强型GaNHEMT结构图8.4GaN功率器件氟注入增强型GaNHEMT，在栅电极形成前，采用氟等离子体处理对栅极下方AlGaN势垒层材料注入氟离子，由于氟离子具有高的电负性，在势垒层中会形成固定负电荷，从能带角度分析，相当于形成了一个附加势垒，抬高了栅下势垒高度，从而耗尽沟道中的2DEG，实现增强型。由于势垒层中注入离子也会引入晶格缺陷，会降低2DEG迁移率，导致器件输出电流减小。同时，氟离子在AlGaN材料中的温度稳定性较差。8.4.3

其他结构GaN增强型功率器件氟注入增强型GaNHEMT结构图8.4GaN功率器件8.5SiC功率器件8.5.1SiC材料优势8.5.2SiC

功率二极管8.5.3SiC功率MOSFET8.5.4可集成SiC功率器件材料特性硅(Si)4H-碳化硅(4H-Si)禁带宽度(eV)1.123.26临界击穿电场强度(MV·cm-1)0.33电子饱和漂移速率(cm·s-1）1.0×1072.2×107热导率(W·cm-1·K-1）1.53.34H-SiC与Si材料特性比较8.5SiC功率器件8.5.1SiC材料优势