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.     

漂移区表面阶梯掺杂LDMOS的击穿电压模型

提出表面阶梯掺杂(SD：Step Doping on surface)LDMOS的二维击穿电压模型.基于求解多区二维Poisson方程,获得SD结构表面电场的解析式.借助此模型,研究其结构参数对击穿电压的影响;计算优化漂移区浓度和厚度与结构参数的关系,给出获得最大击穿电压的途径.数值结果,解析结果和试验结果符合较好.漂移区各区和衬底电场相互调制,在漂移区中部产生新的峰值,改善电场分布;高掺杂区位于表面,降低了正向导通电阻.结果表明：SD结构较常规结构击穿电压从192V提高到242V,导通电阻下降33%. 关键词： 阶梯掺杂 模型 优化 调制     

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     

高k介质电导增强SOI LDMOS机理与优化设计

本文提出一种高k介质电导增强SOI LDMOS新结构（HK CE SOI LDMOS）,并研究其机理. HK CE SOI LDMOS的特征是在漂移区两侧引入高k介质,反向阻断时,高k介质对漂移区进行自适应辅助耗尽,实现漂移区三维RESURF效应并调制电场,因而提高器件耐压和漂移区浓度并降低导通电阻. 借助三维仿真研究耐压、比导通电阻与器件结构参数之间的关系. 结果表明,HK CE SOI LDMOS与常规超结SOI LDMOS相比,耐压提高16%–18%,同时比导通电阻降低13%–20%,且缓解了由衬底辅助耗尽效应带来的电荷非平衡问题. 关键词： k介质')" href="#">高k介质 绝缘体上硅 (SOI) 击穿电压 比导通电阻     

表面注入P-top区double RESURF功率器件表面电场模型

提出表面注入P-top区double RESURF功率器件表面电场和击穿电压解析模型. 基于分区求解二维Poisson方程, 获得double RESURF表面电场的解析式. 借助此模型, 研究了器件结构参数对表面电场和电势的影响; 计算了漂移区长度和厚度与击穿电压的关系, 给出了获得最大击穿电压和最小导通电阻的途径. 数值结果, 解析结果和试验结果符合较好.     

具有L型源极场板的双槽绝缘体上硅高压器件新结构

为了提高小尺寸绝缘体上硅(SOI)器件的击穿电压,同时降低器件比导通电阻,提出了一种具有L型源极场板的双槽SOI高压器件新结构.该结构具有如下特征:首先,采用了槽栅结构,使电流纵向传导面积加宽,降低了器件的比导通电阻;其次,在漂移区引入了Si O2槽型介质层,该介质层的高电场使器件的击穿电压显著提高;第三,在槽型介质层中引入了L型源极场板,该场板调制了漂移区电场,使优化漂移区掺杂浓度大幅增加,降低了器件的比导通电阻.二维数值仿真结果表明:与传统SOI结构相比,在相同器件尺寸时,新结构的击穿电压提高了151%,比导通电阻降低了20%;在相同击穿电压时,比导通电阻降低了80%.与相同器件尺寸的双槽SOI结构相比,新结构保持了双槽SOI结构的高击穿电压特性,同时,比导通电阻降低了26%.     

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.     

具有纵向辅助耗尽衬底层的新型横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管

为了优化横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(lateral double-diffused MOSFET,LDMOS)的击穿特性及器件性能,在传统LDMOS结构的基础上,提出了一种具有纵向辅助耗尽衬底层(assisted depletesubstrate layer,ADSL)的新型LDMOS.新加入的ADSL层使得漏端下方的纵向耗尽区大幅向衬底扩展,从而利用电场调制效应在ADSL层底部引入新的电场峰,使纵向电场得到优化,同时横向表面电场也因为电场调制效应而得到了优化.通过ISE仿真表明,当传统LDMOS与ADSL LDMOS的漂移区长度都是70μm时,击穿电压由462 V增大到897 V,提高了94%左右,并且优值也从0.55 MW/cm~2提升到1.24 MW/cm~2,提升了125%.因此,新结构ADSL LDMOS的器件性能较传统LDMOS有了极大的提升.进一步对ADSL层进行分区掺杂优化,在新结构的基础上,击穿电压在双分区时上升到938 V,三分区时为947 V.     

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.     

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.     

A super-junction SOI-LDMOS with low resistance electron channel

A novel super-junction LDMOS with low resistance channel(LRC), named LRC-LDMOS based on the silicon-oninsulator(SOI) technology is proposed. The LRC is highly doped on the surface of the drift region, which can significantly reduce the specific on resistance(Ron,sp) in forward conduction. The charge compensation between the LRC, N-pillar,and P-pillar of the super-junction are adjusted to satisfy the charge balance, which can completely deplete the whole drift,thus the breakdown voltage(BV) is enhanced in reverse blocking. The three-dimensional(3 D) simulation results show that the BV and R_(on,sp) of the device can reach 253 V and 15.5 mΩ·cm~2, respectively, and the Baliga's figure of merit(FOM = BV~2/R_(on,sp)) of 4.1 MW/cm~2 is achieved, breaking through the silicon limit.     

Design optimization of high breakdown voltage vertical GaN junction barrier Schottky diode with high-K/low-K compound dielectric structure

A vertical junction barrier Schottky diode with a high-$K$/low-$K$ compound dielectric structure is proposed and optimized to achieve a high breakdown voltage (BV). There is a discontinuity of the electric field at the interface of high-$K$ and low-$K$ layers due to the different dielectric constants of high-$K$ and low-$K$ dielectric layers. A new electric field peak is introduced in the n-type drift region of junction barrier Schottky diode (JBS), so the distribution of electric field in JBS becomes more uniform. At the same time, the effect of electric-power line concentration at the p-n junction interface is suppressed due to the effects of the high-$K$ dielectric layer and an enhancement of breakdown voltage can be achieved. Numerical simulations demonstrate that GaN JBS with a specific on-resistance ($R_{\rm on, sp}$) of 2.07 m$\Omega\cdot$cm$^{2}$ and a BV of 4171 V which is 167% higher than the breakdown voltage of the common structure, resulting in a high figure-of-merit (FOM) of 8.6 GW/cm$^{2}$, and a low turn-on voltage of 0.6 V.     

Terminal-optimized 700-V LDMOS with improved breakdown voltage and ESD robustness

A novel terminal-optimized triple RESURF LDMOS(TOTR-LDMOS) is proposed and verified in a 0.25-μm bipolarCMOS-DMOS(BCD) process. By introducing a low concentration region to the terminal region, the surface electric field of the TOTR-LDMOS decreases, helping to improve the breakdown voltage(BV) and electrostatic discharge(ESD) robustness. Both traditional LDMOS and TOTR-LDMOS are fabricated and investigated by transmission line pulse(TLP) tests,direct current(DC) tests, and TCAD simulations. The results show that comparing with the traditional LDMOS, the BV of the TOTR-LDMOS increases from 755 V to 817 V without affecting the specific on-resistance(R_(on,sp)) of 6.99 ?·mm~2.Meanwhile, the ESD robustness of the TOTR-LDMOS increases by 147%. The TOTR-LDMOS exhibits an excellent performance among the present 700-V LDMOS devices.