联系方式 Contact

深圳市海多利电子有限公司

地址:广东省深圳市宝安区西乡街道银田路4号华丰宝安智谷科技创新园A座六楼605号

电话:0755-85269203

传真:0755-23357890

网址:彩票安徽快三开奖查询

搜索 Search

功率半导体器件发展概述[2]

2015-02-09 14:24:11点击:

3 SJ(Super Junction)型功率半导体器件发展展望

以上从衬底材料对功率半导体器件的现状和发展作了概述,具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管和功率 MOS 类器件有着极高的开关频率,但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系,为了缓解这对矛盾,目前有两种技术:一种是在保证器件获得关态击穿电压的基础上,采用 Trench 技术在器件工作的漂移区中形成器件开态时的载流子积累,积累载流子形成的导电通道来降低器件开态工作时的导通电阻,国际上在 80 年代对这种思想从理论、实验上进行了大量的研究;另一种思想是通过尽量提高功率器件漂移区浓度,即降低漂移区电阻的基础上,通过在器件的不同维度上引入新的电场来达到对漂移区载流子的有效中和以获得一定的击穿电压,这种思想成熟和有效的结构是超结(Super Junction)形式,下面主要针对这种结构做简单的介绍。

SJ 结构是在器件不承担电压的方向上引入新的电场,对器件工作的漂移区(N-区)达到最大的电荷补偿(如图 3),在这种思想提出之后,国际上开展了一系列关于 SJ 的研究工作[11-12]。

3.1 纵向结构的 SJ 结构

纵向结构的 SJ 主要有完全和不完全两种结构。

完全的纵向 SJ 结构:

纵向型 SJ 结构的主要特点是用 N 型与 P 型相互交叠的形式代替了传统上必须承担一定击穿电压的 N-漂移区,由于 N P 耗尽后,形成 Z 方向的电?。ㄍ?span class="njx"> 1),这个电场有效补偿了 N-漂移区的浓度,使 N-区的浓度可以设计的很高,且 N 型区与 P 型区完全耗尽后,电势分布从源端到漏端线性增加,电场分布趋于理想的均匀分布,这就满足了击穿电压的要求,通过分析具有 N 区与 P 区中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集相互交叠的 SJ 结构中的电场分布,使传统 VDMOS 中击穿电压与比导通电阻的关系缓解。

1 纵向 Super Junction 结构

SJ 结构(Semi-Super Junction):

1 的结构是完全的 SJ 结构,即器件工作的 N 型漂移区完全由 SJ 部分组成,这种结构的缺点是目前工艺上实现比较困难,必须通过多次外延或刻蚀加离子注入的方法完成。最近,国际上提出了一种半 SJ 结构,命名为 Semi-Super Junction 结构[13],是将 SJ 的部分与传统的 VDMOS 部分相结合(图 2),在设计上具有很大的灵活性,这样可以在击穿电压和比导通电阻上得到VDMOS 结构与 SJ 折中的效果。

2 Semi-Super Junction 结构

为了实现高压与低压的集成,在工艺上一般采用横向的高压器件,横向结构由于采用标准的平面工艺,且在与低压兼容等方面能真正实现高压集成或智能功率集成,如果使用 SJ 思想,将横向结构中的 N 漂移区用 N P 相互交叠的 SJ 部分代替(图 3),也能降低其开态的导通电阻,缓解 BV Ron 的矛盾关系,所以,国际上对横向 SJ(SJ-LDMOS)研究也是一个热点。

3 横向 Super Junction 结构 (SJ-LDMOS)3.2

横向结构的 Super Junction横向的 SJ 由于受到纵向电场的影响,使完整的 P N 层不能完全同时耗尽,纵向的电场辅助耗尽 N 型区使同浓度的 P 型区在器件达到击穿电压时不能完全耗尽,国际上称之为衬底辅助耗尽效应(substrate-assisteddepletioneffects[14],衬底辅助耗尽效应的本质是电荷的不平衡条件由于受到纵向电场的影响而与纵向结构的不同,由于 N 区与 P 区的不能完全耗尽,使器件的 BV在设计上满足不了要求,而在设计上必须满足的条件为:

 . . . .2 2D n A pCs sqN d qN d Eε ε= < (1)

 .. .. D n Ap qN d qN d = (2)

 . BV EL = C D (3)

为了解决这种衬底效应,国际上的 Andre T, Salama课题组已经提出了几种解决的方案,具体为:横向非平衡的 SJLateral Unbalanced Super junctionUSJ/3DRESURF[15];SJ/RESURFLDMOST[14];具有蓝宝石衬底的 SJ[16]。

3.3 SJ 结构

在传统的 SJ 结构中,是通过 N P 型半导体相互交叠形成 NP 结系统来提供额外电场。近年来,由 Yung C.Liang 课题组首次提出通过 MOS 系统来代替 NP 结提供额外电场,即用刻蚀氧化形成一定厚度的边氧(Bypassed-oxide)并用多晶硅或高浓度的 N+或 P+提供电极(图 4),这种结构在原理上与传统的 Super Junction类似,都是通过引入新的电场来达到对 N 区电荷的补偿,中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集在工艺上这种结构较传统的 Super Junction 有一定优势,在于可以通过控制刻蚀来控制 N 区的宽度,这替代了通过外延或离子注入控制 P 区宽度。在文献[17,18]中,详细分析了这种结构的特点,在一定程度上也缓解了 BV Ron 的矛盾。文献[19]报道了将这种结构应用于横向LDMOS 中(图 5),并称为一种新的 RESURF 结构,其原理如同将 SJ 结构应用于横向的 SJ-LDMOS,但与其不同之处在于,横向 SJ-LDMOS 由于受到纵向电场的影响,具有辅助耗尽 N 区电荷的衬底辅助效应,使 P 区浓度不能全耗尽。而使用 MOS 结构代替 P 区,就不存在这种效应。

