全球气候变暖和能源危机对电能的高效利用提出了苛刻要求,电力电子技术是目前最先进的电能转换技术,而功率半导体器件是电力电子技术中最为核心的部件。人们一直在寻找所谓“完美的功率半导体器件”,要求驱动功耗、导通功耗、关态功耗和开关损耗都很低,现在市面上的主流器件都只能部分满足以上要求。本文所研究的电荷平衡耐压层结构是硅基功率半导体器件领域的研究热点,它能够显著地提高纵向器件、横向器件和器件结终端的性能,使器件更接近“完美”。电荷平衡原理在功率半导体器件中的应用非常广泛,包括超结结构、各种降低表面场结构和优化横向变掺杂结构等。作者通过大量的文献阅读和学习发现,电荷平衡耐压层结构在理论上还有进一步优化的空间,而且在应用中也存在一些问题,比如衬底辅助耗尽效应导致体硅超结横向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor:LDMOS)的击穿电压很小,以及如何在国内现有工艺上实现前人的一些创新结构等。针对以上问题,作者在电子科技大学陈星弼院士的指导下开展了一系列研究工作。本文的创新工作主要有:1.为进一步降低超结结构的比导通电阻,研究了一种纵向三段变化掺杂的改进型超结结构。纵向变化掺杂的引入降低了原结构中的峰值电场,使电场分布更加均匀,可进一步提高超结柱中的平均掺杂浓度。利用电荷叠加原理将结构分解为一个普通超结结构部分和一个PIN二极管结构部分,求解泊松方程得到电场分布模型。借助数值分析软件MATLAB对电压等级为400 V~1600 V的结构在柱宽度分别为b=5μm和b=12μm条件下进行优化设计,结果表明纵向变化掺杂超结结构的比导通电阻与击穿电压的折衷关系优于普通超结结构,相同电压等级的器件比导通电阻降低约10%。进一步使用工艺仿真验证了一个600 V的金属-氧化物-半导体场效应晶体管在柱宽度为b=5μm条件下比导通电阻降低7.7%,并且不需要添加额外的工艺步骤。2.提出了一种基于深漏端扩散区结合场板技术的新型电荷补偿型LDMOS结构,用于解决限制体硅电荷补偿型LDMOS击穿电压的衬底辅助耗尽效应问题。从漏端扩散区的曲率效应出发解释了衬底辅助耗尽效应,分析了深漏端扩散区结合场板技术减弱曲率效应从而提高器件击穿电压的原因。借助三维器件仿真软件DAVINCI对漏端扩散区结深和场板结构参数进行优化设计,结果表明新结构的优值比使用降低表面场技术的经典解决方案提高约20%,击穿电压抵抗电荷非平衡的工艺窗口提高至±4%。电阻负载下仿真结果表明电压等级为700 V的新结构开启时间为10 ns,关断时间为30 ns。文中给出了一个可行的制造工艺流程,工艺仿真证实高温过程会影响超结柱中杂质分布,但不会影响优化结果。3.基于陈星弼院士的优化横向变掺杂结构的相关专利,开发了一个800 V的智能功率集成电路工艺平台。此工艺平台能够将横向高压功率器件与纵向高压功率器件集成在同一芯片上,只需在标准的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor:CMOS)工艺流程上添加几个工艺步骤,一共使用11层掩膜版,12次光刻。文中详细分析了工艺平台结构和流程,并讨论了工艺参数的设计,特别是优化横向变掺杂结构中各层杂质剂量的设计。对工艺平台中集成的800 V高压功率器件、40 V中压CMOS器件、静电放电保护器件、场栅氧器件等结构进行了测试分析,最后用一款离线式开关电源芯片验证了其实用性。4.基于陈星弼院士的高速绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)和优化横向变掺杂结构的相关专利,开发了一个1700 V的高低压集成工艺平台,在一个成熟的平面栅非穿通型IGBT工艺流程中,添加几个工艺步骤用于集成低压控制电路。工艺流程使用“正面→背面→正面→背面”加工过程以激活背面各层杂质,使用揭离工艺在背面制作了两个金属电极。本工艺平台一共使用了16层掩膜版,其中有13层用于正面工艺,其余3层用于背面工艺。IGBT器件的击穿电压达到1900 V,阈值电压为8 V,正向导通电流密度为45 A/cm2;低压NMOS和PMOS管的击穿电压分别为15 V和21 V,导通电流密度较低。