4 Oxide-Bypassed Trench Gate MOSFET 结构

5 横向 Oxide-Bypassed Trench MOSFET 结构

4 结论

总之,功率半导体器件技术自新型功率 MOS 器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面,一些诸如 SJ 在内的新结构的研究,通过缓解 MOS 类器件关态击穿与开态导通之间的矛盾,正在有效地满足实际工程中对这类器件在高速、高击穿电压、高可靠性方面的要求。包涵功率器件、功率集成电路、BCD 工艺在内的功率半导体技术正朝着高温、高频、低功耗、高功率容量以及智能化、系统化方向发展,制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以 SiC/GaN 为代表的第三代新材料功率半导体器件正不断走向成熟。

参考文献

[1] 陈星弼, 世界产品与技, No.6 pp.7-11 (2000).

[2] B. J. Baliga, ISPSD98, pp.5-10 (1998).

[3] P. K. Steimer , H. E. Gruning, J. Werninger, E. Carroll, S.Klaka, S. Linder, IAS97, pp.1592-1599 (1997).

[4] X. Chen,U.S.Patent 5216275, 1993.

[5] J.A.APPELS, M.G.COLLET, P.A.H.HART, H.M.J.VAES andJ.F.C.M.VERHOEVEN. THIN LAYER HIGH-VOLTAGEDEVICES (RESURF DEVICES), Philips Journal ofResearch Vol.35 NO.1 1980. PP:1-13.

[6] 张波,段宝兴,李肇基.具有 N+浮空层的体电场降低(REBULF) LDMOS 结构耐压分析.《半导体学报》pp.730734. 2006.

[7] F. Udrea, D. Garner, K. Sheng, et al. SOI Power Devices,Electronics & Communication Engineering Journal, 2000,Feb, pp. 27-40.

[8] Jian Fang, Zhaoji Li, et.al, Primary Side Detection and PeakCurrent Mode Control in Flyback Converter, Journal ofelectronics. 2004, No.1, 72-77.

[9] Baoxing Duan , Bo Zhang , Zhaoji Li. A New Thin-FilmPower MOSFET’S with a Buried Oxide Double StepStructure. IEEE ElECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 27. NO.5; p:377-379, 2006.

[10] S. Merchant,E. Arnold, H. Baumgart, et al., Realization ofhigh breakdown voltage (>700V) in thin soi devices, Procs.IEEE ISPSD91, 1991, pp. 31-35.

[11] Chen X-B, Sin JKO. Optimization of the specific onresistanceof the COOLMOSTM. IEEE Trans Electron Dev2001; 48(2):344-348.

[12] Sameh G. Nassif-Khalil and C.Andre T.Salama. SuperJunctionLDMOST on a Silicon-on-Sapphire Substrate. IEEETrans Electron Dev 2003; 50(5):1385-1391.

[13] Wataru Saito, Ichiro Omura, Satoshi Aida, Shigeo Koduki,Masaru Izumisawa, Hironori Yoshioka and Tsuneo Ogura.High Breakdown Voltage(>1000v) Semi-SuperjunctionMOSFETs Using 600V Class Superjunction MOSFETProcess. IEEE Trans Electron Dev 2005; 52(10):2317-2322.

[14] Sameh G. Nassif-Khalil and C.Andre T.Salama, SJ/ 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集RESURF LDMOS,” IEEE Trans Electron Dev 2004; 51:1185-1191.

[15] R. Ng, F. Udrea, K. Sheng, K. Ueno, G. A. J. Amaratunga, andM. Nishiura, “Lateral unbalanced super junction (USJ)/3D-RESURF for high breakdown voltage on SOI,” Int. Symp.Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), pp.395-398,2001.

[16] Sameh G. Nassif-Khalil and C. Andre T.Salama, “Superjunction LDMOST in silicon-on-Sapphire technology (SJLDMOST),”Proc. Int.Symp. Power Semiconductor Devicesand ICs (ISPSD), pp.81-84, 2002.

[17] Yung C. Liang, K. P. Gan and Ganesh S. Samudra. OxideBypassedVDMOS (OBVDMOS): An Alternative toSuperjunction High Voltage MOS Power Devices. IEEEElECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 22. NO.8; 2001; p:407-409.

[18] Yung C. Liang, Xin Yang, Ganesh S. Samudra, K. P. Gan andYong Liu. Tunable Oxide-Bypassed VDMOS (OBVDMOS):Breaking the Silicon Limit for the Second Generation. PowerSemiconductor Devices and ICs (ISPSD), pp.201-204, 2002.

[19] Masakazu Kanechika, Masahito Kodama, Tsutomu Uesugiand Hiroshi Tadano. A Concept of SOI RESURF Lateral ICs(ISPSD), pp.81-84, 2002.